Reguladores magnéticos
robótica
66
Bruno Baptista1, Marina Perdigão2 1 WEGeuro - Indústria Eléctrica, S.A. Maia, Portugal 2 IPC, Instituto Superior de Engenharia de Coimbra, ISEC, DEE, Portugal
nota técnica
Os reguladores magnéticos têm sido utilizados em diversas aplicações, incluindo controlo de potência reativa, regulação de corrente no controlo de iluminação em sistemas com lâmpadas de descarga ou LED, conversores DC-DC e sistemas MPPT. O seu princípio de funcionamento é baseado no ajuste do nível de saturação do núcleo magnético.
1. INTRODUÇÃO Os reguladores magnéticos já eram utilizados no século XIX nos EUA para controlo de iluminação em teatros. Um pouco mais tarde, pode-se encontrar um artigo datado de 1916 sobre aplicação em radiotelefonia. Já nas décadas de 1940 e 1950, durante e após a II guerra mundial, os reguladores magnéticos eram utilizados em várias aplicações, como interruptores controlados saturáveis, especialmente em navios e aeronaves (controlos de aceleração, servomecanismos, radares, entre outros). Foram considerados dispositivos confiáveis, com baixo custo de manutenção, longa vida útil e boa tolerância ao choque mecânico, vibração e humidade. Sem peças móveis, os dispositivos podem ser hermeticamente fechados dentro de um invólucro, a fim de resistir aos efeitos de condições ambientais adversas. Nos anos 80 e 90, esses dispositivos também foram utilizados em algumas aplicações de baixa potência, principalmente nas fontes comutadas de alta frequência. Atualmente as linhas de interesse para a utilização destes dispositivos incluem: controlo de corrente em drivers para iluminação, conversores de eletrónica de potência para veículos elétricos, filtros e correção do fator de potência PFC. De seguida, apresenta-se o princípio de funcionamento, protótipos e resultados experimentais deste tipo de dispositivo.
(1 + Ȥ m ȝr
ĺ B
ĺ
ȝ 0 ȝr H
(4)
ĺ
ȝH
(5)
Nas equações (2)-(5), ȝ é a permeabilidade magnética [H/m], ȝ0 ʌ î –7 [H/m] é a permeabilidade magnética do vácuo e ȝr é a permeabilidade magnética relativa. Os materiais adequados para o núcleo magnético do regulador são os que apresentam valores de Ȥm elevados, traduzindo-se em ȝr » 1, designados de materiais ferromagnéticos. Os diferentes materiais ferromagnéticos apresentam diferentes curvas de magnetização. O comportamento ou resposta do material magnético é crítico para o projeto do regulador e deve ser selecionado de acordo com a aplicação pretendida. Na Figura 1 apresentam-se duas curvas B-H genéricas que correspondem a dois materiais ferromagnéticos distintos. O material em a), com um laço de histerese estreito e baixa coercividade é usualmente designado de material “macio”. O material em b) com um laço de histerese mais largo e coercividade maior é denominado de material “duro”. Se o material apresentar um laço do tipo retangular como Figura 1 b), a reatância indutiva de uma bobina poderá ser alterada de forma abrupta, uma vez que o núcleo fica facilmente saturado, podendo ser utilizado como interruptor indutivo. Por exemplo, uma pequena alteração no valor da corrente de controlo poderá traduzir-se num grande aumento ou diminuição da potência de saída de um sistema. Por outro lado, pode-se utilizar um regulador magnético com material macio como o da Figura 1 a), projetando o regulador para operar no joelho (zona de transição) da curva de magnetização. Desta forma, consegue-se uma regulação da indutância de forma controlada, dando origem a uma bobina variável, regulada por uma corrente tipicamente contínua.
2. FUNDAMENTOS E PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Para compreender o princípio de funcionamento do regulador magnético deve-se rever algumas relações fundamentais do eletromagnetismo a seguir apresentadas. A forma como a magnetização responde a um campo aplicado é traduzido pela suscetibilidade magnética Ȥm, que expresĺ sa o coeficiente de proporcionalidade entre a Magnetização M ĺ [A/m] e o campo H [A/m], pela equação (1). ĺ ĺ M = Ȥm · H
(1)
ĺ ĺ ĺ Por seu turno, o campo B [T] está relacionado com M e H pelas seguintes relações: ĺ ĺ ĺ B H = – Ȥ m · H ȝ0
ĺ
ĺ
ȝ 0 (1 + Ȥ m) H = B
(2)
(3)
Figura 1. Curva B-H [1]: a)material macio; b) material duro.
A curva de magnetização de um material ferromagnético poderá apresentar um número infinito de relações entre B e H, sendo, por isso, um fenómeno difícil de modelizar. Não obstante, para o estudo do comportamento do regulador magnético é possível utilizar uma curva de magnetização “normalizada”, ilustrada na Figura 2. Esta curva é uma boa aproximação quando se utilizam