Captação de energia por indução magnética em linha de potência

TARCÍSIO OLIVEIRA DE MORAES JÚNIOR

SISTEMA DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA (ENERGY HARVESTING) POR

DISPERSÃO MAGNÉTICA EM LINHA DE POTÊNCIA

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - PPGEE, da Universidade Federal da Paraíba - UFPB, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Dr. Cleonilson

Protásio de Souza e Prof. Dr. Yuri Percy Molina Rodriguez

Coordenador: Prof. Dr. Fabiano Salvadori

JOÃO PESSOA

2013

FICHA CATALOGRÁFICA

Moraes Júnior, Tarcísio Oliveira Sistema de Captação de Energia (Energy Harvesting) por Dispersão Magnética em Linha de Potência – João Pessoa, 2013. 154 pgs. Área de concentração: Sistemas de Energia. Orientadores: Prof. Dr. Cleonilson Protásio de Souza e Prof. Dr. Yuri Percy Molina Rodriguez. Dissertação – Universidade Federal da Paraíba. 1. Recuperação de Energia; 2. Indução Magnética; 3. Núcleo Magnético

UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA – UFPB

CENTRO DE ENERGIAS ALTERNATIVAS E RENOVÁVEIS – CEAR

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA - PPGEE

A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova a Dissertação

SISTEMA DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA (ENERGY HARVESTING) POR

DISPERSÃO MAGNÉTICA EM LINHA DE POTÊNCIA

Elaborada por

TARCÍSIO OLIVEIRA DE MORAES JÚNIOR

como requisito parcial para obtenção do grau de

Mestre em Engenharia Elétrica.

COMISSÃO EXAMINADORA

PROF. DR. CLEONILSON PROTÁSIO DE SOUZA (Presidente, ORIENTADOR)

PROF. DR. YURI PERCY MOLINA RODRIGUEZ (ORIENTADOR)

PROF. DR. HELDER ROLIM FLORENTINO

PROF. DR. ALEXANDRE CÉZAR DE CASTRO

João Pessoa/PB, 25 de fevereiro de 2013.

Aos meus pais, Tarcisio Oliveira de Moraes e Maria de Fátima Pereira Oliveira, aos

meus irmãos Tarciêudo Pereira Oliveira e Tarciclêudo Pereira de Oliveira, ao meu tio

Francisco Pereira da Silva e família, a minha esposa Jesana Sá Damasceno Moraes

e aos meus orientadores Cleonilson Protásio de Souza e Yuri Percy Molina

Rodriguez.

Dedico

AGRADECIMENTOS

A Deus em primeiro lugar, ao meu tio Francisco Pereira da Silva e família, a

minha esposa, a meus pais, aos meus irmãos e a meu amigo Luiz Derço Santiago.

Aos professores Antônio Augusto Lisboa, Euler Macedo e, principalmente,

aos meus orientadores Cleonilson Protásio de Souza e Yuri Percy Molina Rodriguez,

pela enorme colaboração e empenho.

Aos meus amigos e colegas de pós-graduação e a todos os amigos

conquistados ao longo do curso.

À CAPES pela concessão da bolsa de mestrado.

“O homem não pode receber coisa alguma, se não lhe for dada do céu.” “O temor do SENHOR é o princípio da sabedoria, e o conhecimento do Santo a prudência."

Jo 3.27b; Pv 9.10

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS, TABELAS E GRÁFICOS ........................................................ X

LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIMBOLOS ............................................................. XVI

RESUMO............................................................................................................... XVIII

ABSTRACT ............................................................................................................. XIX

1 INTRODUÇÃO .................................................................................................... 21

1.1 OBJETIVOS ..................................................................................................... 23

1.2 MOTIVAÇÃO .................................................................................................... 24

2 REVISÃO DE LITERATURA .............................................................................. 27

2.1 REDES DE SENSORES SEM FIO (RSSF) ...................................................... 27

2.2 SISTEMA DE RECUPERAÇÃO DE ENERGIA (ENERGY HARVESTING) ..... 28

2.3 ESTADO-DA-ARTE .......................................................................................... 29

2.3.1 Captação de energia por dispersão magnética ............................................. 31

3 PROPOSTA DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA POR DISPERSÃO MAGNÉTICA 34

3.1 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS MAGNÉTICOS ....................................... 34

3.2 DOMÍNIOS MAGNÉTICOS .............................................................................. 36

3.3 LAÇO B X H ..................................................................................................... 36

3.4 CIRCUITO PARA OBTENÇÃO DO LAÇO B X H ............................................. 40

3.5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA DO CAMPO MAGNÉTICO ............................. 44

3.6 NÚCLEOS TOROIDAIS UTILIZADOS NESTA PESQUISA ............................. 48

3.7 NÚCLEO DE PÓ DE FERRO DESENVOLVIDO NA UFPB ............................. 49

4 EXPERIMENTOS E EMULAÇÕES ..................................................................... 53

4.1 DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS MAGNÉTICOS – ETAPA 1 .............. 53

4.2 DETERMINAÇÃO DOS VALORES MÁXIMOS DE POTÊNCIA – ETAPA 2 .... 54

4.2.1 Primeira medição .......................................................................................... 58

4.2.2 Segunda medição ......................................................................................... 59

4.2.3 Terceira medição ........................................................................................... 60

4.3 COMPROVAÇÃO DOS CÁLCULOS TEÓRICOS ATRAVÉS DE MEDIÇÕES DE TENSÃO NO CAPTADOR SEM CARGA – ETAPA 3 ................................ 61

5 RESULTADOS .................................................................................................... 63

5.1 PARÂMETROS MAGNÉTICOS – ETAPA 1 ..................................................... 63

5.1.1 Captadores de Ferrite ................................................................................... 63

5.1.2 Captadores Nanocristalinos ......................................................................... 74

5.1.3 Captadores de Pó de Ferro ........................................................................... 77

5.2 VALORES MÁXIMOS DE POTÊNCIA – ETAPA 2 ........................................... 86

5.2.1 Primeira Medição .......................................................................................... 86

5.2.2 Segunda Medição ......................................................................................... 88

5.2.3 Terceira medição ........................................................................................... 96

5.3 COMPROVAÇÃO DOS CÁLCULOS TEÓRICOS ATRAVÉS DE MEDIÇÕES DE TENSÃO NO CAPTADOR SEM CARGA – ETAPA 3 .............................. 101

5.3.1 Captadores de Ferrite ................................................................................. 101

5.3.2 Captadores Nanocristalinos ........................................................................ 110

5.3.3 Captadores de Pó de Ferro ......................................................................... 127

6 CONCLUSÃO ................................................................................................... 136

7 TRABALHOS REALIZADOS ............................................................................ 139

8 REFERÊNCIAS ................................................................................................. 141

APÊNDICE 1 - CÓDIGO RESPONSAVEL POR O MODELAMENTO DOS DADOS AQUISITADO EM OSCILOSCOPIO PARA A DETERMINAÇÃO DAS CARACTARISTICAS MAGNÉTICAS DOS CAPTADORES ..................................................................... 145

APÊNDICE 2 - CÓDIGO RESPONSÁVEL POR O MODELAMENTO DOS DADOS QUE FORAM FEITOS A AQUISIÇÃO EM OSCILOSCOPIO PARA A DETERMINAÇÃO DOS VALORES DE POTÊNCIA NA CARGA DO CCD ................................................. 150

APÊNDICE 3 - CÓDIGO PARA OBTENÇÃO DO VALOR DE TENSÃO DE SAÍDA AFERIDO NO TERMINAL SECUNDARIO DO CAPTADOR SEM CARGA ............................................................ 154

LISTA DE FIGURAS, TABELAS E GRÁFICOS

FIGURA 1 – HARDWARE BÁSICO DE UM NÓ SENSOR....................................... 28

FIGURA 2 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO. FONTE: (BATISTELA, 2001) ............ 38

FIGURA 3 – LAÇO DE HISTERESE. FONTE: (BATISTELA, 2001). ....................... 39

FIGURA 4 – CIRCUITO PARA DETERMINAÇÃO DO LAÇO B X H. ADAPTADO DE (BATISTA, 2010) ............................................................................ 41

FIGURA 5 – CAIXA CONTENDO O CIRCUITO PARA DETERMINAÇÃO DO LAÇO B X H. ........................................................................................ 42

FIGURA 6 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO. FONTE: (BATISTELA, 2001) ............ 44

FIGURA 7 – CAMADAS DO TOROIDE ENVOLVENDO UMA LINHA DE POTÊNCIA. (A) CORTE (B) PERSPECTIVA ....................................... 46

FIGURA 8 – NÚCLEOS EM TESTE. ........................................................................ 48

FIGURA 9 – DIMENSÕES DO NÚCLEO .................................................................. 50

FIGURA 10 – MATRIZ DE PRENSAGEM ................................................................ 51

FIGURA 11 – VISÃO DE TOPO DA PLANTA PILOTO ........................................... 56

FIGURA 12 – PLANTA PILOTO ............................................................................... 56

FIGURA 13 – COMPARTIMENTOS DA PLANTA PILOTO ..................................... 57

FIGURA 14 – CIRCUITO ELÉTRICO DA PLANTA PILOTO ................................... 57

FIGURA 15 – SISTEMA DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA ......................................... 58

FIGURA 16 – CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DOS NÍVEIS DE POTÊNCIA COM O USO DO REGULADOR DE TENSÃO .................................................. 59

FIGURA 17 – CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DOS NÍVEIS DE POTÊNCIA SEM O USO DO REGULADOR DE TENSÃO .................................................. 60

FIGURA 18 – CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DOS NÍVEIS DE POTÊNCIA COM A CARGA CONECTADA DIRETAMENTE AO CAPTADOR ................... 60

FIGURA 19 – CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DOS NÍVEIS DE TENSÃO SEM CARGA ................................................................................................. 61

TABELA 1 – CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS MAGNÉTICOS – ADAPTADO DE (SHADIKU, 2004) ........................................................................... 36

TABELA 2 – CONDIÇÕES PARA A UTILIZAÇÃO DOS RESITORES DE MEDIÇÃO. ............................................................................................ 41

TABELA 3 – DADOS DOS CAPTADORES EM TESTE .......................................... 49

TABELA 4 – PARÂMETROS DOS CAPTADORES PARA A DETERMNAÇÃO DO LAÇO B X H ................................................................................... 54

TABELA 5 – NÚMERO DE BOBINAS DO SECUNDÁRIO DOS CAPTADORES PARA A CAPTAÇÃO DE ENERGIA .................................................... 55

TABELA 6 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR F1 ......................... 66




TABELA 10 – RESUMO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS PARA OS CAPTADORES DE FERRITE ............................................................... 74

TABELA 11 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR NC2 .................... 77

TABELA 12 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR P3 ...................... 80

TABELA 13 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR P4.1 ................... 82

TABELA 14 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR PE ...................... 85

TABELA 15 – RESUMO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS PARA OS CAPTADORES DE PÓ DE FERRO ..................................................... 85

TABELA 16 – TESTES E MEDIÇÕES EXPERIMENTAIS ....................................... 86

TABELA 17 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE FERRITE ............................................................................................... 90

TABELA 18 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES NANOCRISTALINOS ........................................................................... 92

TABELA 19 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE PÓ DE FERRO ........................................................................................... 94

TABELA 20 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE FERRITE ............................................................................................... 97

TABELA 21 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE LIGA NANOCRISTALINOS ........................................................................... 98

TABELA 22 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE PÓ DE FERRO ......................................................................................... 100

TABELA 23 – RESULTADOS DO CAPTADOR F1.1 ............................................ 102

TABELA 24 – RESULTADOS DO CAPTADOR F1 ............................................... 104




TABELA 28 – RESULTADOS DOS CAPTADORES DE FERRITE ....................... 110

TABELA 29 – RESULTADOS DO CAPTADOR NC1.1 ......................................... 112

TABELA 30 – RESULTADOS DO CAPTADOR NC1 ............................................ 115






TABELA 36 – RESULTADOS DOS CAPTADORES NANOCRISTALINOS .......... 127

TABELA 37 – RESULTADOS DO CAPTADOR P3 ............................................... 128

TABELA 38 – RESULTADOS DO CAPTADOR P4.1 ............................................ 130

TABELA 39 – RESULTADOS DO CAPTADOR PE ............................................... 132

TABELA 40 – RESULTADOS DOS CAPTADORES DE PÓ DE FERRO .............. 132

TABELA 41 – RESULTADO GERAL DE TODOS OS CAPTADORES TESTADOS – ETAPA 2 – SEGUNDA MEDIÇÃO .............................. 133

TABELA 42 – RESULTADO GERAL DE TODOS OS CAPTADORES TESTADOS – ETAPA 2 – TERCEIRA MEDIÇÃO ............................. 134

GRÁFICO 1 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO F1 ................................................................................. 64

GRÁFICO 2 – LAÇO B X H DO CAPTADOR F1 ..................................................... 65

GRÁFICO 3 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR F1 ......................... 65








GRÁFICO 11 – LAÇO B X H DO CAPTADOR F4 ................................................... 73

GRÁFICO 12 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR F4 ....................... 73

GRÁFICO 13 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO NC2 .............................................................................. 75

GRÁFICO 14 – LAÇO B X H DO CAPTADOR NC2 ................................................ 76

GRÁFICO 15 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR NC2 .................... 77

GRÁFICO 16 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO P3 ................................................................................ 78

GRÁFICO 17 – LAÇO B X H DO CAPTADOR P3 ................................................... 79

GRÁFICO 18 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR P3 ....................... 79

GRÁFICO 19 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO P4 ................................................................................ 80

GRÁFICO 20 – LAÇO B X H DO CAPTADOR P4.1 ................................................ 81

GRÁFICO 21 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR P4.1 .................... 82

GRÁFICO 22 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO PE ................................................................................ 83

GRÁFICO 23 – LAÇO B X H DO CAPTADOR PE ................................................... 84

GRÁFICO 24 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR PE ....................... 85

GRÁFICO 25 – TENSÃO NA CARGA E NO RETIFICADOR PARA R=97Ω ........... 87

GRÁFICO 26 – POTÊNCIA E CORRENTE ATIVA PARA R=97Ω ........................... 88

GRÁFICO 27 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE – POTÊNCIA NA CARGA ................................................................................................. 89

GRÁFICO 28 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE – TENSÃO RMS NA SAÍDA DO SECUNDÁRIO ............................................................. 89

GRÁFICO 29 – CAPTADORES COM NÚCLEO NANOCRISTALINO – POTÊNCIA NA CARGA ....................................................................... 91

GRÁFICO 30 – CAPTADORES COM NÚCLEO NANOCRISTALINO – TENSÃO RMS NA SAÍDA DO SECUNDÁRIO .................................................... 91

GRÁFICO 31 – CAPTADOR COM NÚCLEO DE PÓ DE FERRO – POTÊNCIA NA CARGA ........................................................................................... 93

GRÁFICO 32 – CAPTADOR COM NÚCLEO DE PÓ DE FERRO – TENSÃO RMS NA SAÍDA DO SECUNDÁRIO ............................................................. 94

GRÁFICO 33 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE, NANOCRISTALINO E PÓ DE FERRO – POTÊNCIA NA CARGA ...... 95

GRÁFICO 34 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE, NANOCRISTALINOS E PÓ DE FERRO – TENSÃO RMS NA SAÍDA DO SECUNDÁRIO ................................................................................ 95

GRÁFICO 35 – CAPTADOR COM NÚCLEO DE FERRITE – POTÊNCIA NA CARGA ................................................................................................. 96

GRÁFICO 36 – CAPTADOR COM NÚCLEO NANOCRISTALINO – POTÊNCIA NA CARGA ........................................................................................... 98

GRÁFICO 37 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE PÓ DE FERRO – POTÊNCIA NA CARGA ........................................................................................... 99

GRÁFICO 38 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE, NANOCRISTALINO E PÓ DE FERRO – POTÊNCIA NA CARGA .... 100

GRÁFICO 39 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F1.1 – RESULTADO EXPERIMENTAL ................................................................................ 101

GRÁFICO 40 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F1.1 – RESULTADO TEÓRICO ............................................................................................ 102

GRÁFICO 41 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F1 – RESULTADO EXPERIMENTAL ................................................................................ 103

GRÁFICO 42 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F1 – RESULTADO TEÓRICO ............................................................................................ 104








GRÁFICO 50 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR NC1.1 – RESULTADO EXPERIMENTAL ................................................................................ 111

GRÁFICO 51 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR NC1.1 – RESULTADO TEÓRICO ............................................................................................ 111


GRÁFICO 53 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR NC1 – RESULTADO EXPERIMENTAL ................................................................................ 113

GRÁFICO 54 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR NC1 – RESULTADO TEÓRICO ............................................................................................ 114


GRÁFICO 56 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N2 – RESULTADO EXPERIMENTAL ................................................................................ 115















GRÁFICO 71 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR P3 – RESULTADO EXPERIMENTAL ................................................................................ 127

GRÁFICO 72 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR P3 – RESULTADO TEÓRICO ............................................................................................ 128

GRÁFICO 73 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR P4.1 – RESULTADO EXPERIMENTAL ................................................................................ 129

GRÁFICO 74 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR P4.1 – RESULTADO TEÓRICO ............................................................................................ 130

GRÁFICO 75 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR PE – RESULTADO EXPERIMENTAL ................................................................................ 131

GRÁFICO 76 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR PE – RESULTADO TEÓRICO ............................................................................................ 131

LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIMBOLOS

RSSF Rede de Sensores Sem Fio

Ni-MH Nickel Metal Hydride

CCD Circuito Condicionador de Potência

Rm Resistor de medição [Ω]

Rv Resistor de carga do CCD [Ω]

N1 Numero de espiras do primário [adimensional]

N2 Número de espiras do secundário [adimensional]

r Raio do captador [mm]

Lr Raio de cada lâmina do captador [mm]

pr Raio de cada entreferro do captador [mm]

Ip Corrente do primário [A]

TV Tensão no resistor de medição [V]

0V Tensão na saída do integrador [V]

A Área de seção transversal do captador [mm²]

w Altura do captador [mm]

h Largura do captador [mm]

Frequência angular [rad/s]

f Frequência [Hz]

S Largura do entreferro do captador [mm]

M Magnetização do material [A/m]

B Densidade do campo magnético [T]

Br Densidade de fluxo residual [T]

H Intensidade do fluxo magnético [A/m]

Hc Força coerciva ou coercitiva [A/m]

0 Permeabilidade magnética do vácuo [H/m]

r Permeabilidade magnética relativa [adimensional]

m Permeabilidade magnética do material [H/m]

mX Susceptibilidade magnética do material [adimensional]

Fluxo magnético [Wb]

T Fluxo magnético total [Wb]

LT Fluxo magnético total das lâminas [Wb]

PT Fluxo magnético total do material isolante [Wb]

Resumo

Neste trabalho é apresentado um sistema de captação de energia por dispersão magnética produzida pela corrente elétrica em uma linha de potência de uma rede de distribuição de energia, para alimentação de dispositivos de uma rede de sensores sem fio. Para a obtenção do melhor sistema de captação foram testados núcleos toroidais com diferentes materiais e dimensões (cinco de ferrite, sete nanocristalino e três de pó de ferro) objetivando a obtenção do captador com maior de potência. Foi desenvolvido um protótipo do sistema que consiste de uma planta piloto capaz de emular as altas correntes da linha de potência e de um circuito condicionador de potência para o tratamento da energia captada. Os testes foram divididos em três etapas. O primeiro restringe-se a determinação dos parâmetros magnéticos (como permeabilidade relativa e curva de magnetização) de cada captador através do uso de um circuito de medição de permeabilidade para a determinação do laço B x H. O segundo, ao circuito de condicionamento de potência, composto de um retificador AC/DC e de um regulador de tensão para a determinação do maior valor de potência no ensaio dos captadores. O terceiro, a comparação dos resultados experimentais com os resultados teóricos. Os resultados experimentais obtidos, que foram condizentes com os teóricos, comprovam que o sistema captador de energia é capaz de fornecer níveis de potência na escala de até a 315,6 mW para captadores de ferrite, 54mW para captadores nanocristalinos e 0,77mW para captadores de pó de ferro, através da captação por dispersão magnética produzida por uma corrente de 15A na linha de potência, a qual pode ser aplicado para dispositivos diversos de baixo consumo, principalmente, em rede de sensores sem fio para a aquisição de dados e os parâmetros de controle da própria linha de potência Descritores: Recuperação de Energia, Dispersão Magnética, Núcleo magnético.

Abstract

In this work is presented an energy harvesting system based on disperse magnetic energy produced by electric current trough power line of a power distribution network in order to supply energy for devices in a wireless sensor network. The system is based on toroidal cores tested and validated with different materials and dimensions (five based on ferrite, seven based on nanocrystalline, three based on iron powder) aiming harvesting optimal power device. It was implemented a prototype consisting of a test bench capable of emulating power-line high currents and of a power conditioning circuit. Test procedures were executed in three parts. The first was to determine the magnetic parameters (e.g. relative permeability and magnetic curve) of each harvester using a circuit able to measure core permeability in order to obtain B x H cycle. The second was to test a proposed power conditioning circuit composed of an AC/DC rectifier and a voltage regulator. The third, the experimental results were compared with theoretical ones. The obtained experimental results have been in agreement with theory, showing that the energy harvesting system is capable of supplying up to 315.6 mW from ferrite based core, 54mW from nanocrystalline based cores and 0.77mW from iron powder based ones, by capturing magnetic dispersion produced by a 15A current in the power line, which can be applied to various low power devices, mainly in wireless sensor network for data acquisition and control parameters of the power line itself Keywords: Energy harvesting, Magnetic Dispersion, Magnetic Core.

1 INTRODUÇÃO

Introdução

21

1 INTRODUÇÃO

Atualmente, constata-se um elevado desenvolvimento de dispositivos

eletrônicos de baixa potência e das tecnologias de comunicação sem fio, que

proporcionam, por exemplo, o crescimento do uso de redes de comunicação sem fio.

É o caso da computação móvel, que obtém acesso contínuo às informações através

dessas redes.

Particularmente, objetivando-se coletar dados nas mais diversas áreas

surgem então as Redes de Sensores sem Fio (RSSF), as quais podem ser aplicadas

nas áreas industrial, ambiental, militar, biomédica, entre outras, para monitoração e

controle de determinados eventos ou fenômenos para o processamento e

disseminação de informações (SILVA et al., 2008) . Compostas por nós sensores,

nós roteadores e, em alguns casos, atuadores, as RSSF, segundo (PEREIRA et al.,

2007) são um conjunto de nós individuais (nós sensores) que operam

autonomamente, mas que formar uma rede com o objetivo de juntar as informações

individuais dos sensores para monitorar determinados eventos. Há uma observância

especial no que concerne aos meios de alimentação desses nós sensores, os quais

tendem a ser miniaturizados, trazendo-se assim limitações de recursos na sua

capacidade de suprimento de energia. Em geral, os nós de uma RSSF são

alimentados por baterias, isso implica em manutenção periódica para a troca destas,

o que, dependendo da localização do nó sensor, pode tornar inviável ou dificultar

sua manutenção.

Para tanto vem sendo estudado e desenvolvido nos últimos anos sistemas

de alimentação sem baterias (battery-less system) para dispositivos de baixo

consumo, o qual converte energia do ambiente (térmica, solar, mecânica, etc.)

através do uso de materiais piezelétricos, painéis fotovoltaicos, indução magnética

entre outros meios em pequenas densidades de energia elétrica para armazenagem

e uso em dispositivos de baixo consumo, ou seja, se refere ao processo pelo qual a

energia no ambiente é convertida em eletricidade para abastecer pequenos

dispositivos tornando-os autossuficientes (LÓPEZ, 2011). Denomina-se essa

abordagem como Energy Harvesting.

A principal aplicação de Energy Harvesting é no suprimento de energia para

nós sensores objetivando-se torná-los energeticamente autônomos.

Introdução

22

Especificamente considerando recuperação de energia através de indução

magnética, tem-se que um dispositivo capta o campo magnético gerado por uma

corrente elétrica alternada em um condutor, transformando-o em energia elétrica

para alimentação dos nós sensores. Esses dispositivos de captação de energia por

indução magnética são formados por núcleos magnéticos de alta permeabilidade

magnética e, em geral, no formato toroidal e um ou vários enrolamentos condutores.

Vários tipos de materiais podem ser usados nesses núcleos, por exemplo,

ferrite, ligas nanocristalinas, algumas ligas compostas, pó de ferro, entre outros,

possuindo características magnéticas diferentes, como, por exemplo, perdas

magnéticas, permeabilidade e coercividade. Dessa forma, dependendo do material,

é possível obter valores de, por exemplo, permeabilidade magnética que influenciam

diretamente na capacidade de captação de fluxo magnético.

Após a captação de energia existem, na literatura atual, circuitos

condicionadores de potência (BANTHING; MCBEE, 2010) a fim de realizar o devido

tratamento da energia capturada. Esses circuitos geralmente são retificadores, filtros

e/ou reguladores que devem, por sua vez, ser de baixo consumo.

Com base nesses contextos, esta dissertação fundamenta-se em um estudo

para captação de energia por dispersão magnética1 tendo como objetivo principal o

desenvolvimento de um sistema circuito captador de energia para alimentação de

nós sensores de uma rede de sensores sem fio com base em teste com captadores

de energia com características magnéticas diferentes. Além disso, foi desenvolvida

uma plataforma experimental para testes (emulando uma linha de potência) e um

circuito de medição de permeabilidade magnética para os diferentes captadores

utilizados. Para tanto, essa dissertação está dividida da seguinte forma: na Seção 1,

estão descritos os objetivos e a motivação da dissertação; na Seção 2, um breve

comentário sobre redes de sensores sem fio e o levantamento do estado-da-arte

1 Foi utilizada a expressão dispersão magnética, pois considerou-se que o campo

magnético envolto em linhas elétricas de energia é disperso no sentido que este é desperdiçado no

ambiente em sua volta.

Introdução

23

sobre os métodos de captação de energia; na Seção 3, a proposta de captação de

energia por dispersão magnética; na Seção 4, experimentos e emulações; na seção

5, resultados; na Seção 6, as conclusões e na Seção 7 trabalhos realizados.

1.1 OBJETIVOS

Os objetivos gerais deste trabalho são os seguintes:

1. Apresentar um estudo sobre captação de energia de campo magnético

disperso considerando os seguintes materiais: pó de ferro, ferrite e

nanocristalino.

2. Apresentar um circuito de captação de energia através de campo magnético

disperso, mostrar os testes e validação que comprovam a eficiência do

circuito proposto considerando núcleos magnéticos de ferrite, nanocristalino e

pó de ferro.

Os objetivos específicos deste trabalho são:

1. Apresentar um estudo aplicado sobre indução magnética e uma análise

teórica do fluxo magnético captado pelos núcleos em testes.

2. Descrever a plataforma experimental de emulação de uma linha de potência

proposta.

3. Apresentar as características magnéticas dos núcleos considerados.

4. Apresentar o aparato instrumental para medição das propriedades

magnéticas dos materiais magnéticos utilizado.

5. Descrever o circuito básico de condicionamento de potência utilizado no

sistema de recuperação de energia.

6. Descrever os ensaios comparativos realizados com toroides com núcleos

magnéticos convencionais de ferrite, pó de ferro e nanocristalino, visando

levantar a influência do material no processo de captação para otimizar o

sistema proposto.

Introdução

24

1.2 MOTIVAÇÃO

Nos dias atuais a necessidade de comunicação é bastante considerável. Há

uma grande facilidade de troca de informações de pontos extremamente distantes,

como por exemplo, através do uso da telefonia móvel. Sistemas de comunicação e

monitoramento das mais diversas e longínquas localidades interpõem suas

informações em questões de frações de segundos.

Em se tratando de monitoramento, vem sendo desenvolvido, estudado e aos

poucos implantado, nos dias atuais, dispositivos conhecidos como nós sensores.

Esses dispositivos, dependendo da aplicação, possuem vários outros

microdispositivos (sensores) que captam informações do meio onde se encontram

para serem processadas e eventualmente ser feito aquisição para um determinado

fim. Semelhante a uma rede de computadores, esses dispositivos podem se

comunicar a fim de trocarem informações sem a utilização de cabos. Esta última

característica possibilita a rede uma facilidade de monitoramento de algum

parâmetro físico, contudo limita o tempo de vida de cada dispositivo componente da

rede, por esse depender de baterias onde estas não estão conectadas a uma fonte

de energia para o seu carregamento. Essa limitação se retrata relativamente a sua

capacidade de alimentação no tocante as fontes de fornecimento de energia elétrica,

em geral, baterias. Com a miniaturização desses nós sensores, em geral as fontes

de energia reduzem seu tamanho físico, consequentemente, sua capacidade de

armazenamento de energia. Embora com esta característica de miniaturização

consecutivamente um baixo consumo dos nós sensores, as “baterias” continuam

sendo limitadas decorrente a necessidade de realimentação por se tratarem de fonte

de energia finita.

As RSSFs são utilizadas em várias áreas principalmente em regiões de difícil

acesso (SILVA et al., 2008). Nessas regiões, o acesso aos nós sensores fica muito

difícil principalmente no que diz respeito a manutenção destes. Isso implica na troca

de baterias para o estado funcional do nó sensor, sendo que a manutenção do nó

não é restrita somente a essa troca. Disso conclui-se: é necessário o estudo de

métodos de realimentação dessas fontes sem a qual não necessite da intervenção

do homem na troca desta no seu estado regular de funcionamento ou sistemas com

fontes de energia “ilimitada”. Para tanto, pode-se ter como fonte de energia

Introdução

25

alternativa o campo magnético gerado por correntes em linhas de potência para a

conversão em energia elétrica. Ao ponto de vista técnico empresarial das

concessionárias de energia, o campo magnético gerado nas linhas de potência é

considerado perdas técnicas, por se tratar de uma fonte de energia

espontaneamente gerada, porém sem aproveitamento. Neste contexto, pode-se

desenvolver sistemas captadores de energia por dispersão magnética para

alimentação de dispositivos de baixo consumo que formam redes de sensores sem

fio (TOMA et al., 2012).

2 REVISÃO DE LITERATURA

Revisão de Literatura

27

2 REVISÃO DE LITERATURA

2.1 REDES DE SENSORES SEM FIO (RSSF)

Em muitas aplicações de controle, monitoramento e disseminação de

informações de um evento ou fenômeno, utilizam-se Redes de Sensores sem Fio

(SILVA et al., 2008), que empregam sistemas autônomos formados por dispositivos

microprocessados, com a capacidade de se comunicarem através de sinais de

radiofrequência e que possuem sensores capazes de traduzir em formato digital as

condições do ambiente físico em que se encontram (TORRI, 2008). Essas redes

podem ser consideradas como um tipo de rede adhoc (LOUREIRO, et al, 2008),

pois, em geral, são projetadas para um determinado fim.

Essas redes são compostas de vários dispositivos, os quais são chamados

de nós sensores capazes de se comunicarem transmitindo e captando informações

do meio em que se encontram. Os principais componentes de um nó sensor são:

unidade de comunicação sem fio (transceptor), unidade de energia (bateria +

sistema de gestão de energia), unidade de sensoriamento (sensores ou detectores +

circuitos de condicionamento) e unidade de processamento, como ilustrado na

Figura 1. O componente lógico de um nó sensor é o firmware/software que é

executado na unidade de processamento. Os nós sensores tendem a serem

projetados com pequenas dimensões e esta limitação de tamanho acaba impondo

limitações nos recursos dos nós, tais como capacidade da fonte de energia,

processador e transceptor (SILVA et al., 2008).

Redes de sensores sem fio estão recebendo cada vez mais interesse porque

oferecem flexibilidade e facilidade de implantação decorrente da não utilização de

cabos. Além disso, existe o potencial para a incorporação de sensores em locais

inacessíveis. Atualmente, a maioria dos nós sensores sem fio é simplesmente

alimentado à bateria.

Apesar das medidas, tais como técnicas de baixa potência para

comunicação e uma gestão inteligente do consumo de energia do nó sensor,

obtendo um prolongamento na vida das baterias, estas ainda terão de serem

substituídas ou recarregadas externamente. Substituição de baterias não é


28

plenamente compatível com aplicações embarcadas nem é viável para redes com

grande número de nós (BEEBY et al., 2007).

No entanto, estudos de métodos alternativos para captação de energia que

sejam capazes de tornar dispositivos eletrônicos e microeletrônicos autônomos

estão sendo bastante explorados. Esses métodos alternativos buscam o

aproveitamento de energias existentes no meio físico, para conversão em energia

elétrica e posterior utilização nestes dispositivos.

FIGURA 1 – HARDWARE BÁSICO DE UM NÓ SENSOR.

2.2 SISTEMA DE RECUPERAÇÃO DE ENERGIA (ENERGY HARVESTING)

Desde tempos remotos, a ideia de captação ou recuperação de energia do

meio ambiente é utilizada, tais como, por exemplo, energia eólica, solar, energia

hídrica, entre outras. Com a aceleração no desenvolvimento da tecnologia VLSI, a

grande miniaturização dos sistemas eletrônicos é cada vez mais possível. Com isso,

o consumo de energia desses sistemas também vem sendo reduzido,

proporcionando assim meios alternativos de alimentação para funcionamento

energeticamente autônomo. Neste intento, novas fontes de energia alternativas e

métodos de captação estão sendo estudados.

A partir do ambiente em que estão inseridos, esses métodos são capazes de

captar energia em diferentes fontes (por exemplo, onda de luz, vibração, calor e


29

eletromagnético, etc.). Esses métodos são então integrados em dispositivos, a fim

de torná-los independentes ou autônomos (FLORENTINO et al., 2012).

Nos últimos anos é crescente a aplicação de meios de captação de energia

que possam ser utilizados para a autoalimentação em dispositivos de baixo consumo

para a aquisição e processamento de informações. Conseguinte, vem sendo

bastante desenvolvido o estudo e a aplicação de pesquisas em Energy Harvesting

(como por exemplo, alimentação de microdispositivos para monitoramento de

animais, sistemas de medição, sistemas de iluminação de ambientes prediais

através de células fotovoltaicas, alimentação de dispositivos de baixo consumo para

monitoramento do bem estar físico humano), o qual se refere ao processo pelo qual

a energia do ambiente é convertida em energia elétrica para abastecer pequenos

dispositivos tornando-os autossuficientes (LÓPEZ, 2011). Logo, sistemas de baixo

consumo que contêm tais aplicações possuem dispositivos que podem capturar

energia para a sua autonomia e desempenho de suas funções. A sua aplicabilidade

é imediata em dispositivos eletrônicos inteligentes de baixo consumo e, em

específico, em nós sensores de uma RSSF.

Os sistemas de recuperação de energia podem aumentar o tempo de vida e

capacidade da rede e atenuar o impacto causado pelo descarte de baterias ao

ambiente. Neste contexto, a energia solar é a mais conhecida (BEEBY et al., 2007).

Essa possui o potencial de reduzir e até mesmo substituir baterias para pequenos

dispositivos eletrônicos de baixa potência, proporcionando um maior tempo de vida e

maior confiabilidade, evitando assim interrupções causada por falta de energia. Isso

é particularmente importante para sistemas em que dispositivos eletrônicos

encontram-se em locais remotos, de difícil acesso, com certos riscos ou em casos

onde as redes de sensores necessitam manter a mínima manutenção para troca das

baterias (MINERO-RE et al., 2012).

2.3 ESTADO-DA-ARTE

Baseando-se em um levantamento realizado em várias publicações científicas como

em Taithongchal (2009), Tashiro et al., (2011), Hayat (2011) Toma et al., (2012),

Zhao et al., (2012), os captadores de energia desenvolvidos são capazes de captar


30

a energia do ambiente na ordem de micro a miliwatts, que pode ser suficiente para

alguns sensores e sistemas microeletrônicos de baixo consumo ou que podem ser

executados em condições de baixa potência. As fontes para captação de energia

mais comuns são luz (energia solar), movimento (como vibrações estruturais), calor

(a partir de gradientes de temperatura), ou eletromagnético (campos magnéticos)

(MINERO-RE et al., 2012).

Os sistemas de captação de energia por vibração estão recebendo uma

quantidade considerável de interesse como um meio alternativo para alimentar nós

sensores sem fio. Exemplo disto é visto em Beeby et al. (2007), o qual um pequeno

gerador eletromagnético com volume de 0,1 cm³, utilizando componentes discretos e

otimizados para um ambiente com baixo nível de vibração, é capaz de produzir

energia útil a partir de um nível de aceleração de 0,59 m/s², proporcionando 46 µW a

uma carga resistiva de 4 kΩ quando o dispositivo é agitado a sua frequência de

ressonância de 52 Hz. Outra aplicação semelhante pode ser vista em Zhu (2010)

que trata de um estudo sobre a variação dos parâmetros geométricos (comprimento,

largura e espessura) de uma viga com referência na potência de saída de um

sistema de captação baseado em piezeletricidade em que converte a vibração em

energia elétrica ligado ao uma carga resistiva.

A captação de energia solar é amplamente utilizada, devido à queda

continua de preço e os melhoramentos técnicos da fabricação de células solares.

Para a substituição de baterias de nós sensores instalados em um edifício, Naveen

(2011) propõem um sistema de captação de energia através de células de energia

solar arranjadas em série e paralelo juntamente com supercapacitores ligados a

baterias alcalinas para armazenamento. Esse sistema tem como desvantagem o fato

de ter sua fonte de energia disponível apenas em uma parte do dia, necessitando

assim de baterias para o fornecimento de energia no período noturno. Esse

problema não é encontrado, por exemplo, em sistemas de captação de energia por

indução magnética em que sua fonte é disponível todo tempo, exceto na ocorrência

de quedas de energia.

Algumas aplicações de captação de energia térmica são possíveis através

de geradores termoelétricos que pode ser visto em Mousoulis et al., (2012).


31

2.3.1 Captação de energia por dispersão magnética

Embora métodos de captação de energia por dispersão magnética não

sejam tão explorados como os métodos de captação de energia por vibrações

mecânicas, há um crescente interesse neste estudo no que concerne a uma

alternativa viável na alimentação de nós sensores. É proposto em Taithongchal

(2009) um sistema de captação de energia controlado por um microcontrolador em

uma linha de transmissão de alta tensão com corrente entre 65 A e 130A. O sistema

é composto de um gerador de energia magnético, um circuito multiplicador padrão

de tensão, conversor boost DC-DC e um microcontrolador objetivando alimentar

dispositivo de aplicações de baixa energia. O sistema de aplicação é capaz de

operar com tensão senoidal mínima induzida tão baixo como 1 V e pode gerar

58mW a 65 A de corrente de linha para carregar uma bateria 2,4 V Ni-MH. Em outra

aplicação, Toma et al., (2012) descreve nós sensores autônomos que foram

desenvolvidos para monitorar cabos de energia de alta tensão em uma linha

subterrânea, tendo um circuito integrado que capta o campo magnético desses

cabos para conversão em energia elétrica para a sua própria alimentação. Esses

nós são anexados aos próprios cabos contendo um sensor de temperatura que

informa os parâmetros de variação de temperatura a uma estação base.

Em Ahola et al., (2008) foi descrito uma forma de captação de energia do

condutor fase de um motor utilizando um transformador de corrente. O transformador

é do tipo U e está instalado em torno do condutor a partir dos terminais do motor.

Em Zhao et al., (2012) foi proposto um sistema de captação de energia do

campo eletrostático criado através da linha de energia. Um protótipo do módulo de

potência foi testado em laboratório. Um experimento de campo mostra que o sistema

pode captar energia suficiente para alimentar um dispositivo sensor de 16 mW.

Em Tashiro et al., (2011) foi estudado um captador de energia através de

indução magnética de uma linha de potência, utilizando um modelo simples de

circuito para validar os resultados teóricos. Como resultado, o nível de potência

atingido foi de 1mW para o núcleo de ar e 6,32mW para o núcleo de ferro a partir de

um campo magnético de 21,2 uT a 60 Hz.

Recentemente, em Guo (2011) foi estudado um tubo de captação de energia

para linha de transmissão AC considerando restrições do circuito de


32

condicionamento de energia para a tensão constante. Como resultado, a eficiência

do circuito tem influência sobre o seu nível de tensão de saída. Para potência de

saída constante, o nível de tensão do circuito de condicionamento de energia diminui

enquanto que a tensão de linha de transmissão aumenta.


33

3 PROPOSTA DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA POR

DISPERSÃO MAGNÉTICA

Proposta de Captação de Energia por Dispersão Magnética

34

3 PROPOSTA DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA POR DISPERSÃO MAGNÉTICA

Com o crescente avanço de dispositivos de comunicação sem fio, surgiu a

necessidade de estudos e aplicações de métodos para tornar estes dispositivos

autônomos. Neste âmbito, o uso de fontes de alimentação, tais como baterias e

supercapacitores, tem a desvantagem de ter limitada capacidade temporal de

fornecimento de energia elétrica. Para que esses dispositivos tornem-se

energeticamente autossuficientes, já há na literatura científica atual, dispositivos de

captação ou recuperação da energia do ambiente para conversão em energia

elétrica como mencionados na Seção 2.

O foco deste trabalho será o uso de materiais ferromagnéticos para a

captação de energia por dispersão magnética. Este método utiliza captadores de

energia, como toroides, para captação do campo magnético em um condutor para

conversão em energia elétrica (GUO, 2011). Nesta aplicação são utilizados materiais

com propriedades magnéticas relevantes, tais como, alta permeabilidade magnética

relativa, susceptibilidade magnética positiva, baixa força coerciva ou coercitiva, entre

outros. Para encontrar essas características, faz-se necessário determinar a

densidade de campo magnético e intensidade do fluxo magnético através do ensaio

desses captadores.

Neste aspecto, será descrito algumas características dos captadores de

energia, bem como a fundamentação teórica destes utilizando núcleos de ferrite,

nanocristalino e pó de ferro com permeabilidade magnética diferente.

3.1 CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS MAGNÉTICOS

Os materiais magnéticos são classificados em cinco grupos:

ferromagnéticos, paramagnéticos, diamagnéticos, ferrimagnéticos e

antiferromagnéticos (BATISTA, 2010).

Nos materiais paramagnéticos quando submetidos a um campo magnético,

os domínios magnéticos ficam fracamente orientados no mesmo sentido do campo

aplicado, apresentando uma pequena força de repulsão ao material fonte do campo

magnético aplicado. Com a ausência deste campo, perdem a sua característica de

magnetização. Esses materiais possuem susceptibilidade m

X positiva e


35

permeabilidade relativa r

pouco maior que 1. Como exemplo, tem-se o alumínio,

sódio, platina e o cromo.

Os diamagnéticos quando submetidos a campo magnético, os domínios

magnéticos sofrem pouca influência e ficam alinhados no sentido oposto ao campo

aplicado. Possuem susceptibilidade magnética negativa e permeabilidade relativa

menor que 1. Como exemplo, tem-se o cobre, água, ouro, prata e o zinco.

Os materiais ferromagnéticos quando submetidos a um campo magnético,

seus domínios magnéticos sofrem grande influência de modo a ficarem alinhados

com o campo aplicado. Isso possibilita uma grande concentração de fluxo magnético

dentro de sua estrutura. Esses materiais, em geral, apresentam suscetibilidade

positiva e permeabilidade magnética relativa alta e muito maior que 1. Como

exemplo desses materiais pode-se citar o ferro, níquel, cobalto e algumas ligas.

Diferentemente dos materiais paramagnéticos e diamagnéticos, os ferromagnéticos

podem ser fortemente magnetizados por um campo e após a ausência deste, reter

uma magnetização residual. Entretanto, quando submetidos à temperatura de Curie,

tornam-se paramagnéticos (BATISTA, 2010).

Nos materiais ferrimagnéticos, os campos magnéticos associados com

átomos individuais estão alinhados uns em direção ao campo dos outros em direção

contrária. Neste arranjo, os efeitos de magnetização não se anulam, pois as

intensidades dos domínios alinhados ao campo se tornam maiores resultando na

magnetização do material. Mesmo apresentando uma permeabilidade relativa maior

que a unidade, sua estabilidade térmica não é tão consistente como os materiais

ferromagnéticos (BATISTA, 2010). O ferrimagnetismo ocorre em materiais como

óxido de ferro. O alinhamento espontâneo que produz o ferrimagnetismo também é

completamente rompido acima da temperatura de Curie, característico dos materiais

ferromagnéticos. Quando a temperatura do material está abaixo do Ponto Curie, o

ferrimagnetismo aparece novamente (MUSSOI, 2007).

Nos antiferromagnéticos acontece um ordenamento dos domínios

magnéticos alinhados na mesma direção, mas em sentidos opostos. Esses

materiais, semelhante aos ferromagnéticos, submetidos à temperatura de Néel,

perdem suas propriedades tornando-se paramagnéticos. Para que aconteça o


36

alinhamento de seus domínios por completo, é necessário um campo magnético

muito intenso. Alguns exemplos desses materiais são o cromo e o manganês.

Considerando somente os valores de sua susceptibilidade magnética mX e

da permeabilidade relativa r , os materiais magnéticos podem ser agrupados em

três categorias: ferromagnético, paramagnéticos e diamagnéticos (SHADIKU, 2004).

Na Tabela 1 estão descritos algumas características desses materiais.

TABELA 1 – CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS MAGNÉTICOS – ADAPTADO DE (SHADIKU, 2004)

Materiais Parâmetros Característica

Diamagnéticos 0 1m rX

Linear Paramagnéticos 0 1m rX

Ferromagnéticos 0 1m rX Não linear

3.2 DOMÍNIOS MAGNÉTICOS

Em materiais com propriedades magnéticas, os átomos nas estruturas

cristalinas se agrupam em regiões de mesma direção magnética se comportando

como pequenos imãs elementares independentes. Essas regiões são conhecidas

como domínios magnéticos. Este efeito de magnetização é, de acordo com a teoria

mais considerada, decorrente do movimento rotacional que os elétrons fazem ao

redor de seu núcleo e de si mesmo denominados de spin. Quando um material está

em seu estado de desmagnetização, os domínios magnéticos encontram-se em

sentidos aleatórios fazendo com que haja um cancelamento do efeito magnético

entre eles. Em ferromagnéticos, quando submetido a campo magnético externo, os

domínios movimentam para o alinhamento no sentido do campo. Idealmente, o

processo de saturação ocorre quando todos os domínios estão alinhados em um só

sentido (MUSSOI, 2007).

3.3 LAÇO B X H

Em materiais ferromagnéticos, no momento da magnetização M a densidade

de campo magnético B é obtida pela soma da intensidade de fluxo magnético H,


37

produzido por uma corrente elétrica indutora, com o efeito de magnetização M do

material (BATISTELA, 2001) é dada por:

0

01

m

B H M

MB H

H

B H

0 rB H (0.1)

A permeabilidade magnética pode ser compreendida como a capacidade de

se concentrar linhas de fluxo magnético em um material no seu interior quando este

é submetido a um campo. Este parâmetro é dado pela soma dos efeitos das linhas

de fluxo magnético no vácuo com a suscetibilidade magnética do material.

0 0m mX (0.2)

A suscetibilidade pode ser definida como:

m

MX

H (0.3)

Para materiais com características não magnéticas é atribuída a

permeabilidade do vácuo 7

04 .10 /H m e 0

mX .

A permeabilidade relativa é a razão entre a permeabilidade magnética do

material com a do vácuo, ou seja:

0

m

r

(0.4)


38

A permeabilidade de um material ferromagnético não é linear, pois seu valor

depende da densidade do campo magnético e não pode ser representado por um

único valor (MUSSOI, 2007). Portanto, a equação (4.1) não se aplica a materiais

ferromagnéticos. No entanto, em certas condições essa equação é valida para

materiais não lineares (SHADIKU,2004).

Um material ferromagnético inicialmente desmagnetizado quando submetido

a uma intensidade de campo magnético H, correlacionado com uma dada corrente I,

concentra uma densidade de fluxo magnético B. Sucessivamente com o aumento da

corrente, haverá maior orientação dos domínios magnéticos possibilitando aumento

de B. Esse processo pode ser visualizado na Figura 2.

FIGURA 2 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO. FONTE: (BATISTELA, 2001)

Na primeira região da Figura 2, as paredes dos domínios magnéticos se

movimentam resultando em diferentes direções de magnetização. Essas paredes

são interfaces entre as regiões, as quais são espontaneamente magnetizadas,

resultando diferentes direções de magnetização (BATISTELA, 2001). Nessa região

pequenas variações de H, propiciam grandes variações da densidade do campo B.


39

Na segunda região, os domínios magnéticos estão em processo final de alinhamento

em um mesmo sentido, determinando assim a saturação do material, ou seja, para

grandes valores de H pequenas ou quase nenhuma variação de B.

Na magnetização de um material ferromagnético, há energia dissipada no

material. Essas perdas são atribuídas ao movimento e a rotação dos domínios e

podem ser representadas graficamente por o laço de histerese visualizado na Figura

3. A área do laço representa as perdas por unidade de volume durante um laço de

magnetização periódica do material, em que a linha pontilhada representa a curva

de magnetização do material.

FIGURA 3 – LAÇO DE HISTERESE. FONTE: (BATISTELA, 2001).

Quando em seu estado de magnetização inicial, é aplicado uma intensidade

de fluxo magnético de 0 a Hmax, é obtido a curva de magnetização para os valores

de B, em que se observa a saturação do material. Ao reduzir o valor H de Hmax para

0, a densidade do campo também reduz, no entanto existem valores de B para H = 0

em Br chamado de densidade de fluxo residual. Para que haja uma

desmagnetização do material, B = 0, é aplicado uma intensidade reversa de 0 a –Hc

denominada de força coerciva ou coercitiva. Ao aplicar uma intensidade H de –Hc a

–Hmax o material tende a saturação no sentido inverso. Tornando a intensidade do

fluxo a 0, é visualizado um Br no sentido contrario, em que para B = 0 é necessário


40

uma aplicação de H dos pontos 0 a Hc. Esse percurso é conhecido como laço de

histerese.

Os materiais ferromagnéticos possuem laços de histerese diferentes

dependendo da composição do material. Quanto menor for a inclinação e a área do

laço melhor será a permeabilidade relativa do material e a força coerciva e menores

serão as perdas.

Alguns parâmetros de magnetização do material são possíveis de se

determinar através do laço de histerese do material. Este laço simboliza as perdas

magnéticas que o núcleo possui, ou seja, é o atraso existente da relação com a

densidade do campo magnético quando aplicado uma intensidade de fluxo no

material.

3.4 CIRCUITO PARA OBTENÇÃO DO LAÇO B X H

Neste trabalho, foi utilizado o circuito visto na Figura 4 para determinação

experimental do laço B x H tendo como base o trabalho de (BATISTA, 2010).

Basicamente, este é composto de: (I) um varivolt, para variar os níveis da tensão

alternada de entrada, (II) o transformador T2, 1:1 (220V/220V-3A), (III) o núcleo do

captador a ter sua permeabilidade medida e (IV) um amplificador integrador, tendo

como elemento principal o AmpOp 741.


41

FIGURA 4 – CIRCUITO PARA DETERMINAÇÃO DO LAÇO B X H. ADAPTADO DE (BATISTA, 2010)

C1

1uF

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

-15V

15V

R1

1M

R2

1k

V2

741

T2

1:1

P150%

CaptadorRb

200W

Rm

25W

C2

100nF

C3

100nF

R310

-15V

Varivolt

VT

V0

O transformador T2 foi utilizado para isolar o circuito eletrônico da rede

elétrica, V2. Os resistores Rm e Rb são resistores para controle de corrente no

primário do captador, ou seja, eles variam de acordo com o tipo do material do

captador de energia em teste, conforme descrito na Tabela 2, para fins de obtenção

do nível de saturação do mesmo. O resistor Rm é usado para medição da corrente

do terminal primário. Em se tratando de valores de Rm muito baixos para testes em

alguns materiais com alta permeabilidade magnética relativa, o sinal medido é

demasiadamente pequeno não permitindo uma boa avaliação do laço B x H, mesmo

este já estando saturado. Portanto faz-se necessário o uso de valores de Rm mais

altos.

TABELA 2 – CONDIÇÕES PARA A UTILIZAÇÃO DOS RESITORES DE MEDIÇÃO.

Tipo de material Ref. Rm Rb

Pó de ferro Todos 1Ω 25W

88Ω 200W Ferrite

F1 e F2 1Ω 25W

F3 400Ω 25W

F4 180Ω 25W

Nanocristalino Todos 400Ω 25W 440Ω 200W


42

Este circuito foi armazenado em um gabinete adequado, como pode ser

visto na Figura 5. As entradas e saídas do circuito foram conectadas a terminais

acoplados no próprio gabinete para facilitar os procedimentos experimentais.

FIGURA 5 – CAIXA CONTENDO O CIRCUITO PARA DETERMINAÇÃO DO LAÇO B X H.

Para que seja obtido o laço B x H é necessário aferir a tensão nos pontos T

V

e 0

V , pois os valores de B e H são adquiridos apenas pela multiplicação de

constantes.

Portanto, de acordo com a lei de Ampère tem-se que:

Hdl NI (4.5)

Tratando-se de um núcleo toroidal, tem-se:

Hl NI

1

2

N IH

r (4.6)


43

De acordo com a equação (4.6), a intensidade do fluxo magnético é

diretamente proporcional a corrente que circula no primário 1

N do toroide. Sendo

assim ela pode ser expressa em função de T

V , sendo 5RVI T , como segue:

1

5

.2

TN V

Hr R

1

52

T

NH V

rR

(4.7)

Para a determinação da densidade de campo magnético B, faz-se uso da lei

de Faraday que diz que um campo magnético variável produz uma força

eletromotriz. Este dedução pode ser descrita por:

2

dV N

dt

(4.8)

sendo que:

.B A (4.9)

Sendo A a área da seção transversal do captador e substituindo (4.9) em

(4.8), tem-se:

2

dBV N A

dt (4.10)

Pela equação do integrador, tem-se:

0

`2 1

1( )V V t dt

R C

2 1

0

2

R CB V

N A

(4.11)


44

Para que se possa obter a curva de magnetização faz-se necessário variar a

corrente do primário a partir do zero. Dessa maneira pode-se obter vários laços B x

H como pode ser visualizado na Figura 6. Unindo os pontos extremos dos laços é

possível obter uma linha pontilhada representando a curva de magnetização.

FIGURA 6 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO. FONTE: (BATISTELA, 2001)

Analisando a Figura 6, é possível observar a não linearidade da curva de

magnetização que de acordo com a equação (4.1), r

possui valores pequenos no

princípio da magnetização, porém aumenta seus valores atingindo o máximo no

ponto mais linear da curva que antecede o joelho da curva. Após esse ponto o

núcleo entra na região de saturação fazendo com que a permeabilidade diminua. O

circuito integrador é utilizado para obter o valor real do fluxo, já que pela lei de

Faraday a tensão de saída é em função da taxa de variação ou a derivada do fluxo.

3.5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA DO CAMPO MAGNÉTICO

Para que se possa ter resultados experimentais é necessário, previamente,

calcular a densidade de campo magnético B que é concentrado no interior do


45

núcleo, quando este é submetido a uma intensidade de fluxo magnético H. Sendo

assim, faz-se uso de alguns princípios do eletromagnetismo.

Por conseguinte, é necessário calcular o fluxo captado em cada lâmina e em

cada entreferro do núcleo. Sua laminação é para atenuar as correntes de Focault ou

correntes parasitas, consequentemente redução das perdas.

De acordo com a quarta equação de Maxwell ou Lei de Ampère, a densidade

do fluxo magnético em um dado ponto P a uma dada distância r de um condutor

infinitamente longo transportando uma corrente alternada com uma amplitude de

pico I e de frequência angular é dada por:

sin( )

2

mI t

Br

(4.12)

em que B é a densidade de fluxo magnético e m

é a permeabilidade magnética do

núcleo.

Na Figura 7 é visualizado um corte em perspectiva de algumas lâminas de um

núcleo envolvendo uma linha de potência. Estas lâminas estão alinhadas no sentido

do campo magnético gerado pela corrente do condutor primário que fornece o

caminho magnético para canalizar o fluxo, o qual consiste de varias lâminas que são

eletricamente separadas por uma fina camada de material isolante entre si.

Com referência a Figura 7, a atuação do fluxo magnético em toda a laminação

do núcleo com área seccional A num plano perpendicular ao campo magnético é

dada por:

BdA (4.13)


46

FIGURA 7 – CAMADAS DO TOROIDE ENVOLVENDO UMA LINHA DE POTÊNCIA. (A) CORTE (B) PERSPECTIVA

(A) (B)

em que:

A wdr (4.14)

Para o cálculo do fluxo magnético em uma lâmina é necessário substituir

(4.14) e (4.13) em (4.12), logo é obtido:

sin( )

2

f

L

rm

L r

I t drw

r

(4.15)

A expressão (4.15) pode ser reduzida como se segue:

( )ln

2

m L

L

L

Isin t w r h

r

(4.16)

Definido o fluxo nas lâminas, pode ser analisado o fluxo magnético atuante no

material isolante (entreferro) entre as lâminas de todo o núcleo. Esse fluxo pode ser

obtido de um modo semelhante ao descrito em (4.16). Assim, o campo magnético no

material isolante é dado por:

Condutor

Primário


47

0( )

ln2

P

P

P

Isen t w r S

r

(4.17)

De acordo com a Lei de Faraday pode ser obtido a tensão de saída do

terminal secundário como segue:

2

T

S

dV N

dt

(4.18)

em que:

T : fluxo magnético total;

2N : número de voltas da bobina do secundário.

A fim de calcular o fluxo magnético total é necessário somar os valores de

fluxo magnético através de todas as lâminas e do material isolante, ou seja:

T LT PT (4.19)

em que:

T : fluxo magnético total;

LT : fluxo magnético em todas as lâminas;

PT : fluxo magnético em todo o material isolante.

A expressão (4.19) pode ser descrita como sendo:

1

1 1

L n P nT L P

L P

d d d

dt dt dt

(4.20)

em que:

cos( )ln

2

L m L

L

d I t w r h

dt r

(4.21)

0cos( )

ln2

P P

P

d I t w r S

dt r

(4.22)


48

3.6 NÚCLEOS TOROIDAIS UTILIZADOS NESTA PESQUISA

Nos núcleos magnéticos (captadores) experimentais, usados nesta pesquisa

visando o desenvolvimento do sistema captador de energia, foram realizados testes

considerando os seguintes materiais:

Pó de ferro,

Ferrite, e

Nanocristalino

Foram utilizados núcleos laminados e não laminados com dimensões

variadas e enrolados com fios esmaltados de cobre, como podem ser vistos, alguns

exemplos, na Figura 8.

FIGURA 8 – NÚCLEOS EM TESTE.

Para melhor entendimento e detalhamento dos núcleos em teste, estão

descritos na Tabela 3 os dados que foram adquiridos do datasheet do fabricante de

cada núcleo, com exceção de F4, o qual teve suas dimensões medidas em

laboratório e do núcleo denominado de PE, um núcleo projetado nesta pesquisa e

produzido em um laboratório do Departamento de Engenharia de Materiais da UFPB

(Esse núcleo será descrito com maiores detalhes a seguir).


49

Foi utilizada a seguinte conversão: Núcleos de Pó de Ferro iniciam-se pela

letra P, de Ferrite, letra F e Nanocristalinos, pelas letras NC. Dessa forma, constata-

se o teste de 15 núcleos diferentes: 3 de pó de ferro, 5 de ferrite e 7 nanocristalinos.

TABELA 3 – DADOS DOS CAPTADORES EM TESTE

Material do captador

Ref. Diam. Ext.[mm]

Diam. Int.[mm]

Largura (h) [mm]

Altura (W) [mm]

Lâminas (L)

Pó

de

ferr

o

P3 46.7 24.1 11.3 18

1 P4.1 44.5 27.2 17,3 16.5

PE 39 34 5 20

Ferr

ite

F1 34 21.8 6.1 21

1 F1.1 34 21.8 6.1 21

F2 36 23 6.5 15

F3 22.1 13.7 4.2 8

F4 76 50 13 15 55

Nan

ocri

sta

lin

o

NC1 38.9 30.7 4.1 10.1

152

NC1.1 38.9 30.7 4.1 10.1

NC2 53.8 45 4.4 10.35

NC3 33.5 27.5 3 4

NC3.1 33.5 27.5 3 4

NC4 34.5 31 1.75 4

NC4.1 34.5 31 1.75 4

3.7 NÚCLEO DE PÓ DE FERRO DESENVOLVIDO NA UFPB

Os ensaios realizados nesta pesquisa são baseados em captadores com

núcleo de ferrite, nanocristalino e pó de ferro, fabricados através de processo

industrial. Como esta pesquisa tem por referência ensaios com núcleos toroidais de

características e tamanhos diferentes, foi incluso nos ensaios um núcleo projetado

no decorrer da pesquisa. Com relação a sua construção, o aluno Pedro Romio, do

curso de Engenharia Mecânica da UFPB, e a pós-doutorando do PPGEE/UFPB,

Danielle Guedes, foram os responsáveis por toda a seleção de materiais, projeto e

desenvolvimento da matriz em aço, sinterização e todo o processo final da

construção do núcleo de ferro.


50

Este núcleo foi produzido através do processo de metalurgia do pó realizado

no Laboratório de Solidificação Rápida (LSR), do Departamento de Engenharia

Mecânica da UFPB. Sua composição é formada por quatro tipos de liga:

1. Ferro puro sinterizado

2. Ferro puro misturado a resina

3. Liga Fe98Si2

4. Liga Fe95Si5

As dimensões do núcleo estão descritas na Figura 9.

FIGURA 9 – DIMENSÕES DO NÚCLEO

Para a fabricação deste núcleo, fez-se necessário o desenvolvimento de

uma matriz de prensagem de forma a produzir os núcleos já nas medidas finais

desejadas, conforme visto na Figura 10.

As compactações foram realizadas na temperatura ambiente, com cargas de

20 toneladas o que correspondiam a pressões de 700 MPa.

Ao final do processo, o núcleo foi submetido a ensaios para a determinação

de suas características magnéticas no Laboratório de Microengenharia do

Departamento de Engenharia Elétrica do Centro de Energias Alternativas e

Renováveis da UFPB e comparado com os núcleos de fabricação industrial. Esses

resultados estão descritos na Seção 5.


51

FIGURA 10 – MATRIZ DE PRENSAGEM

4 EXPERIMENTOS E EMULAÇÕES

Experimentos e Emulações

53

4 EXPERIMENTOS E EMULAÇÕES

Para a realização dos experimentos fez-se o procedimento de três etapas: a

primeira se trata da utilização do circuito da Figura 4 para a determinação do laço B

x H e consequentemente as características magnéticas de cada captador; a

segunda referencia-se a captação de energia para a obtenção da maior potência

que cada captador pode fornecer para valores de cargas variáveis puramente

resistivas; e a terceira é concernente a medição, sem carga, da tensão de saída de

cada captador para comprovação dos cálculos teóricos da Seção 3.

4.1 DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS MAGNÉTICOS – ETAPA 1

Esta etapa consiste do cálculo dos parâmetros magnéticos de cada captador,

os quais são:

1. Permeabilidade magnética relativa

2. Força coerciva

3. Densidade do fluxo magnético de saturação

4. Densidade de fluxo residual

5. Permeabilidade magnética do material

Para a realização desta etapa, fez-se necessário bobinar os captadores de

forma que estes ficassem com dois enrolamentos N1 e N2, primário e secundário

respectivamente como descrito na

Tabela 4.

Devido o captador F1.1 ter r

igual ao F1, fez-se necessário realizar o ensaio

com apenas F1. Esta justificativa vale para os captadores NC1, NC1.1, NC3, NC3.1,

NC4 e NC4.1 que possuem r

igual a NC2.

A corrente no primário e a tensão no secundário são medidas pelo

osciloscópio, no qual é feita a aquisição dos dados para serem posteriormente

modelados via software.

Fez-se o uso dos parâmetros físicos dos captadores mencionados na Tabela

3 e Tabela 4 juntamente com código do Apêndice 1 para a determinação das

características magnéticas.


54

TABELA 4 – PARÂMETROS DOS CAPTADORES PARA A DETERMNAÇÃO DO LAÇO B X H

Material do captador

Ref.

N1 N2 Fio Primário AWG [mm²]

Fio secundário AWG [mm²]

Voltas

Pó de ferro

P3 120 63 19 19

P4.1 150 52 19 17

PE 198 50 21 21

Ferrite

F1 54 33 19 19

F2 56 40 19 19

F3 57 29 23 21

F4 78 47 17 19

Nanocristalino NC2 75 58 21 21

4.2 DETERMINAÇÃO DOS VALORES MÁXIMOS DE POTÊNCIA – ETAPA 2

Para a realização da segunda etapa, fez-se necessário o enrolamento de

apenas uma bobina em cada captador submetido a ensaio referente ao terminal

secundário, pois o primário é um condutor que percorre por dentro do captador como

visto na Figura 7. Os dados referentes ao número de voltas de cada bobina

secundária, a espessura do condutor utilizado, bem como os captadores submetidos

a ensaios estão referenciados na Tabela 5.

Com a finalidade de obter dados experimentais e validar os resultados

teóricos, foi desenvolvida uma planta piloto capaz de emular a corrente da linha de

potência de um sistema de distribuição para a captação do campo magnético, como

mostrado na Figura 11, Figura 12 e Figura 13. Esta planta consiste de uma bancada

que contém dez resistores de potência de 220Ω (200W) cada, os quais

desempenham a função da carga da linha de potência. A tensão nominal em regime

de trabalho da bancada é de 220V. Para o controle da corrente de carga, são

utilizados três interruptores, cada qual com três seções para o acionamento dos

resistores. Um amperímetro e um voltímetro fazem parte das medições de tensão e

corrente da carga. Como dispositivos de proteção, são utilizados um disjuntor

termoelétrico (DT) 16A e um interruptor bipolar (IB) 10A. Esta planta consiste de três

compartimentos: o primeiro destina-se as ligações dos componentes da bancada; o

segundo, reservatório dos equipamentos utilizados no experimento e no terceiro,


55

localiza-se a conexão do condutor primário com a bancada, como pode ser visto na

Figura 13.

TABELA 5 – NÚMERO DE BOBINAS DO SECUNDÁRIO DOS CAPTADORES PARA A CAPTAÇÃO DE ENERGIA

Tipo do Material

Ref.

N2 Fio secundário AWG [mm²] Voltas

Pó

de

ferr

o

P3 63 19

P4.1 52 17

PE 198 21

Ferr

ite

F1 54 19

F1.1 50 21

F2 56 19

F3 57 23

F4 78 17

Nan

ocri

sta

lin

o

NC1 87 21

NC1.1 87 23

NC2 75 21

NC3 43 15

NC3.1 84 23

NC4 77 19

NC4.1 230 29

Na Figura 14, é visualizado o circuito elétrico representativo da planta piloto,

em que A e V representam o amperímetro e voltímetro, respectivamente. S1, S2, S3,

S4 e S5 representam as seções dos interruptores de acionamento dos resistores R1

à R10. V1 é a tensão de alimentação.


56

FIGURA 11 – VISÃO DE TOPO DA PLANTA PILOTO

FIGURA 12 – PLANTA PILOTO

Voltímetro

Carga IB

DT

Interruptores

Amperímetro


57

FIGURA 13 – COMPARTIMENTOS DA PLANTA PILOTO

FIGURA 14 – CIRCUITO ELÉTRICO DA PLANTA PILOTO

V1

DT

A

V

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

R10

Circuito

condicionador

de potência

S1 S2 S3 S4 S5

Núcleo

IB

No processo de captação, o condutor primário é envolvido pelo núcleo de

alta permeabilidade magnética, conforme visto na Figura 15. Esse envolvimento é

feito passando-se o fio por dentro do núcleo. O enrolamento secundário deste

núcleo é conectado ao circuito condicionador de potência (CCP).

1

3 2


58

FIGURA 15 – SISTEMA DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA

Nesta segunda etapa, efetuou-se três tipos de medições com a finalidade de

obter maior nível de potência quando os núcleos são submetidos a uma corrente de

15 A no terminal primário2. Após a aquisição dos dados, a modelagem matemática é

realizada com o auxilio do código do Apêndice 2.

4.2.1 Primeira medição

Para o tratamento da energia captada, foi proposto o circuito de

condicionamento de potência que é composto por um retificador AC/DC, um

regulador de tensão e um resistor variável como carga, como visto na Figura 16.

Nestas medições, são colhidos valores de tensão de 15 resistores diferentes para a

2 A planta piloto fornece uma corrente máxima de 2,5 A. Portanto para aumentar a intensidade de

fluxo magnético, foi dada seis voltas no captador de energia em teste obtendo uma equivalência de

corrente no primário no total de 15 A.

Núcleo

Primário

CCP


59

obtenção do maior valor potência na carga com tensão constante de 5 Vcc. Neste

âmbito, foram realizados testes com apenas o captador F4.

FIGURA 16 – CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DOS NÍVEIS DE POTÊNCIA COM O USO DO REGULADOR DE TENSÃO

Planta Piloto

Condutor Primário

Captador

680uF Rv

7805CT

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

Para a segunda e terceira medições, realizou-se testes com todos os

captadores.

4.2.2 Segunda medição

Para a segunda medição, com o objetivo de obter o maior valor de potência,

realizou-se medições de tensão na carga conectada diretamente ao retificador

AC/DC sem o uso do regulador, vislumbrando também o comportamento do sinal de

tensão na saída do terminal secundário antes do CCD como visto na Figura 17.


60

FIGURA 17 – CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DOS NÍVEIS DE POTÊNCIA SEM O USO DO REGULADOR DE TENSÃO

Planta Piloto

Condutor Primário

Captador

680uF Rv

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

4.2.3 Terceira medição

Para a terceira medição, executou-se medições de tensão na carga

conectadas diretamente ao captador de energia, sendo analisado o maior nível de

potência para cada captador com relação ao valor RMS do sinal medido, Figura 18.

FIGURA 18 – CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DOS NÍVEIS DE POTÊNCIA COM A CARGA CONECTADA DIRETAMENTE AO CAPTADOR

RvPlanta Piloto

Condutor Primário

Captador

XSC2

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

Para estes experimentos foram atribuídas cargas puramente resistivas de

valores compreendidos entre 10Ω e 10KΩ de baixa potência. Todos esses testes

experimentais foram realizados no laboratório de microengenharia do Departamento

de Engenharia Elétrica do Centro de Energias Alternativas e Renováveis da UFPB.


61

Para o captador F3, os experimentos foram realizados com uma corrente no

primário de 12,5 A, devido as suas dimensões permitirem apenas 5 voltas em seu

interior.

4.3 COMPROVAÇÃO DOS CÁLCULOS TEÓRICOS ATRAVÉS DE MEDIÇÕES DE TENSÃO NO CAPTADOR SEM CARGA – ETAPA 3

Nesta etapa, é realizada a medição, sem carga, dos valores de tensão no

terminal secundário de cada captador com uma corrente AC de 15 A no condutor

primário. Após este procedimento, é simulado via software com o auxílio do código

do Apêndice 3 e dos parâmetros magnéticos obtidos na etapa 1, o mesmo

procedimento citado acima. Por fim, os dados simulados e experimentais são

confrontados para comprovar a veracidade dos cálculos.

O circuito utilizado para esta etapa está ilustrado na Figura 19.

FIGURA 19 – CIRCUITO PARA MEDIÇÃO DOS NÍVEIS DE TENSÃO SEM CARGA

Planta Piloto

Condutor Primário

Captador

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

5 RESULTADOS

Resultados

63

5 RESULTADOS

Os procedimentos utilizados nos testes experimentais, emulações e

simulações se dividem em três etapas, como citado acima. Para melhor

entendimento, os resultados serão analisados separadamente.

5.1 PARÂMETROS MAGNÉTICOS – ETAPA 1

Para o cumprimento desta etapa, determinou-se os parâmetros magnéticos

de cada núcleo através de experimentos, fazendo-se uso do circuito da Figura 4.

Neste circuito, foi possível obter vários laços de histerese em função da variação da

corrente no primário. Essa variação decorre do controle no ajuste de tensão do

Varivolt.

Para a obtenção da permeabilidade magnética, fez-se necessário a

aquisição de vários laços B x H. Nestes laços, foram extraídos os valores máximos

de B e H para a obtenção da curva de magnetização. Nesta modelagem, a

permeabilidade relativa é calculada para pequenos trechos lineares da curva.

Observou-se o laço B x H em que inicia o processo de saturação para a

aquisição da densidade de saturação, da densidade residual que são os valores

referentes da diferença da origem do sinal ao valor em que a curva intercepta o eixo

B para valores positivos e da força coerciva que são os valores referentes da

diferença da origem do sinal ao valor em que a curva intercepta o eixo H para

valores negativos.

Utilizando-se esses procedimentos foi possível obter os seguintes

resultados.

5.1.1 Captadores de Ferrite

Para estes captadores, inicialmente foi determinado o maior laço B x H que

antecede o início da região de saturação. Neste ponto, os níveis de tensão de saída

0V , corrente no primário Ip e a forma de onda de saturação na saída do secundário

antes do integrador foram obtidos.

Resultados

64

1. Captador F1

GRÁFICO 1 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO F1

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Tempo (s)

Tensão (

V)

Resultados Experimentais

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

Tempo (s)

Corr

ente

(A

)

Integrador

Saturação

Corrente no primário

Quando a corrente do primário atinge valores aproximados de 2A RMS

(54voltas x 38mA RMS), o núcleo F1 entra em sua região de saturação como pode

ser observado no Gráfico 1.

A densidade de fluxo de saturação obtida de 0,35 T pode ser visualizada no

Gráfico 2.

Resultados

65

GRÁFICO 2 – LAÇO B X H DO CAPTADOR F1

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5Resultados esxperimentais

Intensidade (A/m)

Densid

ade (

T)

GRÁFICO 3 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR F1

0 500 1000 1500 2000 25000

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5Resultados Experimentais

Intensidade de campo(A/m)

Densid

ade d

e f

luxo (

T)

Den

sid

ade

de

flu

xo (

T)

Intensidade de campo (A/m)

Resultados

66

Para a determinação da curva de magnetização e da permeabilidade

magnética, foram colhidas quarenta e duas amostras de dados pelo osciloscópio a

medida que se variava a tensão de entrada no intervalo de 1V de pico. Fez-se a

aquisição desses dados e posteriormente a modelagem matemática via software.

Após este procedimento, foi possível adquirir a curva de magnetização, Gráfico 3.

Decorrente as equações já observadas na Seção 3, foi possível determinar a

permeabilidade relativa r

e do material m

, bem como a força coerciva Hc e o

fluxo residual Br. Todos esses resultados estão resumidos na Tabela 6.

TABELA 6 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR F1

Valores Obtidos

r

Máximo m

[H/m] cH

[A/m]

Bsat

Inicial [T]

Br [T]

Ip

RMS [A]

17.838 0,026 15 0,35 0,1 2,08

2. Captador F2

Quando a corrente do primário atinge valores aproximados de 3,24A RMS

(56 voltas x 58mA RMS), o núcleo F2 entra em sua região de saturação como pode



Gráfico 5.






Decorrente as equações já observadas nas seções anteriores, foi possível

determinar a permeabilidade relativa r

e do material m

, bem como a força

coerciva Hc e o fluxo residual Br. Todos esses resultados estão resumidos na Tabela

7.

Resultados

67


-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Tempo (s)

Tensão (

V)


-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

Tempo (s)

Corr

ente

(A

)

Integrador

Saturação


Resultados

68


-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

Intensidade (A/m)

Densid

ade (

T)



0 500 1000 1500 2000 25000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5


Intensidade (A/m)

Densid

ade (

T)

Den

sid

ade

de

flu

xo (

T)

Den

sid

ade

de

flu

xo (

T)



Resultados

69


Valores Obtidos

r

Máximo m

[H/m] cH

[A/m]

Bsat

Inicial [T]

Br [T]

Ip

RMS [A]

9.360 0,011 12,5 0,43 0,1 3,24

3. Captador F3


-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

Tempo (s)

Tensão (

V)


-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

Tempo (s)

Corr

ente

(A

)

Integrador

Saturação


Quando a corrente do primário atinge valores aproximados de 2,1A RMS (57

voltas x 36,9mA RMS), o núcleo F3 entra em sua região de saturação como pode



Gráfico 8.

Resultados

70


-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

Intensidade (A/m)

Densid

ade (

T)







Den

sid

ade

de

flu

xo (

T)


Resultados

71


0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

-0.25

-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25


Intensidade (A/m)

Densid

ade (

T)



e do material m

, bem como a força

coerciva Hc e o fluxo residual Br. Todos esses resultados estão resumidos na tabela

abaixo.


Valores Obtidos

r

Máximo m

[H/m] cH

[A/m]

Bsat

Inicial[T]

Br [T]

Ip

RMS [A]

6.800 0,0085 14 0,5 0,1 2,1

Den

sid

ade

de

flux

o (

T)


Resultados

72

4. Captador F4


-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-15

-10

-5

0

5

10

15

Tempo (s)

Tensão (

V)

Resultados experimentais

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

Tempo (s)

Corr

ente

(A

)

Integrador

Saturação



(78 voltas x 96,6mA RMS), o núcleo F4 entra em sua região de saturação como

pode ser observado no Gráfico 10.


Gráfico 11.





Após este procedimento, foi possível adquirir a curva de magnetização como se

segue.

Resultados

73


-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2Resultados esxperimentais

Intensidade (A/m)

Densid

ade (

T)


0 20 40 60 80 100 1200

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6


Intensidade (A/m)

Densid

ade (

T)

Den

sid

ade

de

flu

xo (

T)

Den

sid

ade

de

flu

xo (

T)



Resultados

74



e do material m

, bem como a força


9.


Valores Obtidos

r

Máximo m

[H/m] cH

[A/m]

Bsat

Inicial [T]

Br [T]

Ip

RMS [A]

44.090 0.0554 40 1,5 1,29 7,53

Na Tabela 10, encontra-se um resumo dos resultados obtidos pra todos os

captadores de ferrite.

TABELA 10 – RESUMO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS PARA OS CAPTADORES DE FERRITE

Ref.

Valores Obtidos

r

Máximo m

[H/m] cH

[A/m]

Bsat

Inicial [T]

Br [T]

Ip

RMS [A]

F1 17.838 0,026 15 0,35 0,1 2,08

F2 9.360 0,011 12,5 0,43 0,1 3,24

F3 6.800 0,0085 14 0,5 0,1 2,1

F4 44.090 0.0554 40 1,5 1,29 7,53

5.1.2 Captadores Nanocristalinos

Devido todos os captadores obterem o mesmo valor de permeabilidade

relativa informado pelo datasheet do fabricante, foi realizado os referidos testes

apenas para o captador NC2.

O procedimento utilizado para a determinação dos parâmetros magnéticos

do NC2 é idêntico ao utilizado para os captadores de ferrite. Portanto, os níveis de

tensão de saída 0

V , corrente no primário Ip e a forma de onda de saturação na saída

do secundário antes do integrador estão descritas nos gráficos abaixo.

Resultados

75

1. Captador NC2


(75 voltas x 9,4mA RMS), o núcleo NC2 entra em sua região de saturação como

pode ser observado no Gráfico 13.


Gráfico 14.

GRÁFICO 13 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO NC2

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-4

-2

0

2

4

Tempo (s)

Tensão (

V)

Resultados experimentais

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

Tempo (s)

Corr

ente

(A

)

Integrador

Saturação






Resultados

76


segue.



e do material m

, bem como a força

coerciva Hc e o fluxo residual Br.

GRÁFICO 14 – LAÇO B X H DO CAPTADOR NC2

-30 -20 -10 0 10 20 30-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2Resultados experimentais

Intensidade (A/m)

Densid

ade (

T)

Den

sid

ade

de

flu

xo (

T)


Resultados

77

GRÁFICO 15 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR NC2

0 10 20 30 40 50 60 700

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6


Intensidade (A/m)

Densid

ade (

T)

Todos esses resultados estão resumidos na Tabela 11.

TABELA 11 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR NC2

Valores Obtidos

r

Máximo m

[H/m] cH

[A/m]

Bsat

Inicial [T]

Br [T]

Ip

RMS [A]

172.780 0,21 1,42 1,2 0,3 0,70

5.1.3 Captadores de Pó de Ferro

Como mencionado na Seção 4, realizou-se os ensaios para os captadores

P3, P4.1 e PE.

O procedimento utilizado para a determinação dos parâmetros magnéticos

destes captadores é idêntico ao utilizado para os captadores de ferrite e

nanocristalino. Portanto, os níveis de tensão de saída 0

V , corrente no primário Ip e a

forma de onda de saturação na saída do secundário antes do integrador estão

descritas a seguir.

Den

sid

ade

de

flu

xo (

T)


Resultados

78

1. Captador P3


(120 voltas x 2,46A RMS), o núcleo P3 entra em sua região de saturação como pode


GRÁFICO 16 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO P3

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-15

-10

-5

0

5

10

15

Tempo (s)

Tensão (

V)


-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-4

-2

0

2

4

Tempo (s)

Corr

ente

(A

)

Integrador

Saturação


A densidade de fluxo de saturação não pode ser obtida devido o núcleo

exigir uma intensidade de campo magnético referente a uma corrente maior que

300A. Porém até aos limites de teste, foi obtido uma densidade de fluxo de 0,79T

como pode ser visualizada no Gráfico 17.


magnética, foram colhidas trinta e seis amostras de dados pelo osciloscópio a


Resultados

79


Após este procedimento, foi possível adquirir a curva de magnetização,

Gráfico 18.

GRÁFICO 17 – LAÇO B X H DO CAPTADOR P3

-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Intensidade (A/m)

Densid

ade (

T)


GRÁFICO 18 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR P3

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8


Intensidade (A/m)

Densid

ade (

T)

Den

sid

ade

de

flu

xo (

T)

Den

sid

ade

de

flu

xo (

T)



Resultados

80



e do material m

, bem como a força


12.

TABELA 12 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR P3

Valores Obtidos

r

Máximo m

[H/m] cH

[A/m]

Bsat

Inicial [T]

Br [T]

Ip

RMS [A]

117 0,000147 800 0,79 0,18 295

2. Captador P4.1

GRÁFICO 19 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO P4

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-4

-2

0

2

4

Tempo (s)

Tensão (

V)


-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-4

-2

0

2

4

Tempo (s)

Corr

ente

(A

)

Integrador

Saturação


Resultados

81

Quando a corrente do primário atinge valores aproximados de 366A RMS (150 voltas

x 2,44A RMS), o núcleo P4 entra em sua região de saturação como pode ser

observado no captador 4.1.

A densidade de fluxo de saturação não pode ser obtida devido o núcleo

necessitar de uma intensidade de campo magnético referente a uma corrente maior

que 400ª para a sua saturação. Porém até aos limites de teste, foi obtido uma

densidade de fluxo de saturação de 0,5T como pode ser visualizada no Gráfico 20.

GRÁFICO 20 – LAÇO B X H DO CAPTADOR P4.1

-8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

Intensidade (A/m)

Densid

ade (

T)







segue.

Den

sid

ade

de

flu

xo (

T)


Resultados

82

GRÁFICO 21 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR P4.1

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5


Intensidade (A/m)

Densid

ade (

T)

Desinente as equações já observadas nas seções anteriores, foi possível


e do material m

, bem como a força

coerciva Hc e o fluxo residual Br. Todos esses resultados estão resumidos na tabela

abaixo.

TABELA 13 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR P4.1

Valores Obtidos

r

Máximo m

[H/m] cH

[A/m]

Bsat

Inicial [T]

Br [T]

Ip

RMS [A]

65,5 0,0000823 603 0,5 0,06 366

Den

sid

ade

de

flu

xo (

T)


Resultados

83

3. Captador PE

GRÁFICO 22 – TENSÃO DE SAÍDA EM FUNÇÃO DA CORRENTE NO PRIMÁRIO DO PE

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-4

-2

0

2

4

Tempo (s)

Tensão (

V)


-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-4

-2

0

2

4

Tempo (s)

Corr

ente

(A

)

Integrador

Saturação



(198 voltas x 1,47A RMS), o núcleo PE entra em sua região de saturação como pode


A densidade de fluxo de saturação não pode ser obtida devido o núcleo exigir

uma intensidade de campo magnético referente a uma corrente maior que 480A.

Porém até aos limites de teste, foi obtido uma densidade de fluxo de saturação de

0,6T como pode ser visualizada no Gráfico 23.

Resultados

84

GRÁFICO 23 – LAÇO B X H DO CAPTADOR PE

-8000 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Intensidade (A/m)

Densid

ade (

T)







Desinente as equações já observadas nas seções anteriores, foi possível


e do material m

, bem como a força

coerciva Hc e o fluxo residual Br.

Den

sid

ade

de

flu

xo (

T)


Resultados

85

GRÁFICO 24 – CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO CAPTADOR PE

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6


Intensidade (A/m)

Densid

ade (

T)

Todos esses resultados estão resumidos na Tabela 14.

TABELA 14 – RESULTADOS EXPERIMENTAIS – CAPTADOR PE

Valores Obtidos

r

Máximo m

[H/m] cH

[A/m]

Bsat

Inicial [T]

Br [T]

Ip

RMS [A]

100 0,00012 1700 0,6 0,4 292

Na Tabela 15, encontra-se um resumo dos resultados obtidos pra todos os

captadores de ferrite.

TABELA 15 – RESUMO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS PARA OS CAPTADORES DE PÓ DE FERRO

Ref.

Valores Obtidos

r

Máximo m

[H/m] cH

[A/m]

Bsat

Inicial [T]

Br [T]

Ip

RMS [A]

P3 117 0,000147 800 0,79 0,18 295

P4.1 65,5 0,0000823 603 0,5 0,06 366

PE 100 0,00012 1700 0,6 0,4 292

Den

sid

ade

de

flu

xo (

T)


Resultados

86

5.2 VALORES MÁXIMOS DE POTÊNCIA – ETAPA 2

Nesta subseção, são apresentados os resultados experimentais que foram

obtidos com o fim de visualizar os valores máximos de potência, em função da

carga, que podem ser alcançados do sistema captador de energia para os três tipos

de medição mencionadas na seção anterior. Para tanto faz-se necessário a

exposição destes resultados separadamente.

5.2.1 Primeira Medição

Estes resultados foram obtidos no início do processo de testes de captação

de energia com valores de carga resistiva entre 47Ω e 5MΩ. Este procedimento teve

por objetivo a máxima obtenção de valor de potência com uma tensão constante de

5 V na carga. Foram realizados vários testes com valores de cargas variados dentre

as quais alguns estão descritos na Tabela 16.

Fazendo-se uso da Figura 16 nos experimentos para o captador de energia

F4, foi obtido os seguintes resultados para uma corrente de 15 A no primário. Foi

necessário apenas realizar testes com o captador F4, pois nesta medição foi

possível de visualizar que o regulador de tensão limita a obtenção de maiores

valores de potência no processo de captação.

TABELA 16 – TESTES E MEDIÇÕES EXPERIMENTAIS

Dados Resultados

Rv V (pico)

V (rms)

V (retificador)

V (Carga)

I (Carga)

P (Carga)

[Ω] [V] [A] [mW]

47 20,4 5,7 4,24 3,1 0,065 204

97 21,3 6,5 6,02 5,01 0,050 239

430 22,6 7,5 10,8 5,04 0,0117 58,8

1,5K 23,7 8,3 13,8 5,04 0,0335 16,8

5M 24,1 8,75 14,1 5,04 0,000001 0,005

Os valores de Vpico e Vrms foram aferidos no terminal secundário antes do

circuito condicionador de potência.

Neste experimento foi constatado que para cargas resistivas menores que

97Ω a tensão de saída assume valores menores que 5 V na carga e menores que 6

Resultados

87

V no retificador AC/DC. Embora para cargas maiores ou iguais a 97Ω a tensão varia

de 5,01V a 5,04V na carga. No retificador, a tensão varia entre 6,02 V a 16V para

cargas entre 97Ω e 10kΩ. Para resistores maiores que 10kΩ, há estabilização em

16V no retificador AC/DC.

De acordo com a Tabela 16 é possível analisar no Gráfico 25 e Gráfico 26, a

tensão na carga e no retificador, como também a potência máxima de saída para

uma carga de 97Ω com tensão constante de 5V.

GRÁFICO 25 – TENSÃO NA CARGA E NO RETIFICADOR PARA R=97Ω

-0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250

1

2

3

4

5

6

7

8Parâmetros de medição

Tempo (s)

Tensão (

V)

Carga

Retificador

Resultados

88

GRÁFICO 26 – POTÊNCIA E CORRENTE ATIVA PARA R=97Ω

-0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35Parâmetros de medição

Tempo (s)

Pote

ncia

(W

) e C

orr

ente

(A

)

Corrente

Potência

5.2.2 Segunda Medição

Esta aferição teve por objetivo a obtenção do maior valor de potência

adquirido na carga independente do nível de tensão no resistor, referente ao circuito

da Figura 17. Esse critério foi utilizado Rv devido a primeira medição ter sido

considerado os valores máximos de potência apenas para nível de tensão constante

de 5V na carga. Todos os dados apanhados estão descritos nos gráficos a seguir.

Para uma melhor explanação dos resultados, em cada tipo de material foi

formulado gráficos dos valores de potência obtidos em função do resistor Rv de cada

captador, bem como os valores de tensão RMS aferidos nos terminais do secundário

antes do retificador correspondente a cada carga.

1. Captadores de ferrite

Após realizar os ensaios com cada captador de material de Ferrite obteve-se

os seguintes resultados.

Resultados

89

GRÁFICO 27 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE – POTÊNCIA NA CARGA

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

0.005

0.01

0.015

0.02

Carga (Ohms)

Potê

ncia

(W

)

F1

F1.1

F2

F3

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

0.1

0.2

0.3

0.4

Carga (Ohms)

Potê

ncia

(W

)Resultados Experimentais

F4

GRÁFICO 28 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE – TENSÃO RMS NA SAÍDA DO SECUNDÁRIO

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Carga (Ohms)

Tensão R

MS

(V

)


F1

F1.1

F2

F3

F4

Resultados

90

No Gráfico 27, é possível visualizar os valores de potência obtidos referente

aos valores de Rv dos captadores F1, F1.1, F2, F3 e F4. Embora os ensaios tenham

sido realizados para valores de Rv entre 10Ω e 10KΩ, é visualizado apenas os

níveis de potência para valores de Rv entre 10Ω e 2KΩ, para fins de visualização

dos maiores níveis de potência, em que estes estão localizados entre 10Ω e 100Ω

de carga. Para valores de Rv maiores que 2KΩ, a potência medida tende a diminuir

alcançando valores menores que 100mW para F4 e 12mW para os demais

captadores.

No Gráfico 28 pode ser visto que os níveis de tensão RMS do secundário

diminuem na medida em que os valores de Rv decrescem. Nos captadores F1, F1.1,

F2 e F3 a tensão RMS obtida possui valores quase que constantes para cargas

maiores que 200Ω. Para o F4, essa estabilização só é iniciada a partir de valores

maiores que 3KΩ.

Os valores de tensão e corrente na carga, tensão RMS e tensão de pico

medidos nos terminais do secundário antes do retificador e o valor de Rv no instante

de potência máxima para cada captador, estão descritos na Tabela 17.

TABELA 17 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE FERRITE

Tipo de material

Ref.

Resultados

V (rms)

V (pico)

V (Carga)

I (Carga)

P (Carga)

Rv (Carga)

[V] [mA] [mW] [Ω]

Ferrite

F1 1,27 2,72 1,0 16,83 16,83 60

F1.1 1,14 2,6 0,8 16,1 12,9 50

F2 1,0 2,01 0,4 10,1 4,0 40

F3 0,48 1,36 0,2 0,34 0,083 10

F4 5,47 7,23 5,025 62,8 315,6 80

2. Captadores nanocristalinos

Para os captadores de energia de material nanocristalino, os resultados

obtidos são os seguintes:

Resultados

91

GRÁFICO 29 – CAPTADORES COM NÚCLEO NANOCRISTALINO – POTÊNCIA NA CARGA

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

0.02

0.04

0.06

Carga (Ohms)

Potê

ncia

(W

)


NC1

NC1.1

NC2

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

1

2

3x 10

-3

Carga (Ohms)

Potê

ncia

(W

)

NC3

NC3.1

NC4

NC4.1

GRÁFICO 30 – CAPTADORES COM NÚCLEO NANOCRISTALINO – TENSÃO RMS NA SAÍDA DO

SECUNDÁRIO

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Carga (Ohms)

Tensão R

MS

(V

)


N1

N1.1

N2

N3

N3.1

N4

N4.1

Resultados

92


aos valores de Rv dos captadores NC1, NC1.1, NC2, NC3, NC3.1 NC4 e NC4.1.

Embora os ensaios tenham sido realizados para valores de Rv entre 10Ω e 10KΩ,

são visualizados apenas os níveis de potência para valores de Rv entre 10Ω de

2KΩ, para fins de visualização dos maiores níveis de potência, em que estes estão

localizados entre 10Ω e 1k4Ω de carga. Para valores de Rv maiores que 100Ω, a

potência medida em NC1, NC1.1 e NC2 tende a diminuir alcançando valores na

escala de microwatts. Nos captadores NC3, NC3.1, NC4 e NC4.1 essa escala é

alcançada para valores de Rv maiores que 1K4Ω.

No Gráfico 30, pode ser visto que os níveis de tensão RMS do secundário

diminuem na medida que os valores de Rv decrescem. Nos captadores NC1, NC1.1

e NC2 a tensão RMS assumi valores quase que constantes para cargas maiores que

9KΩ . Para o NC3, NC3.1, NC4 e NC4.1, essa estabilização só é iniciada a partir de

valores maiores que 500Ω.



de potência máxima no resistor Rv de carga, são descritos na Tabela 18.

TABELA 18 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES NANOCRISTALINOS

Tipo de material Ref.

Resultados

V (rms)

V (pico)

V (Carga)

I (Carga)

P (Carga)

Rv (Carga)

[V] [mA] [mW] [Ω]

Nanocristalino

NC1 1.54 3,34 1,6 16,1 25,9 100

NC1.1 1,51 3,21 1,53 17 26,1 90

NC2 2,03 3,43 1,64 32,9 54 50

NC3 0,52 2,41 0,96 0,96 0,93 1K

NC3.1 0,79 3,21 1,6 1,2 2 1K3

NC4 0,41 1,55 0,06 6,3 0,39 10

NC4.1 0,89 2,81 1,4 1,2 1,6 1K2

3. Captadores de pó de ferro

Para os captadores de energia de material de pó de ferro, os resultados

obtidos são os descritos abaixo.


aos valores de Rv dos captadores P3, P4.1e PE. Embora os ensaios tenham sido

Resultados

93

realizados para valores de Rv entre 10Ω e 10KΩ, é visualizado os valores de

potência obtidos para Rv entre 10Ω e 300Ω para o captador P3 e entre 10Ω e 100Ω

para P4.1 e PE, apenas para fins de visualização dos maiores níveis de potência.

Esses maiores níveis estão localizados entre 10Ω e 100Ω para os captadores P3,

P4.1 e PE. Para valores de Rv maiores que 100Ω, a potência medida em P3 tende a

diminuir alcançando valores menores que 0,2mW , para PE valores menores que

1µW e menores que 0,5 µW para P4.1.

No Gráfico 32, pode ser visto que os níveis de tensão RMS do secundário

praticamente de todos os captadores obtiveram pequenas variações na ascensão

dos valores de Rv. Para todos os captadores, a tensão RMS assumiu valores quase

que constantes para cargas maiores que 2KΩ.

GRÁFICO 31 – CAPTADOR COM NÚCLEO DE PÓ DE FERRO – POTÊNCIA NA CARGA

50 100 150 200 250 3000

2

4

6

8x 10

-4 Resultados Experimentais

Carga (Ohms)

Potê

ncia

(W

)

P3

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

2

4

6

8x 10

-6

Carga (Ohms)

Potê

ncia

(W

)

P4.1

PE

Resultados

94

GRÁFICO 32 – CAPTADOR COM NÚCLEO DE PÓ DE FERRO – TENSÃO RMS NA SAÍDA DO SECUNDÁRIO

0 500 1000 1500 2000 2500 30000.06

0.065

0.07

0.075

0.08

0.085

0.09

Carga (Ohms)

Tensão R

MS

(V

)


P3

P4.1

PE



de potência máxima para cada captador, são descritos na Tabela 19.

TABELA 19 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE PÓ DE FERRO

Tipo de material

Ref.

Resultados

V (rms)

V (pico)

V (Carga)

I (Carga)

P (Carga)

Rv (Carga)

[mV] [mA] [mW] [Ω]

Pó de ferro

P3 84,4 17,9 88,9 8,8 0,77 10

P4.1 62,9 12,5 2,4 0,24 0,00058 10

PE 64 15,6 5 0,5 0,0025 10

Resumindo-se, pode ser visualizado no Gráfico 33 e Gráfico 34 os valores

máximos de potência e tensão RMS dos captadores com maior captação de energia

obtidos para cada tipo de material submetidos a cargas de 10Ω a 10KΩ.

Resultados

95

GRÁFICO 33 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE, NANOCRISTALINO E PÓ DE FERRO – POTÊNCIA NA CARGA

500 1000 1500 2000 2500 30000

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Carga (Ohms)

Potê

ncia

(W

)


F4

NC2

P3

GRÁFICO 34 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE, NANOCRISTALINOS E PÓ DE FERRO – TENSÃO RMS NA SAÍDA DO SECUNDÁRIO

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Carga (Ohms)

Tensão R

MS

(V

)


F4

N2

P3

Resultados

96

5.2.3 Terceira medição

Esta aferição teve por objetivo a obtenção do maior valor de potência

adquirido na carga independente do nível de tensão no resistor Rv, referente ao

circuito da Figura 18. Neste circuito a carga é conectada diretamente ao secundário

do captador. Os resultados obtidos para cada captador são baseados no valor RMS

da tensão do secundário.

Para uma melhor explanação dos resultados, em cada tipo de material foi

formulado gráficos dos valores de potência obtidos em função do resistor Rv. Esses

gráficos estão descritos abaixo.

1. Captadores de ferrite

O desempenho dos captadores de material de Ferrite após submissão dos

ensaios, obtiveram os seguintes resultados.

GRÁFICO 35 – CAPTADOR COM NÚCLEO DE FERRITE – POTÊNCIA NA CARGA

50 100 150 200 250 3000

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

Carga (Ohms)

Potê

ncia

(W

)

100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Carga (Ohms)

Potê

ncia

(W

)


F1

F1.1

F2

F3

F4

Resultados

97


aos valores de Rv dos captadores F1, F1.1, F2, F3 e F4. Embora os ensaios tenham

sido realizados para valores de Rv entre 10Ω e 10KΩ, é mostrado os valores de

potência obtidos para Rv entre 10Ω e 1KΩ para o captador F1 e entre 10Ω e 300Ω

para os demais, apenas para fins de visualização dos maiores níveis de potência.

Para valores de Rv maiores que 1KΩ, a potência medida tende a diminuir

alcançando valores menores que 100mW para o captador F4 e menores que 22 mW

para os demais com Rv maior que 300Ω.

Os valores de tensão e corrente na carga e o valor de Rv no instante de

potência máxima para cada captador são descritos na Tabela 20.

TABELA 20 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE FERRITE


Resultados

VRMS (Carga)

I (Carga)

P (Carga)

Rv (Carga)

[V] [mA] [mW] [Ω]

Ferrite

F1 1,086 108,6 118 10

F1.1 1,06 106 112,3 10

F2 0,852 85,2 72,5 10

F3 0,381 38,1 145 10

F4 4,75 0,118 564,5 40

2. Captadores nanocristalinos

Para os captadores de energia de material nanocristalinos, os gráficos

obtidos são os seguintes.


aos valores de Rv dos captadores NC1, NC1.1, NC2, NC3, NC3.1 NC4 e NC4.1.

Embora os ensaios tenham sido realizados para valores de Rv entre 10Ω e 10KΩ, é

mostrado os valores de potência obtidos para Rv entre 10Ω e 2KΩ para os

captadores NC1, NC1.1 e NC2 e entre 10Ω e 600Ω para os demais, apenas para

fins de visualização dos maiores níveis de potência. Para valores de Rv maiores

que 400Ω, a potência medida em NC1, NC1.1 e NC2 tende a diminuir com valores

menores que 50mW. Nos captadores NC3, NC3.1, NC4 e NC4.1 a potência assumi

valore menores que 10 mW para valores de Rv maiores que 100Ω.

Resultados

98

GRÁFICO 36 – CAPTADOR COM NÚCLEO NANOCRISTALINO – POTÊNCIA NA CARGA

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

0.05

0.1

0.15

Carga (Ohms)

Potê

ncia

(W

)


N1

N1.1

N2

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 6000

0.01

0.02

0.03

Carga (Ohms)

Potê

ncia

(W

)

N3

N3.1

N4

N4.1


potência máxima são descritos na Tabela 21.

TABELA 21 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE LIGA NANOCRISTALINOS


Resultados

V (Carga)

I (Carga)

P (Carga)

Rv (Carga)

[V] [mA] [mW] [Ω]

Nanocristalino

NC1 1,13 113,6 129 10

NC1.1 1.15 115,3 132,8 10

NC2 1,77 88,8 157,8 20

NC3 0,44 44,4 19,7 10

NC3.1 0,49 49,7 24,7 10

NC4 0,34 34,2 11,7 10

NC4.1 0,46 46,6 21,8 10

Resultados

99

3. Captadores de pó de ferro

Para os captadores de energia de material de pó de ferro, os resultados

obtidos são descritos abaixo.

É possível visualizar os valores de potência obtidos referente aos valores de

Rv dos captadores P3, P4.1 e PE. Embora os ensaios tenham sido realizados para

valores de Rv entre 10Ω e 10KΩ, é mostrado os valores de potência obtidos para Rv

entre 10Ω e 100Ω para todos os captadores, apenas para fins de visualização dos

maiores níveis de potência. Os maiores níveis de potência estão localizados entre

10Ω e 30Ω de carga para os todos os captadores. Para valores de Rv maiores que

100Ω, a potência medida nos captadores tende a diminuir alcançando valores

menores que 0,2mW para todos os captadores.

GRÁFICO 37 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE PÓ DE FERRO – POTÊNCIA NA CARGA

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

1

2

3

4

5

6

7

8x 10

-4 Resultados Experimentais

Carga (Ohms)

Potê

ncia

(W

)

P3

P4.1

PE


potência máxima para cada captador são descritos na Tabela 22.

Resultados

100

TABELA 22 – NÍVEIS DE POTÊNCIA MÁXIMOS DOS CAPTADORES DE PÓ DE FERRO


Resultados

V (Carga)

I (Carga)

P (Carga)

Rv (Carga)

[mV] [mA] [mW] [Ω]

Pó de ferro

P3 85 8,5 0,72 10

P4.1 58 5,8 0,33 10

PE 64 6,4 0,41 10

Um resumo dos valores máximos de potência dos núcleos com maior

captação de energia obtidos para cada tipo de material pode ser visualizado no

Gráfico 38.

GRÁFICO 38 – CAPTADORES COM NÚCLEO DE FERRITE, NANOCRISTALINO E PÓ DE FERRO – POTÊNCIA NA CARGA

100 200 300 400 500 600 7000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Carga (Ohms)

Potê

ncia

(W

)


F4

N2

P3

Resultados

101

5.3 COMPROVAÇÃO DOS CÁLCULOS TEÓRICOS ATRAVÉS DE MEDIÇÕES DE TENSÃO NO CAPTADOR SEM CARGA – ETAPA 3

Nesta etapa, tomando como referência o circuito da Figura 19, foi

inicialmente desenvolvida a aquisição dos dados para a obtenção das formas de

onda no processo de aferição dos valores de tensão no secundário de cada

captador, quando o condutor primário foi submetido a uma corrente de 15A RMS.

Em seguida, este procedimento foi simulado via software com base nos dados

adquiridos na etapa 1. Para melhor compreensão, os resultados foram

separadamente divididos por tipo de material como se segue.

5.3.1 Captadores de Ferrite

1. Captador F1.1

O Gráfico 39 referencia-se a medição experimental no terminal secundário.

GRÁFICO 39 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F1.1 – RESULTADO EXPERIMENTAL

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10Resultados Experimentais

Tempo(s)

Tensão (

V)

Resultados

102

GRÁFICO 40 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F1.1 – RESULTADO TEÓRICO

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

Tempo (s)

Tensão (

V)

Resultados Teóricos

No experimento foi constatada a saturação do núcleo como mostrado no

Gráfico 39, em que foi obtido o valor Vrms = 1,72V e Vpico=9,24V.

No processo de simulação, quando aplicado uma corrente de 15 A no

terminal primário, foi possível obter Vrms= 6,69V e Vpico= 9,4V, como referenciado

no Gráfico 40.

As diferenças das formas de onda dos gráficos acima são devido ao efeito

de saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado.

Na Tabela 23 estão descritos os valores dos resultados experimental e

teórico.

TABELA 23 – RESULTADOS DO CAPTADOR F1.1


Experimental Teórico

V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[V]

Ferrite F1.1 1,72 9,24 6,69 9,4

2. Captador F1


Resultados

103

GRÁFICO 41 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F1 – RESULTADO EXPERIMENTAL

0.015 0.02 0.025 0.03 0.035-15

-10

-5

0

5

10


Tempo(s)

Tensão (

V)


Gráfico 42, em que foi obtido o valor Vrms = 2,31V e Vpico=13,25V.


terminal primário, foi possível obter Vrms= 7,35V e Vpico= 10,35V como

referenciado no Gráfico 42.




teórico.

Resultados

104

GRÁFICO 42 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR F1 – RESULTADO TEÓRICO

0.015 0.02 0.025 0.03 0.035-15

-10

-5

0

5

10

15

Tempo (s)

Tensão (

V)


TABELA 24 – RESULTADOS DO CAPTADOR F1



V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[V]

Ferrite F1 2,31 13,25 7,35 10,35

3. Captador F2



Gráfico 43, em que foi obtido o valor Vrms = 1,14V e Vpico= 3,9V.



no Gráfico 44.



Resultados

105


-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4


Tempo(s)

Tensão (

V)


-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Tempo (s)

Tensão (

V)



teórico.

Resultados

106




V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[V]

Ferrite F2 1,14 3,9 2,8 3,98

4. Captador F3



-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2


Tempo(s)

Tensão (

V)




terminal primário, foi possível obter Vrms = 1,19V e Vpico= 1,67V como referenciado

no Gráfico 46.

Resultados

107


-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Tempo (s)

Tensão (

V)





teórico.




V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[V]

Ferrite F3 0,46 1,85 1,19 1,67

Resultados

108

5. Captador F4

O gráfico a seguir referencia-se a medição experimental no terminal

secundário.


0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20


Tempo(s)

Tensão (

V)


Gráfico 47, em que foi obtido o valor Vrms = 8,74V e Vpico= 23.6V.



no Gráfico 48.

As diferenças das formas de onda dos gráficos são devido ao efeito de

saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado.

Também foi calculado a tensão obtida no entreferro do captador, devido este

ter seu núcleo laminado com 55 divisões. O resultado está descrito no Gráfico 49.

Resultados

109


0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Tempo (s)

Tensão (

V)



-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Tempo (s)

Tensão (

V)

Resultado Teórico

A tensão total de saída teórico é a soma de Vrms = 23,9 V e Vrms = 0,6V.

Resultados

110

Na Tabela 27, estão descritos os valores dos resultados experimental e

teórico.




V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[V]

Ferrite F4 8,74 23,6 17,32 24,5

Todos os resultados para os captadores de ferrite estão descritos na Tabela

28.

TABELA 28 – RESULTADOS DOS CAPTADORES DE FERRITE



V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[V]

Ferrite

F1.1 1,72 9,24 7,66 10,78

F1 2,31 13,25 8,4 11,84

F2 1,14 3,9 2,29 3,22

F3 0,46 1,85 1,19 1,67

F4 8,74 23,6 17,32 24,5

5.3.2 Captadores Nanocristalinos

1. Captador NC1.1


No experimento foi constatada a saturação do núcleo como mostrado no Gráfico 50,

em que foi obtido o valor Vrms = 5,28V e Vpico= 56,28V.


terminal primário, foi possível obter Vrms = 28,2V e Vpico = 39,9V, como


Resultados

111

GRÁFICO 50 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR NC1.1 – RESULTADO EXPERIMENTAL

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-60

-40

-20

0

20

40


Tempo(s)

Tensão (

V)

GRÁFICO 51 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR NC1.1 – RESULTADO TEÓRICO

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Tempo (s)

Tensão (

V)


Resultados

112







0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

Tempo (s)

Tensão (

V)

Resultado Teórico


teórico.

TABELA 29 – RESULTADOS DO CAPTADOR NC1.1



V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[V]

Nanocristalino NC1.1 5,28 56,28 28,31 40,05

Resultados

113

2. Captador NC1

O Gráfico 53, referencia-se a medição experimental no terminal secundário.

GRÁFICO 53 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR NC1 – RESULTADO EXPERIMENTAL

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-60

-40

-20

0

20

40

60

Tempo(s)

Tensão (

V)












Resultados

114

GRÁFICO 54 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR NC1 – RESULTADO TEÓRICO

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Tempo (s)

Tensão (

V)


Gráfico 55 – Tensão de saída do captador NC1.1 – resultado Teórico

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

Tempo (s)

Tensão (

V)

Resultado Teórico

Resultados

115


teórico.

TABELA 30 – RESULTADOS DO CAPTADOR NC1



V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[V]

Nanocristalino NC1 5,16 52,11 28,31 40,05

3. Captador NC2


GRÁFICO 56 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR N2 – RESULTADO EXPERIMENTAL

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-30

-20

-10

0

10

20


Tempo(s)

Tensão (

V)








Resultados

116


-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-30

-20

-10

0

10

20

30

Tempo (s)

Tensão (

V)





-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Tempo (s)

Tensão (

V)

Resultado Teórico

Resultados

117



teórico.




V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[V]


4. Captador NC3



0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-15

-10

-5

0

5

10


Tempo(s)

Tensão (

V)



Resultados

118


0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Tempo (s)

Tensão (

V)



0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

Tempo (s)

Tensão (

V)

Resultado Teórico

Resultados

119










teórico.




V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[V]


5. Captador NC3.1



em que foi obtido o valor Vrms =1,7 V e Vpico= 26,5 V.


terminal primário, foi possível obter Vrms = 9,16V e Vpico= 12,83 V, como




Resultados

120


0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-30

-20

-10

0

10

20

30

Tempo(s)

Tensão (

V)



0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-15

-10

-5

0

5

10

15

Tempo (s)

Tensão (

V)


Resultados

121





0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

Tempo (s)

Tensão (

V)

Resultado Teórico

Na tabela abaixo estão descritos os valores dos resultados experimental e

teórico.




V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[V]

Nanocristalino NC3.1

1,7 26,5 9,16 12,89

6. Captador NC4


Resultados

122


0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10


Tempo(s)

Tensão (

V)


0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Tempo (s)

Tensão (

V)




Resultados

123








A tensão total de saída teórico é a soma de Vrms = 6,38V e Vrms = 0,05V.


0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

Tempo (s)

Tensão (

V)

Resultado Teórico


teórico.

Resultados

124




V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[V]


7. Captador NC4.1



0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-30

-20

-10

0

10

20

30

Tempo(s)

Tensão (

V)


Resultados

125


0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

Tempo (s)

Tensão (

V)











A tensão total de saída teórico é a soma de Vrms = 19,05V e Vrms = 0,17V.

Resultados

126


0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

Tempo (s)

Tensão (

V)

Resultado Teórico


teórico.




V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[V]

Nanocristalino NC4.1 2,14 24,52 15,55 19,22

Na Tabela 36, encontra-se um resumo dos resultados para os captadores

nanocristalinos.

Resultados

127

TABELA 36 – RESULTADOS DOS CAPTADORES NANOCRISTALINOS



V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[V]

Nanocristalino

NC1.1 5,16 52,11 28,31 40,05

NC1 5,16 52,11 28,31 40,05

NC2 4,61 26,15 18,92 26,63

NC3 0,89 11,72 4,69 6,57

NC3.1 1,7 26,5 9,16 12,89

NC4 0,77 9,77 4,55 6,43

NC4.1 2,14 24,52 15,55 19,22

5.3.3 Captadores de Pó de Ferro

1. Captador P3

O Gráfico 67, referencia a medição experimental no terminal secundário.

GRÁFICO 71 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR P3 – RESULTADO EXPERIMENTAL

-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

Tempo(s)

Tensão (

V)


Resultados

128

GRÁFICO 72 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR P3 – RESULTADO TEÓRICO

-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

Tempo (s)

Tensão (

V)



Gráfico 71, em que foi obtido o valor Vrms = 89,6mV e Vpico= 140,6mV.


terminal primário, foi possível obter Vrms = 130mV e Vpico= 188mV como





teórico.

TABELA 37 – RESULTADOS DO CAPTADOR P3



V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[mV]

Pó de ferro P3 89,6 140,6 130 188

Resultados

129

2. Captador P4.1

O gráfico a seguir referencia-se a medição experimental no terminal

secundário.

GRÁFICO 73 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR P4.1 – RESULTADO EXPERIMENTAL

-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

Tempo(s)

Tensão (

V)



Gráfico 73, em que foi obtido o valor Vrms = 61mV e Vpico= 100,7mV.


terminal primário, foi possível obter Vrms = 64,1mV e Vpico= 89,8mV, como




Resultados

130

GRÁFICO 74 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR P4.1 – RESULTADO TEÓRICO

-0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Tempo (s)

Tensão (

V)



teórico.

TABELA 38 – RESULTADOS DO CAPTADOR P4.1



V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[mV]

Pó de ferro P4.1 61 100,7 64,1 89,8

3. Captador PE



em que foi obtido o valor Vrms = 44,1mV e Vpico= 53,3mV.


terminal primário, foi possível obter Vrms = 78,7mV e Vpico = 111mV como


Resultados

131

GRÁFICO 75 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR PE – RESULTADO EXPERIMENTAL

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

Tempo(s)

Tensão (

V)


GRÁFICO 76 – TENSÃO DE SAÍDA DO CAPTADOR PE – RESULTADO TEÓRICO

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-0.2

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

Tempo (s)

Tensão (

V)



de saturação do núcleo, o qual não foi possível de ser simulado. Na Tabela 39 estão

descritos os valores dos resultados experimental e teórico.

Resultados

132

TABELA 39 – RESULTADOS DO CAPTADOR PE



V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[mV]

Pó de ferro PE 44,1 53,3 78,7 111

Os resultados obtidos para os captadores de pó de ferro estão descritos na

Tabela 40. O resultado geral de todos os núcleos encontra-se nas Tabelas 41 e 42.

TABELA 40 – RESULTADOS DOS CAPTADORES DE PÓ DE FERRO



V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[mV]

Pó de ferro

P3 89,6 140,6 130 188

P4.1 61 100,7 64,1 89,8

PE 44,1 53,3 78,7 111

Resultados

133

TABELA 41 – RESULTADO GERAL DE TODOS OS CAPTADORES TESTADOS – ETAPA 2 – SEGUNDA MEDIÇÃO

Tipo do

Material Ref.

PARÂMETROS MAGNÉTICOS – ETAPA 1 CAPTAÇÃO DE POTÊNCIA MÁXIMA – ETAPA 2 – SEGUNDA MEDIÇÃO

COMPARAÇÃO – ETAPA 3

Experimento Teoria

r

Máximo

m cH Bsat

Inicial Br

Ip

RMS

VRMS (Carga)

I (Carga)

P (Carga)

Rv (Carga)

V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[H/m] [A/m] [T] [A] [V] [mA] [mW] [Ω] [V]

Pó

de

ferr

o

P3 117 0,000147 800 0,79 0,18 295 0,0889 8,8 0,77 10 0,0896 0,1406 0,013 0,188

P4.1 65,5 0,0000823 603 0,5 0,06 366 0,0024 0,24 0,00058 10 0,061 0,1 0,0641 0,0898

PE 100 0,00012 1700 0,6 0,4 292 0,0005 0,5 0,0025 10 0,0441 0,0533 0,0787 0,111

Ferr

ite

F1 17.838 0,026 15 0,35 0,1 2,08

1,0 16,83 16,83 60 2,31 13,25 7,35 10,35

F1.1 0,8 16,1 12,9 50 1,72 9,24 6,69 9,4

F2 9.360 0,011 12,5 0,43 0,1 3,24 0,4 10,1 4,0 40 1,14 3,9 2,8 3,98

F3 6.800 0,0085 14 0,5 0,1 2,1 0,2 0,34 0,083 10 0,46 1,85 1,19 1,67

F4 44.090 0.0554 40 1,5 1,29 7,53 5,025 62,8 315,6 80 8,74 23,6 17,32 24,5

Nan

ocri

sta

lin

o

NC1

172.780 0,21 1,42 1,2 0,3 0,70

1,6 16,1 25,9 100 5,16 52,11 28,31 40,05

NC1.1 1,53 17 26,1 90 5,16 52,11 28,31 40,05

NC2 1,64 32,9 54 50 4,61 26,15 18,92 26,63

NC3 0,96 0,96 0,93 1K 0,89 11,72 4,69 6,57

NC3.1 1,6 1,2 2 1K3 1,7 26,5 9,16 12,89

NC4 0,06 6,3 0,39 10 0,77 9,77 4,55 6,43

NC4.1 1,4 1,2 1,6 1K2 2,14 24,52 15,55 19,22

Resultados

134

TABELA 42 – RESULTADO GERAL DE TODOS OS CAPTADORES TESTADOS – ETAPA 2 – TERCEIRA MEDIÇÃO

Tipo do

Material Ref.

PARÂMETROS MAGNÉTICOS – ETAPA 1 CAPTAÇÃO DE POTÊNCIA MÁXIMA – ETAPA 2 – TERCEIRA MEDIÇÃO

COMPARAÇÃO – ETAPA 3

Experimento Teoria

r

Máximo

m cH Bsat

Inicial Br

Ip

RMS

VRMS (Carga)

I (Carga)

P (Carga)

Rv (Carga)

V (rms)

V (pico)

V (rms)

V (pico)

[H/m] [A/m] [T] [A] [V] [mA] [mW] [Ω] [V]

Pó

de

ferr

o

P3 117 0,000147 800 0,79 0,18 295 0,085 8,5 0,72 10 0,0896 0,1406 0,013 0,188

P4.1 65,5 0,0000823 603 0,5 0,06 366 0,058 5,8 0,33 10 0,061 0,1 0,0641 0,0898

PE 100 0,00012 1700 0,6 0,4 292 0,064 6,4 0,41 10 0,0441 0,0533 0,0787 0,111

Ferr

ite

F1 17.838 0,026 15 0,35 0,1 2,08

1,086 108,6 118 10 2,31 13,25 7,35 10,35

F1.1 1,06 106 112,3 10 1,72 9,24 6,69 9,4

F2 9.360 0,011 12,5 0,43 0,1 3,24 0,852 85,2 72,5 10 1,14 3,9 2,8 3,98

F3 6.800 0,0085 14 0,5 0,1 2,1 0,381 38,1 145 10 0,46 1,85 1,19 1,67

F4 44.090 0,0554 40 1,5 1,29 7,53 4,75 0,118 564,5 40 8,74 23,6 17,32 24,5

Nan

ocri

sta

lin

o

NC1

172.780 0,21 1,42 1,2 0,3 0,70

1,13 113,6 129 10 5,16 52,11 28,31 40,05

NC1.1 1.15 115,3 132,8 10 5,16 52,11 28,31 40,05

NC2 1,77 88,8 157,8 20 4,61 26,15 18,92 26,63

NC3 0,44 44,4 19,7 10 0,89 11,72 4,69 6,57

NC3.1 0,49 49,7 24,7 10 1,7 26,5 9,16 12,89

NC4 0,34 34,2 11,7 10 0,77 9,77 4,55 6,43

NC4.1 0,46 46,6 21,8 10 2,14 24,52 15,55 19,22

Resultados

135

6 CONCLUSÃO

Conclusão

136

6 CONCLUSÃO

Neste trabalho foram apresentados estudos teóricos e proposições

experimentais referentes a um protótipo de um sistema de captação de energia por

dispersão magnética em linha de potência de uma rede elétrica. Esses estudos e

proposições tiveram por base, testes com captadores baseados em núcleos

toroidais, com características diferentes, sendo que 5 destes são de ferrite, 7

nanocristalino e 3 de pó de ferro, com a finalidade de obtenção do maior nível de

potência.

O protótipo consiste de uma planta piloto utilizada para emular as altas

correntes da linha de distribuição e de um circuito de condicionamento de potência

para a retificação e filtragem da energia captada. Para tanto, este processo foi

dividido em três etapas.

A primeira etapa teve por objetivo, a determinação dos parâmetros

magnéticos de cada captador de energia. Para os núcleos de ferrite, o captador

referenciado como F4, obteve o maior valor de permeabilidade magnética relativa,

força coerciva, densidade de fluxo residual e densidade de fluxo de saturação,

porém foi constatado o núcleo com maiores perdas, devido ter a área do laço B x H

maior que os demais. Para os captadores nanocristalinos, ambos obtiveram a

mesma permeabilidade magnética relativa com valores de Br e Hc bem próximos

uns dos outros, sendo que o captador NC2 obteve a maior densidade de fluxo de

saturação. Para os captadores de pó de ferro, o P3 obteve melhor desempenho por

apresentar a maior permeabilidade magnética relativa, consequentemente a maior

densidade de fluxo de saturação. Comparando-se os captadores de melhor

desempenho de cada tipo de material (F4, NC2 e P3) submetidos a testes em

questões de desempenho de captação de fluxo, o captador F4 de ferrite foi o de

maior destaque, embora este tenha permeabilidade magnética inferior ao NC2.

A segunda etapa teve por resultados os níveis de potência obtidos no

processo de captação de energia. Mesmo os núcleos nanocristalinos obtendo os

maiores níveis de permeabilidade magnética relativa, o núcleo de ferrite F4 obteve

os níveis de potência mais elevados dentre todos os tipos de núcleo em teste. Os

núcleos de pó de ferro obtiveram resultados relativamente baixos com valores de

potência na escala de microwatts a nanowatts. Os núcleos nanocristalinos

Conclusão

137

mostraram possuir excelente captação de campo magnético, porém a sua saturação

ocorre para pequenos valores de corrente. Quando submetidos a altas correntes,

seu valor de tensão RMS na saída do secundário é pequeno devido o sinal medido

ter uma pequena área decorrente a saturação do núcleo. Ainda para esses núcleos,

foi constatado nos experimentos que quando o condutor secundário é submetido a

cargas com valores baixos, a corrente que circula na carga gera um contra fluxo no

núcleo reduzindo assim a tensão de saída no secundário.

De acordo com os ensaios, foi constatado que os núcleos magnéticos

fornecem um maior nível de tensão quando estão em sua região de saturação inicial.

Quando se encontram em um estágio de saturação muito elevado, sua tensão de

saída é reduzida, causando uma diminuição no fornecimento de energia. Essa

situação só foi vista nos captadores nanocristalinos.

Nos experimentos, alguns núcleos como as mesmas dimensões foram

bobinados com o mesmo número de voltas, porém com fios de espessuras

diferentes. Em condições iguais de testes, foi verificado que os núcleos obtiveram o

mesmo nível de tensão.

Em outros ensaios, núcleos assimétricos foram bobinados um com número

de voltas elevado, porém com um fio fino e outros com um número de voltas baixo,

porém com um fio grosso. Foi observado que o captador com o número de voltas

elevado obteve melhor captação bem acima do que o núcleo com fio de bitola mais

grossa.

Portanto, para o sistema proposto foi possível fornecer uma potência

máxima de até 315 mW com tensão de 5 Vcc para uma carga de 80Ω com o uso de

um retificador e um capacitor de filtro. Para cargas conectadas diretamente no

terminal secundário do captador foi possível obter uma potência de até 564,5 mW

com tensão 4,75 VRMS para uma carga de 40Ω. Ambos os valores de potência

adquiridos retratam-se ao captador de ferrite F4

Enfim, conclui-se que o uso de captadores de material de ferrite é mais

viável (embora não apresentem os maiores valores de r ), pois estes não saturam

tão rápido como os captadores de material nanocristalino (onde foi constatado os

maiores valores de r ) e também não são tão insensíveis a captação de fluxo como

os materiais de pó de ferro (onde foi constatado menores valores de r ).

Conclusão

138

7 TRABALHOS REALIZADOS

Trabalhos Realizados

139

7 TRABALHOS REALIZADOS

MORAES JUNIOR, T. O.; RODRIGUEZ, Y. P. M.; SOUZA, C. P. Sistema de

Recuperação de Energia através de Ruído Magnético em Linha de Potência,

IBERCHIP 2013 - Cusco, Peru. February 27-March 1, 2013.

Patente depositada

DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO ALIMENTADO POR INDUÇÃO MAGNÉTICA

DISPERSA EM CONDUTORES ELÉTRICOS Número da patente:

BR1020130000051 (ou PI1020130000051). INPI, em 19 de dezembro de 2012

140

8 REFERÊNCIAS

Referências

141

8 REFERÊNCIAS

AHOLA, J. et al., “Design considerations for current transformer based energy harvesting for electronics attached to electric motor,” Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion. SPEEDAM. International Symposium on, p. 901-905, june 2008.

BANTHING, J. F.; MCBEE, B. W. “Power Line Energy Harvesting Power Supply”. United States Patente 2010/0084920 A1, 8 April 2010.

BARBOSA, J. S. Caracterização de Compositos de Magnéticos Macios Desenvolvidos Através da Metalurgia do Pó Aplicado a Núcleos de Máquinas Elétricas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Porto Alegre: Dissertação de Mestrado, 2009.

BATISTA, T. C. Tranformador de Corrente com Núcleo nanocristalino, UFCG - Dissertação de Mestrado, 2010.

BATISTELA, N. J. Caracterização e Modelagem Eletromagnética de Lâminas Aço ao Silício, Universidade Federal de Santa Catarina - Floriianópolis: Tese de doutorado, 2001.

BEEBY, S. P.; TORAH, R. N.; TUDOR, M. J.; JONES, P. G.; O'DONNELL, T.; SAHA, C. R.; ROY, S. “A micro electromagnetic generator for vibration Energy Harvesting,” Journal of Micromechanics and Microengineering, 2007.

FLORENTINO, H. R.; FREIRE, R. C. S.; BASSET, P.; FLORENTINO, C.; SOUZA, C. P.; RODRIGUEZ, Y. P. M.; GALAYKO, D. “Variable-capacitor-based energy harvester architecture with charge leakage compensation.,” 2012. A ser publicado.

GUO, F.; HAYAT, H.; WANG, J. “Energy harvesting devices for high voltage transmission line monitoring,” Power and Energy Society General Meeting, IEEE, p. 1-8, july 2011.

LÓPEZ, J. C. TFM: Energy Harvesting. Esculela de Ingeniaría y Arquitectura, Sepitiembre 2011.

LOUREIRO, A. A. F.; NOGUEIRA, J. M. S.; RUIZ, L. B.; MINI, R. A. F.; NAKAMURA, E. F.; FIGUEIREDO, C. M. S. Redes de Sensores sem Fio, Departamento de Ciencia da Computação - UFMG - Belo Horizonte, 2008.

MINERO-RE, E. M.; VENTURA, M. C.; FUENTES, C. F.; LÁZARO, A. M.; TOMA, D. M. “Piezoelectric Energy Harvesting from Induced Vortex in Water Flow,”

Referências

142

Instrumentation and Measurement Technology Conference, p. 624-627, 2012.

MORAES, V. H. S. D.; GONZALES, V. F. C. G.; FERRARI, L. H. J.; FILHO, E. L. V. C.; MELO, G. P. Estudo da geração piezelétrica de energia em absorvedores dinâmicos de vibração, Campus de Ilha Solteira – Faculdade de Engenharia.

MOUSOULIS, C.; YOON, C. K.; CHITNIS, G.; ZIAIE, B. “Thermoelectric energy scavenging with temperature gradient amplification,” Micro Electro Mechanical Systems, p. 1285-1288, 2012.

MUSSOI, F. L. R. Fundamentos de Eletromagnetismo, Florianópolis: IFSC, 2007.

NAVEEN, K. V.; MANJUNATH, S. S. “A reliable ultracapacitor based solar energy harvesting system for Wireless Sensor network enabled intelligent buildings,” Intelligent Agent and Multi-Agent Systems, p. 20-25, 2011.

PEREIRA, M. R.; AMORIM, C. L.; CASTRO, M. C. S. Tutorial sobre de Redes de Sensores, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, 2007.

SHADIKU, M. N. O. Elementos de Eletromagnetismo, Porto Alegre: Bookman, 2004.

SILVA, F. A.; BRAGA, T. R. M.; RUIZ, L. B.; NOGUEIRA, J. M. S. Tecnologia de redes de sensores sem fio, UFMG, 2008.

SOUZA, F. S. Sistema de extração de potência (Energy Harvesting) usando transdutores piezelétrico, Universidade Estadual Paulista – Julio de Mesquita Filho. Dissertação de mestrado. Ilha Solteira, São Paulo, 2011.

TAITHONGCHAL, T.; LEELARASMEE, E. “Adaptative Electromagnetic Energy Harvesting circuit for wireless sensor application.,” Eletrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology, vol. 1, p. 278-281, May 2009.

TASHIRO, K.; WAKIWAKA, H.; INOUE, S.; UCHIYAMA, Y. “Energy Harvesting of Magnetic Power-Line Noise,” Magnetics, IEEE Transactions on, vol. 47 no.10, p. 4441-4444, oct 2011.

TOMA, D. M.; DEL RIO, J.; LÁZARO, A. M. “Self-Powered High-Rate Wireless Sensor Network for Underground High Voltage Power Lines,” Instrumentation and Measurement Technology Conference, p. c1, 2012.

TORRI, L. B. A. A norma IEEE 1451 aplicada a redes heterogenias de sensores sem fio. Florianópolis, 2008.

ZHAO, X.; KETUEL, M.; BALDAUF, M.; KANAOUN, O. “Energy harvesting for overhead power line monitoring,” Systems, Signals and Devices (SSD), International Multi-Conference on, p. 1-5, march 2012.

Referências

143

ZHU, M.; WORTHINGTON, E.; TIWARI, A. “Desing Study of Piezoelectric Energy Harvesting Devices for Generation of Higher Electrical Power Using a Coupled Piezoelectric-Circuit Finite Element Method,” Ultrasonics Ferrorlrctris and Frequency Control, vol. 57, p. 427-437, 2010.

APÊNDICE 1

Apêndice 1

145

APÊNDICE 1 - CÓDIGO RESPONSAVEL POR O MODELAMENTO DOS DADOS AQUISITADO EM OSCILOSCOPIO PARA A DETERMINAÇÃO DAS CARACTARISTICAS MAGNÉTICAS DOS CAPTADORES

clear all; %zera todas a variáveis path='C:\Users\Tarcisio\Dropbox\Tarcísio_Protásio_Yuri\TESTES\Dados

colhidos\LAÇOBH\N2\'; % Diretório para upload dos arquivos

cont=0;

%////////////ESPECIFICAÇÕES DO CIRCUITO E DA BOBINA/////////////////

ht=0.0044;%ht é a espessura total do núcleo w=0.01035;%w é a altura total do núcleo r1=0.0225;% r1 é o raio inicial para a primeira lamina N1=75;%N1 é o número de espiras do primário N2=58;%N2 é o número de espiras do secundário L=155; %L é o número de lâminas A=ht*w; % cálculo da area do núcleo h=ht/L; %cálculo da largura de cada lamina S=0.0000006;%largura da isolação entre cada lamina u0=4*pi*10^-7; %permeabilidade do ar

C1=1*10^-6; % Capacitor C1 de realimentação do integrador R6=1*10^3; % resistor R6 na entrada inversora do integrador Rm = 400; %Resitor de medição

%////////////DADOS DO CÓDIGO E DAS AMOSTRAS REALIZADAS/////////////////

n =28; %é o número de arquivos de amostras N = 2000; % número de amostras por arquivo

%//////////LAÇO PARA O CARREGAR TODOS AS AMOSTRAS COLHIDAS///////////////

for i=1:n; %laço para carregar arquivo por arquivo da pasta e extrair os %valores maximos de cada laço colhido

file=strcat(path,'scope_',num2str(i-1),'.csv'); % lê o arquivo

scope_(i).csv, onde %i indica o número do nome do arquivo

D = importdata(file,',',2); % importa os dados do arquivo que estão %separados por virgula sendo que a leitura é feita apartir da %terceira linha. O 2 simboliza que a leitura pula as duas linhas

iniciais %e começa da terceira. ESSE COMANDO (pular duas linhas)FOI UTiLIZADO %PORQUE AS DUAS PRIMEIRAS LINHAS DO ARQUIVO SÃO TEXTO E ESTE COMANDO SÓ %LER DADOS NUMERICOS %A é uma matriz 2000x4 chamada data

Apêndice 1

146

vetor1=D.data(1:N,2); %VT é um vetor que recebe os elementos da %da segunda coluna da matriz DATA correspondente a corrente do %primário do toroide vetor2=D.data(1:N,3);%V0 é um vetor que recebe os elementos da %da terceira coluna da matriz DATA correspondente a tensão de %saída do integrador de miller

VT(i)=max(vetor1);% b é um vetor formado por os valores maximos dos % laços de histerese colhidos na medição correspondente a corrente no % primário do toroide

V0(i)=max(vetor2);% c é um vetor formado por os valores maximos dos % laços de histerese colhidos na medição correspondente a tensão % de saída do integrador de miller %plot(VT,V0); %clear A;

%////////////////////CALCULO DO CIRCUITO/////////////////////

Ipmax=(VT(i)/Rm); %Calculo da corrente do primário para plotar % a curva de magnetização. VT foi dividido por Rm, pois se trata %do valor do resistor em que a tensão foi colhida. Ip=(vetor1/Rm); %cálculo da corrente do primário para plotar % o laço BxH. vetor1 foi dividido por Rm pois se trata do valor do

resistor %onde a tensão foi colhida. r(i)=r1+(i-1)*(h+S); % Calculo da raio de cada lamina l=2*pi*r(i); % comprimento médio do núcleo

%////////////// CALCULO DA INTENSIDADE E DENSIDADE /////////////

H=(N1*Ip)/l; % intensidade do campo magnético B=((C1*R6)/(N2*A))*vetor2; % densidade do campo magnético Hmax(i)=(N1*Ipmax)/l; % intensidade do campo magnético MÁXIMO Bmax(i)=((C1*R6)/(N2*A))*V0(i); % densidade do campo magnético MÁXIMA

%//////////////// PERMEBILIDADE RELATIVA ///////////////////

ur(i)=(B(i+1)-B(i))/((H(i+1)-H(i))*u0);%permebilidade relativa %com relação a dB/dh ur2(i)=Bmax(i)/(Hmax(i)*u0);%%permebilidade relativa %com relação cada ponto de b e h um=ur*u0; %permeabilidade do material

%////////// FLUXO MAGNÉTICO /////////////

Fi=B*A; %Fi é o fluxo magnético, B é a desnsidade e A é a area

Apêndice 1

147

%///////// CÁLCULO DA MÉDIA ///////////////////////

Passo = 15; % Número de amostras sequenciais que serão utilizadas para

o cálculo da média local z = 1;

for m = N+1:1:N+1+Passo, H(m)=H(N); B(m)=B(N); end % Completar passos

finais (Erro se não o fizer)

for k = 1:Passo:N % Varrer todo o arquivo H_med(z) = 0; B_med(z) = 0;

for m = k:1:k+Passo % Média do Passo H_med(z) = H(m) + H_med(z); B_med(z) = B(m) + B_med(z); end H_med(z) = H_med(z)/Passo; B_med(z) = B_med(z)/Passo;

z = z + 1; end

%////////////////////// CURVAS H x B ////////////////////////////

%//Pontos da Curva de magnetização considerando a média de H //////

[H_med_max(i), I_max] = max(H_med); % I_max é o índice do valor %máximo de H B_med_max(i) = B_med(I_max);

%//Pontos da Curva de magnetização considerando a média de B //////

[B_med_max2(i), I_max] = max(B_med); % I_max é o índice do valor máximo

de B H_med_max2(i) = H_med(I_max);

%******************************************************* % Cálculo do ponto inicial de saturação N_med = length(H_med);

%O ponto inicial de saturação é o ponto em que a derivada dB/dH é %mínimo, ou seja, não há praticamente variação de B (dB ~ 0)

for k = 2:1:N_med % Considerando somente o 1º quadrante (H e B positivos), pois é % neste quadrante que queremos plotar a saturação if (H_med(k) > 0) & (B_med(k) > 0) % ur_med(k) = dB/dH em cada ponto k ur_med(k) =(B_med(k)-B_med(k-1))/((H_med(k)-H_med(k-1))*u0); else % Aqui, se fora do 1º quadrante, colocamos o valor máximo % possível, pois o importante é o valor mínimo ur_med(k) = +inf; end end

Apêndice 1

148

% Computação do valor mínimo de dB/dH = ur_med(k) [ur_med_max, I_min] = min(ur_med); % I_min é o índice do ponto de saturação H_med_sat(i) = H_med(I_min); B_med_sat(i) = B_med(I_min); ur_sat(i) =B_med_sat(i)/(H_med_sat(i)*u0);

end

%/PLOTAR CURVA DE MAGNETIZAÇÃO: CONSIDERANDO PONTO DE SATURAÇÃO COMPUTADO//

plot(H_med_sat, B_med_sat,'b-','LineWidth',2);grid on; hold off axis([0 70 0 1.8]); title('Resultados Experimentais'), xlabel('Intensidade

(A/m)'),ylabel('Densidade (T)');

%////////////////AJUSTE DE CURVA DA PERMEABILIDADE///////////////////

if cont==1 %Condição para entrar no ajuste de curcva. Se cont==1 não %executa. Se cont==0 executa p=polyfit(H_med_sat,B_med_sat,10); xp= linspace(0,60); %este vetor foi criado apenas para o calculo do %ajuste de curva ter um eixo x de referencia, ou seja, xp estar %representando a intesidade H. z=polyval(p,xp); %este vetor representa os novos pontos das coordenadas % da densidade B ja ajustados plot(H_med_sat,B_med_sat,'r-*',xp,z,'LineWidth',2) %plot(xp,z,'LineWidth',2) axis([-1 60 0 1]); %mostra a resolução do sinal para o plot do grafico grid on; title('Resultados Experimentais'), xlabel('Intensidade

(A/m)'),ylabel('Densidade (T)'); end

APÊNDICE 2

Apêndice 2

150

APÊNDICE 2 - CÓDIGO RESPONSÁVEL POR O MODELAMENTO DOS DADOS QUE FORAM FEITOS A AQUISIÇÃO EM OSCILOSCOPIO PARA A DETERMINAÇÃO DOS VALORES DE POTÊNCIA NA CARGA DO CCD

clear all; %zera todas a variáveis cont=0; m=5; %m é o número de diretórios n=27; %é o número de amostras colhidos R=[10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

1200 1300 1400 1500 2000 3000 10000];% Este vetor % é formado por os valores dos resitores de carga que foram realizados os % testes

%//////////////////////// ENDEREÇAMENTO DO DIRETÓRIO///////////////// %Este laço direciona as pastas que contem os arquivos de extensão .csv %que necessitam ser abertos. Quando todos os arquivos da pasta forem %forem lidos, este laço seleciona a próxima pasta para a leitura %de novos arquivos de extensão .csv

for j=1:m

switch cont case 0 path='C:\Users\Tarcisio\Desktop\T1\TESTES\Testes

CCD\Ferrite\F1\F1CCD\'; case 1 path='C:\Users\Tarcisio\Desktop\T1\TESTES\Testes

CCD\Ferrite\F1.1\F1.1CCD\'; case 2 path='C:\Users\Tarcisio\Desktop\T1\TESTES\Testes

CCD\Ferrite\F2\F2CCD\'; case 3 path='C:\Users\Tarcisio\Desktop\T1\TESTES\Testes

CCD\Ferrite\F3\F3CCD\'; otherwise path='C:\Users\Tarcisio\Desktop\T1\TESTES\Testes

CCD\Ferrite\F4\F4CCD\';

end Pmax=0;

%//////////////////////// CARREGAR ARQUIVOS/////////////////// %Laço para carregar arquivo por arquivo da pasta selecionada por o laço % anterior e extrair os valores médios de cada laço colhido.

for i=1:n; %laço para carregar arquivo por arquivo da pasta e extrair os %valores maximos de cada laço colhido s=strcat('scope_',num2str(i-1),'.csv'); % lê o arquivo scope_(i).csv,

onde %i indica o número do nome do arquivo file=strcat(path,s);

Apêndice 2

151

A = importdata(file,',',2); % importa os dados do arquivo que estão %separados por virgula sendo que a leitura é feita a partir da %terceira. o 2 simboliza que a leitura pula as duas linhas iniciais %e começa da terceira. ESSE COMANDO (pular duas linhas)FOI UTLIZADO %PORQUE AS DUAS PRIMEIRAS LINHAS DO ARQUIVO SÃO TEXTO, E ESTE COMANDO %SÓ LER DADOS NUMERICOS. A é uma matriz 2000x4 chamada data

VoltR=A.data(1:2000,2); %VT é um vetor que recebe os elementos da %da segunda coluna da matriz DATA correspondente a corrente do %primário do toroide

clear A;

%///////////////////////CÁLCULO DA CORRENTE E DA POTÊNCIA NA CARGA////////

Ip(i)=median(VoltR)/R(i); %Corrente calculada com base no valor médio do % sinal dc da tensão na carga P(i)=median(VoltR)*Ip(i);%Potência calculada com base no valor médio do % sinal dc da tensão na carga

%//// ESSA CONDIÇÃO DETERMINA OS VALORES DO RESITOR DE CARGA, A TENSÃO E A

CORRENTE NA CARGA QUANDO A POTÊNCIA É MAXIMA.

if P(i)>Pmax % Compara sempre o estado atual de P com relação ao seu

próximo valor clear Pmax V I Res Núcleo Pmax=P(i); V=median(VoltR); I=Ip(i); Res=R(i); end

end

% Mostra no command window do software os valores alistados abaixo

Núcleo=j

Pmax V I Res

%///////////////////////////PLOT DOS GRÁFICOS///////////////////////

switch cont % Este comando executa o plot de cada valor de potência % media em função da carga case 0 subplot(212),plot(R,P,'b-'); % comando para plotar dois graficos em

uma mesma tela

case 1 subplot(212),plot(R,P,'r-.'); case 2 subplot(212),plot(R,P,'k-x'); case 3 subplot(212),plot(R,P,'m-*'); axis([0 2000 0 0.020]); legend('F1','F1.1','F2','F3')

Apêndice 2

152

xlabel('Carga (Ohms)'),ylabel('Potência (W)');

otherwise subplot(211),plot(R,P,'g--'); axis([0 2000 0 0.4]); legend('F4') title('Resultados Experimentais'),xlabel('Carga

(Ohms)'),ylabel('Potência (W)');

end

hold on; % executa o comando plot de todos os graficos na mesma janela cont=cont+1; % variável que controla o comando CASE Pmax_2(j)=max(P); % vetor responsavel por armazenar os maiores valores %maximos de potência de cada amostra, ou seja, de cada núcleo % text(80,Pmax_total,'\leftarrow 317mW','HorizontalAlignment','left')

end

Pmax_2 Pmax_total=max(Pmax_2)% variável responsavel por armazenar o maior valor % de potência captada dos núcleos em teste.

153

APÊNDICE 3

Apêndice 3

154

APÊNDICE 3 - CÓDIGO PARA OBTENÇÃO DO VALOR DE TENSÃO DE SAÍDA AFERIDO NO TERMINAL SECUNDARIO DO CAPTADOR SEM CARGA

ht=0.00175;%ht é a espessura total do núcleo w=0.004;%w é a altura total do núcleo rL=0.0155;% r1 é o raio inicial para a primeira lamina N2=77;%N1 é o número de espiras do primário A=ht*w; % cálculo da area do núcleo L=152;%numero de laminas h=ht/L; %cálculo da espesura de cada lamina S=0.0000001;%espessura da isolação entre cada lamina

I=15;%corrente do primário atribuida para os testes e a simulação F=60; % frequencia em Hz W = 2*pi*F; % frequencia angular ur=172780; %permebilidae relativa t=linspace(0,0.05); %vetor tempo. Mesmo valores usados no experimento u0=4*pi*10^-7; %permeabilidade do ar um=ur*u0; % calculo para permeabilidade do material

P=151;%numero de materiais isolantes entre as laminas FT=0; % Fluxo Total inicialmente igual a zero

for j = 1:1:P % laço que começa em 1, incrementando 1 por vez até L que é o

numero de laminas r(j)=rL+h+(j-1)*(S+h); % Calculo da raio de cada lamina fi(j)=((um*w*I*W)/(2*pi))*(log((r(j)+S)/r(j))); % calculo da derivada do

fluxo em uma lamina Vi(j)=-N2*fi(j); % calculo da tensão de saída correspondente a cada lamina FT=fi(j)+FT; % Fluxo total da bobina end Vs=-N2*FT*cos(W*t); % Vs é a tensão de saida, n numero de espiras do

secundario plot(t,Vs); %axis([-0.025 0.025 -0.8 0.8]); xlabel('Tempo (s)'),ylabel('Tensão (V)') title('Resultado Teórico');

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Captação de energia por indução magnética em linha de potência