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This PhD thesis presents the development of models of magnetic elements for high frequency and insulation classes. Currently, there is an increasing demand for implementation of such elements as the power electronics has innovated with the development of technologies capable of operating under such conditions, high frequency and voltage. Different applications such as smart grids, distributed generation connection and solid-state transformers boost research in this area. The main motivation of this study is to develop a model to emulate the magnetic element, both for electrical insulation design as to verify the interaction of the element with the electronic circuit in which it is inserted. The model was based on the techno-scientific literature dedicated to power transformers, which have high insulation classes, but do not operate at high frequency. A new method is proposed for calculating the value of the parasitic capacitance between conductors of circular cross-section. Design techniques with the objective of reducing the self-capacitance, or parasitic capacitance, are presented. Comparisons between experimental results and simulations of the proposed model are presented, proving its effectiveness. The proposed model is further expanded and applied if insulation material is required between the layers of the coils to raise its electrical insulation. In the same way, experimental tests are performed to prove the conclusions presented for this modeling. Essa Tese de Doutorado apresenta o desenvolvimento de modelos para elementos magnéticos para elevadas frequências e classes de isolação. Atualmente, há uma crescente demanda de aplicação destes elementos uma vez que a eletrônica de potência tem sido inovada com o surgimento de tecnologias capazes de operar sob estas condições, elevada frequência e tensão. Diferentes aplicações como redes inteligentes, conexão de gerações distribuídas e transformadores de estado sólido impulsionam as pesquisas nestas áreas. A principal motivação deste estudo é o desenvolvimento de um modelo capaz de emular o elemento magnético, tanto para o projeto de isolação elétrica como para verificar a interação do elemento com o circuito eletrônico no qual está inserido. O modelo proposto foi baseado na literatura tecno-científica dedicada a transformadores de potência, que apresentam elevadas classes de isolação, porém não operam em elevada frequência. É proposto um novo método para o cálculo do valor da capacitância parasita entre condutores de secção transversal circular. Técnicas de projeto com o objetivo de redução da auto capacitância, ou capacitância parasita, são apresentadas. São apresentadas comparações entre resultados experimentais e simulações do modelo proposto comprovando a eficácia do mesmo. O modelo proposto é ainda expandido e aplicado para o caso de material isolador ser necessário entre as camadas das bobinas para elevar o isolamento elétrico das mesmas. Da mesma forma, são realizados testes experimentais para comprovar as conclusões apresentadas para esta modelagem.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This paper presents a study of the characteristics of magnetic materials. The application of this study is the feeding of an electrodeless fluorescent lamp (EFL). This type of lamp is driven by electromagnetic effects and, because of this, the electrodes are eliminated. Thus, the EFL has longer lifetime associated with low lumen depreciation representing an alternative to lighting systems among other discharge lamps. Because of the EFL magnetic characteristics, the operation frequency of this type of system has to be high in order to reduce the size of inductive elements avoiding the shadowing. Thus, the study of different magnetic materials capable of operating under these circumstances is proposed. Experiments were performed in order to obtain material characteristics such as the magnetization curve and the energy losses, and simulations were used to study characteristics not available through practical means. Four different materials are analyzed, the ferrites N87 (from EPCOS) and IP12E (from THORNTON) and amorphous and nanocrystalline alloys. In the ferrites cases, it was possible to carry out practical experiments and prove that they are able to meet the operating needs of EFL. However, it was not possible to acquire toroids alloys, amorphous or nanocrystalline, with the internal diameter required to accommodate the bulb of the EFL therefore, results of simulations are presented for these cores projects. At the end of the work, comparisons are made between the results obtained. Este trabalho apresenta um estudo das características de materiais magnéticos. A aplicação deste estudo é o acionamento de uma lâmpada fluorescente sem eletrodos (LFSE). O acionamento deste tipo de lâmpada é realizado a partir de efeitos eletromagnéticos, sem a necessidade de eletrodos. Em virtude disso, as LFSE apresentam, dentre as demais lâmpadas de descarga, uma longa vida útil associada a uma baixa depreciação do fluxo luminoso, representando uma alternativa atraente para sistemas de iluminação. Devido as características magnéticas das LFSE, a frequência de operação desse tipo de sistema deve ser elevada, com o objetivo de reduzir o volume dos elementos indutivos, evitando o sombreamento causado pelos mesmos. Com isso, é proposto o estudo de diferentes materiais magnéticos capazes de operar sob estas circunstâncias. Foram realizadas experiências a fim de obter características de materiais, tais como, a curva de magnetização e as perdas de energia, e simulações para estudar características não acessíveis através de meios práticos. Quatro diferentes materiais são analisados, os ferrites N87 (da EPCOS) e IP12E (da THORNTON) e as ligas amorfas e nanocristalinas. No caso dos ferrites foi possível realizar experiências práticas e comprovar que os mesmos são capazes de suprir as necessidades de funcionamento da LFSE. Porém, não foi possível adquirir toroides de ligas, amorfas ou nanocristalinas, com o diâmetro interno necessário para acomodar o bulbo da LFSE, portanto, resultados de simulações são apresentados para os projetos destes núcleos. Ao final do trabalho são realizadas comparações entre os resultados adquiridos.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES The power transformers, responsible for adapt the voltage levels, are essential equipment to the operation of electrical systems. Exposed to different situation, they are subject to several failures that can lead to an operational unavailability. Among the failures, there may be the rupture of the dielectric insulation, due the windings deformations by electromechanical forces from high currents, as short-circuits, leading to technical and financial losses. This master thesis presents a methodology for electromechanical forces determination and its distribution in the windings through simulations employing Finite Element Method. After an overview of the forces, presenting operating situations of high currents and possible deformations, analytical methods of calculation are approached, exposing their simplifications and applications difficulties, with the example of the use Waters’ equations on three concentric windings arrangements: same height, tap on the end of winding and central tap. Thereby, 3D modeling and simulations of the same arrangements in finite element software are presented, showing the practicality and applicability of the simulation method. After comparing the simulations results with the equations, analyzes of the radial and axial forces are presented, with details in divisions modeled along the height of the windings and around the core column, including a parametric variation in the tap size. From the simulations, it was found that the analytical equations, even with simplifications, are accurate. Additionally, the finite element simulation tool proved to be very efficient, mainly because it allows the modeling and analysis of more complex geometries and arrangements, where the equations applications becomes limited. Still, with simulation modeling, the forces distribution was verified in detail, in addition to critical points and characteristics that can be taken into account I more reliable transformers projects. Os transformadores de potência, responsáveis por adequar os níveis de tensão, são equipamentos essenciais para o funcionamento de sistemas elétricos como um todo. Expostos a diferentes situações, estão sujeitos a diversas falhas que podem acarretar em uma indisponibilidade operativa destes. Entre as falhas, pode haver o rompimento da isolação dielétrica, devido a deformações dos enrolamentos por esforços eletromecânicos oriundos de elevadas correntes, como curtos-circuitos, levando a prejuízos técnicos e financeiros. Este trabalho apresenta uma metodologia para determinação dos esforços eletromecânicos e sua distribuição nos enrolamentos de transformadores de potência através de simulações empregando o Método de Elementos Finitos. Após uma visão geral dos esforços, apresentando situações operativas de elevadas correntes e possíveis deformações, métodos analíticos de cálculo são abordados, expondo suas simplificações e dificuldades de aplicação, com a exemplificação do uso das equações de Waters sobre três arranjos de bobinas concêntricas: mesma altura, tap na cabeceira e tap central. Diante disso, são apresentadas modelagens 3D e simulações dos mesmos arranjos em software de elementos finitos, mostrando a praticidade e aplicabilidade da metodologia de simulação. Após comparar os resultados das simulações com as equações, análises dos esforços radiais e axiais são apresentadas, com detalhamento em divisões modeladas ao longo da altura dos enrolamentos e no entorno da coluna do núcleo, incluindo uma variação paramétrica do tamanho do tap. A partir das simulações, verificou-se que as equações analíticas, mesmo com simplificações, são precisas. Adicionalmente, a ferramenta de simulação em elementos finitos mostrou-se bastante eficiente, principalmente por permitir a modelagem e análise de geometrias e arranjos mais complexos, onde a aplicação de equações torna-se limitada. Ainda, com as modelagens em simulação, verificou-se detalhadamente a distribuição dos esforços, além de pontos críticos e características que podem ser levadas em conta em projetos de transformadores mais confiáveis.