Caracterização de Componentes Magnéticos

Elementos magnéticos, como indutores ou transformadores, têm propriedades características que dependem do material magnético que forma o núcleo dentro da bobina. Quando a corrente flui em uma bobina indutora ou transformadora, ela cria um campo magnético. A capacidade do material do núcleo de manter o campo magnético, chamada de permeabilidade, determina a força do campo, chamada de força de magnetização. A força de magnetização então produz fluxo magnético no núcleo do indutor. Em indutores e transformadores, a relação entre a força de magnetização e a densidade de fluxo é definida como o fluxo magnético através de uma área de seção transversal e pode ser analisada usando uma curva BH. A curva BH descreve o material do núcleo e identifica seu limite de saturação magnética. Isso ocorre quando a corrente adicional através dos enrolamentos não aumenta mais o fluxo magnético. Este vídeo ilustra a medição das curvas BH para indutores e transformadores e a caracterização do material do núcleo e dos enrolamentos dos indutores.

Uma curva BH mostra a relação entre a densidade do fluxo magnético, B, e a intensidade do campo magnético, H. Inicialmente, à medida que a intensidade do campo magnético é aumentada, a densidade do fluxo também aumenta para um determinado valor máximo. Após este ponto, qualquer aumento na intensidade do campo magnético resulta em nenhum aumento significativo na densidade do fluxo magnético e o material é considerado saturado. Os materiais magnéticos reais exibem histerese à medida que o material é magnetizado alternadamente nas direções positiva e negativa. Isso implica que, à medida que a intensidade do campo magnético é reduzida de volta a zero, algum magnetismo residual permanece. A área dentro da curva BH é proporcional à perda de energia, pois o material é magnetizado nas direções positiva e negativa. Um material com menor perda de histerese, como o aço, é comumente usado em núcleos de transformadores devido a essa propriedade. A curva BH também pode ser usada para descrever a permeabilidade de um material, calculada como a razão entre a densidade do fluxo magnético e a intensidade do campo magnético. Muitas vezes está relacionado à permeabilidade do espaço livre e, portanto, denominado permeabilidade relativa. Materiais com suscetibilidade magnética muito baixa, como a madeira, têm uma baixa permeabilidade relativa. Enquanto materiais com alta suscetibilidade magnética, como o ferro, possuem alta permeabilidade relativa. Para criar uma curva BH, a densidade de fluxo, B, deve primeiro ser determinada. Para isso, a taxa de variação do fluxo é medida, que é relativa à tensão na bobina usando a Lei de Faraday. Isso pode ser identificado usando um circuito RC simples em paralelo com a bobina. Para obter informações mais detalhadas sobre esses cálculos, consulte o protocolo de texto. A intensidade do campo magnético, ou H, pode ser encontrada usando a Lei de Ampère e variáveis mensuráveis, a corrente na bobina, o número de voltas do enrolamento e o comprimento médio do núcleo. A curva BH de um material pode ser estimada a partir de medições de corrente e da integral de tempo da tensão em todo o elemento. Quando o número de voltas e as dimensões dos elementos também são conhecidos, eles podem ser dimensionados para quantidades reais. Agora, vamos demonstrar como medir a permeabilidade relativa e calcular as curvas BH.

Nesses experimentos, três componentes magnéticos são medidos, um pequeno indutor com núcleo de ferrite, um indutor preto maior com um número desconhecido de voltas e um transformador de 60 Hz. Comece com o pequeno indutor com as dimensões mostradas e um enrolamento gira o número de 75. Primeiro, meça a indutância do indutor em 120 e 1.000 Hz usando um medidor LCR. Em segundo lugar, construa o circuito conforme mostrado, mantendo a saída do gerador de função em 50 ohm e o cabo conector BNC desconectado. Em seguida, conecte as sondas de tensão e corrente diferencial e verifique se não há deslocamentos. Defina a sonda diferencial para 120º para melhor resolução. Por fim, defina a sonda de corrente para 100 milivolts por amp na sonda e 1x no osciloscópio. E observe esses fatores de escala para cálculos posteriores. Defina a saída do gerador de funções para uma forma de onda senoidal soto de 1.000 Hz com um pico de 10 volts. Meça VC e I, conecte o gerador de funções e verifique se todas as conexões do circuito estão conforme mostrado. Em seguida, registre a corrente e a tensão medidas. Por fim, altere o formato de exibição do osciloscópio de yt para xy para exibir a curva BH. Ajuste os botões de ajuste vertical do canal um e do canal dois até que a curva se ajuste à tela do osciloscópio. Em seguida, estabilize a curva definindo a opção persistir para a exibição. E então, faça uma captura de tela da curva. Por último, ajuste a frequência do gerador de funções para 120 Hz e refaça a captura de tela da curva BH após ajustar as configurações da curva conforme necessário. Por fim, desconecte o gerador de funções e remova o indutor. Mantenha o resto do circuito intacto.

Para determinar o número de voltas para o indutor maior, vamos primeiro medir sua curva BH. Para simplificar os cálculos, suponha que o núcleo seja um núcleo totalmente aéreo. Primeiro, meça a indutância do indutor a 120 e 1.000 Hz usando o medidor LCR. Em seguida, coloque o indutor no circuito RC. Meça a curva BH para o indutor maior usando o mesmo procedimento descrito para o indutor pequeno. Observe e registre a corrente e a tensão medidas. Exiba a curva B-H. Ajuste a frequência do gerador de funções para 120 Hz e ajuste as configurações da curva conforme necessário.

Os transformadores monofásicos consistem em dois enrolamentos acoplados por um núcleo magnético. Aqui, a curva BH para o transformador de 60 Hz é medida. Usando o medidor LCR, meça a indutância do enrolamento lateral de 115 volts a 120 Hz. Em seguida, monte o circuito conectando AC1 e N do variac ao lado primário do transformador através do circuito protoboard usando cabos banana. Ajuste os fatores de escala e os parâmetros do gerador de funções conforme descrito anteriormente. Com o variac em 90 por cento, meça a corrente e a tensão. Em seguida, exiba e registre a curva BH.

Se o número de voltas da bobina, o comprimento médio do núcleo e a área da seção transversal forem conhecidos, a indutância da bobina será medida diretamente e a permeabilidade relativa poderá ser calculada. Alternativamente, uma curva BH medida pode ser usada para determinar a permeabilidade relativa de um elemento e, em seguida, calcular o número de voltas na bobina. Na região linear da curva BH, a permeabilidade relativa pode ser encontrada a partir da inclinação. Usando permeabilidade relativa, e dado que a indutância e as dimensões do núcleo são conhecidas, o número de voltas pode ser facilmente calculado usando a seguinte relação.

Indutores e outros dispositivos eletromagnéticos, como transformadores, são comuns em muitos sistemas elétricos, eletrônicos e mecânicos. A rede elétrica fornece eletricidade aos consumidores distribuindo eletricidade de alta tensão por longas distâncias por meio de linhas de transmissão. Altas tensões são necessárias em longas distâncias para compensar as perdas de energia. Os transformadores são usados ao longo das linhas de energia para reduzir as tensões de transmissão mais altas para os níveis mais baixos necessários nas estações de distribuição e para o fornecimento do usuário final. Os transformadores transferem energia por meio de indução eletromagnética, permitindo a redução controlada das tensões CA. Eles são comumente projetados com núcleos de aço devido ao alto ponto de saturação magnética do aço. O ímã do estator induz um campo magnético rotativo no rotor, fazendo com que o rotor gire. Efetivamente, o estator é o enrolamento primário de um transformador e a gaiola do esquilo, o enrolamento secundário. Os motores de indução CA são usados em uma grande variedade de aplicações. O motor consiste em um ímã externo estacionário enrolado e no núcleo ferromagnético interno do rotor. Normalmente, um arranjo cilíndrico de barras condutoras formando a gaiola do esquilo.

Você acabou de assistir a Introdução da JoVE à Caracterização de Componentes Magnéticos. Agora você deve entender como medir as curvas BH de indutores e transformadores, enquanto identifica fatores de projeto desconhecidos, como permeabilidade relativa e número de voltas. Obrigado por assistir.