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ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-5170-4532
Document type: Tese
Access type: Acesso Embargado
Embargo Date: 2028-08-17
Title: Técnicas de Inteligência Artificial aplicadas à otimização multiobjetivo de equipamentos eletromagnéticos saturáveis: um estudo de caso em reatores a núcleo saturado
Alternate title (s): Artificial Intelligence techniques applied to multi-objective optimization of saturable electromagnetic equipment: a case study on saturable-core reactors
Author: Pacheco, Ábner Cézar Peres
First Advisor: Santos, Ivan Nunes
First member of the Committee: Rosentino Junior, Arnaldo José Pereira
Second member of the Committee: Saraiva, Elise
Third member of the Committee: Belchior, Fernando Nunes
Fourth member of the Committee: Rezende, Paulo Henrique Oliveira
Summary: Esta tese propõe e valida uma metodologia de otimização multiobjetivo para o projeto de Reatores a Núcleo Saturado (RNS) de grande porte, baseada na substituição de simulações tridimensionais em Elementos Finitos por Redes Neurais Artificiais (RNAs) treinadas como modelos substitutivos. Inicialmente, é apresentada uma contextualização do problema de dimensionamento de equipamentos eletromagnéticos e da lacuna de pesquisa referente à aplicação de metamodelos baseados em RNA a estruturas magnéticas saturadas tridimensionais. Um reator de referência, com potência nominal de 500 kVAr e topologia Twin-Trippler, foi projetado, modelado no software ANSYS Maxwell e validado experimentalmente por meio da fabricação de um protótipo físico e da realização de ensaios elétricos de aceitação em fábrica, confirmando a fidelidade do modelo computacional adotado. A partir de um modelo simplificado, equivalente ao modelo detalhado de fabricação, foi conduzida uma varredura paramétrica em Elementos Finitos para a geração de uma base de dados de treinamento. Um estudo comparativo entre técnicas de aprendizado de máquina demonstrou a superioridade das RNAs na representação do comportamento não linear do equipamento em saturação profunda, com coeficientes de determinação (R²) superiores a 0,96 para as funções objetivo de potência reativa e perdas no núcleo. As RNAs treinadas foram empregadas na exploração exaustiva de um espaço de busca de mais de 247 milhões de combinações, permitindo a construção da Fronteira de Pareto entre perdas e volume em poucos minutos de processamento. O projeto ótimo selecionado, validado por simulação detalhada em Elementos Finitos, apresentou reduções de 12,86% nas perdas magnéticas e de 14,37% no volume do núcleo em relação ao equipamento de referência, com preservação da capacidade nominal de absorção de potência reativa dentro de margens aceitáveis de projeto. Os resultados confirmam a eficácia da metodologia proposta como ferramenta de projeto computacionalmente eficiente e experimentalmente validada para equipamentos eletromagnéticos operando em regime de saturação profunda.
Abstract: This thesis proposes and validates a multi-objective optimization methodology for the design of large-scale Saturated Core Reactors (SCRs), based on replacing three-dimensional Finite Element simulations with Artificial Neural Networks (ANNs) trained as surrogate models. The work begins by contextualizing the design problem of electromagnetic equipment and identifying the research gap concerning the application of ANN-based surrogate models to three-dimensional saturated magnetic structures. A reference reactor, rated at 500 kVAr in a Twin-Trippler topology, was designed, modeled in ANSYS Maxwell software, and experimentally validated through the fabrication of a physical prototype and factory acceptance electrical tests, confirming the accuracy of the adopted computational model. From a simplified model, shown to be equivalent to the detailed manufacturing model, a parametric sweep using Finite Element simulations was conducted to generate a training dataset. A comparative study among machine learning techniques demonstrated the superiority of ANNs in capturing the strongly nonlinear behavior of the equipment under deep saturation, achieving coefficients of determination (R²) above 0.96 for the reactive power and core loss objective functions. The trained ANNs were then employed to exhaustively explore a design space of more than 247 million combinations, enabling the construction of the Pareto frontier between core losses and volume within minutes of processing. The selected optimal design, validated through detailed Finite Element simulation, achieved reductions of 12.86% in magnetic core losses and 14.37% in core volume relative to the reference equipment, while preserving the rated reactive power absorption capacity within acceptable design margins. The results confirm the effectiveness of the proposed methodology as a computationally efficient and experimentally validated design tool for electromagnetic equipment operating under deep magnetic saturation.
Keywords: Otimização
Optimization
Reator a Núcleo Saturado
Saturated Core Reactor
Método de Elementos Finitos
Finite Element Method
Rede Neural Artificial
Artificial Neural Network
Modelo Substitutivo
Surrogate Model
Fronteira de Pareto
Pareto Frontier
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::SISTEMAS ELETRICOS DE POTENCIA
Subject: Engenharia elétrica
Inteligência artificial
Redes neurais (Computação)
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Quote: PACHECO, Ábner Cézar Peres. Técnicas de Inteligência Artificial Aplicadas à otimização multiobjetivo de equipamentos eletromagnéticos saturáveis: um estudo de caso em reatores a núcleo saturado. 2026. 94 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.636.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.636
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/50351
Date of defense: 17-Aug-2026
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.
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