EFICIÊNCIA ENERGÉTICA APLICADO EM NÚCLEOS DE TRANSFORMADORES

Transcrição

1 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA APLICADO EM NÚCLEOS DE TRANSFORMADORES Thiago Luís Campos Gomes Caio César Costa Martins Universidade Federal do Maranhão, Departamento de Engenharia Elétrica Resumo. Este trabalho apresenta um estudo que compara as perdas do núcleo dos transformadores monofásicos construídos por materiais metal amorfos e ferro silício. Todos os transformadores analisados obtêm potências de 5 kva. Foram realizados ensaios a vazio comparando os transformados monofásicos com ambos os núcleos. O transformador com núcleo de metal amorfo possui características que serão mostradas no decorrer deste trabalho, pois o metal amorfo usado no núcleo de transformadores provoca menores perdas de magnetização, perdas estas por histerese e correntes de Foucault. Como conclusão, serão mostradas análises comparativas entre o TDMA (Transformador de Distribuição Metal Amorfo) e o TDGO (Transformador de Distribuição Grão Orientado) e os benefícios que podem trazer para o nosso sistema de distribuição. Palavras-chave: Eficiência energética, Núcleo amorfo, Perdas no Transformador. 1. INTRODUÇÃO O transformador possui uma importância significativa no sistema elétrico, sendo utilizado para transmissão de energia em alta tensão, bem como na geração, elevando e rebaixando os níveis de tensão (Moniz, 2007). Um transformador é um dispositivo que converte, por meio da ação de um campo magnético, a energia elétrica CA de uma dada frequência e nível de tensão em energia elétrica CA. Consiste em duas ou mais bobinas de fio enroladas em torno de um núcleo ferromagnético comum. Essas bobinas (usualmente) não estão conectadas eletricamente entre si. A única interação entre as bobinas se dá através do fluxo magnético sobre o núcleo ferromagnético. Um dos enrolamentos do transformador é ligado a uma fonte de energia elétrica CA e o segundo (e possivelmente um terceiro) enrolamento do transformador fornece energia às cargas. O enrolamento do transformador ligado à fonte de energia é denominado enrolamento primário, ou enrolamento de entrada, e o enrolamento conectado às cargas é denominado enrolamento secundário, ou enrolamento de saída. Se houver um terceiro enrolamento, ele será denominado enrolamento terciário (Stephen, 2013). As primeiras aplicações do metal amorfo no mercado só vieram a ocorrer em 1976, quando o primeiro transformador de distribuição com núcleo de material amorfo foi construído no Laboratório Lincoln, Instituto Tecnológico de Massachusetts (USA). Naquela oportunidade, foram realizados ensaios, que demonstraram a eficiência do TDMA frente ao núcleo de ferro silício convencional. Particularmente houve uma redução de 87.5% nas perdas do núcleo e a corrente de excitação foi reduzida de 2.5 A para 0.12 A (Raskin, 1981). Aproximadamente na década de 70, deu-se início às pesquisas de TDMA, pois nesse período havia um alto preço de energia. Com isso, estimulou-se o interesse na conservação de energia (Luciano, 1995). No Brasil, os primeiros estudos e ensaios experimentais sobre a aplicação de liga amorfo em núcleos de transformadores foram iniciados em ambientes acadêmicos (Luciano, 1995), passando-se para montagem, em unidades industriais em fábricas de transformadores, logo em seguida (Luciano, 1998). Dentre os atrativos para se estudar transformadores TDMA em relação ao TDGO, destaca-se a redução das perdas no núcleo. O aumento da indução de saturação (Bs) para 1.65 T e a diminuição da força coercitiva (Hc) das ligas amorfas para próximo de 1A/m, geraram uma diminuição de tamanho e preço do TDMA (Diego, 2011). O artigo está dividido em quatro partes, a primeira parte realizar uma descrição completa do problema. Em seguida, na segunda parte serão demonstrados os procedimentos para obter os resultados. Na terceira e quarta parte serão mostrados os resultados dos ensaios e uma análise comparativa da eficiência dos materiais estudados nesse trabalho. 2. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA Os TDGO que estão ligados no sistema elétrico geram perdas consideráveis quando são comparados TDMA. Porém é possível obter uma economia substituindo os TDGO por TDMA. Mas, somente após os TDGO que estão torando-se obsoletos ou, se não, substituir apenas o núcleo dos transformadores de silício por metal amorfo. 2.1 Perdas no Transformador O transformador é um equipamento simples constituído por um acoplamento magnético (FITZGERALD et. al., 2006), que é usado para transferir a energia elétrica de uma bobina para a outra. O transformador básico é formado por duas bobinas isoladas e enroladas em torno do núcleo. A bobina que também é conhecida como enrolamento, recebe a energia de uma fonte que é denominada de enrolamento primário, em que se aplica a tensão de entrada. 20

2 2.1.1 Perdas no Cobre O transformador pode ser analisado através do seu circuito elétrico equivalente. No circuito equivalente ilustrado na Figura 1, as perdas no cobre do primário e secundário são representadas por R1 e R2 respectivamente. As indutâncias X1 e X2 constituem o fluxo disperso nos enrolamentos da máquina. Figura 1: Circuito Equivalente do transformador Fonte: Fitzgerald et. al., As perdas de energia por efeito Joule são mais conhecidas como perdas no cobre, dependendo principalmente das cargas elétricas alimentadas pelo transformador. Para minimizar as perdas no cobre, as resistências dos enrolamentos primário e secundário devem ter uma seção adequada para os condutores, ou seja, uma maior bitola para suportar a corrente nominal de operação (Marcelino, 2011). Então, nota-se a necessidade de se estabelecer certo ponto de funcionamento, sendo esse ponto e fixado como o correspondente ao funcionamento nominal do transformador, ou seja, sua corrente nominal (Silva, 2005). As perdas por efeito Joule devido as resistências ôhmicas dos enrolamentos. Essas perdas variam de acordo com o aumento ou diminuição da carga no transformador (Santos, 2006) Perdas no núcleo As perdas a vazio do transformador e a potência consumida pelo transformador para magnetizar seu núcleo serão descritas com mais detalhes. (Silva, 2005). As perdas no núcleo dos transformadores são constituídas por duas parcelas. Na primeira as correntes que se estabelecem pelos enrolamentos primário e secundário de um transformador sobre cargas, que dissipa em suas correspondentes resistências a certa potência devido ao feito Joule (Silva, 2005). As perdas por correntes parasitas são também chamadas de perdas por Foucault. Esse termo é empregado para descrever a perdas de potência associada com as correntes circulantes, as quais existem em percursos fechados dentro do corpo de um material ferromagnético e causam perdas indesejáveis por aquecimento (Santos, 2006). A corrente a vazio do transformador é a corrente requerida para fornecer potência para a histerese e as perdas por corrente parasita no núcleo. Essa corrente de perdas no núcleo assume que o fluxo no núcleo é senoidal como as correntes parasitas no núcleo são proporcionais a dɸ/dt, as correntes parasitas são máximas quando o fluxo no núcleo está passando por 0 Wb. Portanto, a corrente de perdas no núcleo é máxima quando o fluxo passa por zero. A corrente total requerida para as perdas no núcleo está mostrada na Figura 2 (Stephen, 2013). Figura 2: Correntes de perdas no núcleo em um transformador (Stephen, 2013). 3. METODOLOGIA Para comparar a eficiência do material de metal amorfo em relação ao aço silício de grão orientado foram usados ensaios práticos à vazio. Os ensaios apresentados nesse trabalho foram realizados no laboratório da empresa MACZ Transformadores, situada na cidade de Paraíso do Tocantins, Estado do Tocantins, Brasil. 21

3 O ensaio à vazio determina os valores das perdas elétricas no núcleo do transformador e a corrente de excitação. Este método aponta as perdas elétricas referentes à propriedade ferromagnética do equipamento, ou seja, determina as perdas no núcleo por histerese e Foucault. Figura 5: Bancada de teste para ensaios Normalmente, em transformadores de distribuição a tensão do enrolamento primário é de 13,8 KV ou de 34,5 KV, já no ensaio de enrolamento secundário, a tensão é de 380/220 V ou de 440/220 V, isso no estado do Tocantins, devido ao alto custo dos equipamentos para tensões elevadas e por maior segurança do operador da bancada de ensaio, assim as pequenas fábricas e reformadoras do estado do Tocantins adotam essas medidas como referência (NBR 5440, 2011). Figura 4: Esquema de ligação ensaio a vazio transformador monofásico. Fonte: Jacson et. al, UNIJUI -RS. 1. A Figura 4 ilustra o esquema adotado de ligação no ensaio à vazio do transformador monofásico. O método para iniciar o ensaio é o enrolamento de baixa tensão conectado aos cabos de teste e o enrolamento de alta tensão em aberto. Através de uma fonte variável aplica-se tensão nominal no enrolamento de baixa tensão do transformador, sendo a potência lida no wattímetro à potência ativa absorvia na magnetização do núcleo, e a corrente lida no amperímetro é a necessária para excitação do mesmo. Assim, torna-se possível analisar a perda a vazio do núcleo do transformador (José, 1984). 4. RESULTADOS 4.1 Características dos Transformadores 22

4 O TDMA que foi realizado no ensaio possui 200 espiras no enrolamento de baixa tensão e espiras no enrolamento de alta tensão, sendo de fio 12 AWG para o enrolamento de baixa tensão e 28 AWG para enrolamento de alta tensão. O TDGO possui 208 espiras no enrolamento de baixa tensão e espiras no enrolamento de alta tensão, sendo fio 12 AWG para o enrolamento de baixa tensão e 28 AWG para enrolamento de alta tensão. 4.2 Contexto Histórico Ferro Silício No início do século XX, Hadfield e outros, pesquisando as propriedades eletromagnéticas das ligas de Ferrosilício, verificaram que a resistividade do Fe aumentava muito com a adição do Silício, o que contribuía para a redução das perdas causadas pelas correntes parasitas. Então, a partir desse estudo, iniciou-se todo o desenvolvimento tecnológico da fabricação e utilização do Aço Silício. Inicialmente, foram desenvolvidos os Aços de Grão não Orientado (GNO), nos quais a estrutura cristalina não possui orientação definida, com isso, existe uma facilidade da passagem do fluxo magnético em qualquer direção. Então em 1934, Norman Goss desenvolveu chapas de aço silício de grão orientado (GO), em que a estrutura cristalina possui uma direção preferencial de magnetização, o que potencializou a utilização em núcleos de transformadores. Verificaram que, as medidas de ambos os materiais, sendo de Aço silício grão orientado e grão não orientado na direção paralela, ou seja, na direção de magnetização, as perdas magnéticas do aço silício de grão orientado são inferiores ao do aço silício grão não orientado (Campos, 2006) Metal Amorfo O primeiro transformador de distribuição com núcleo de material amorfo foi construído no Laboratório Lincoln, do Instituto Tecnológico de Massachusetts (Raskin et. al., 1981). O início da pesquisa dos transformadores de metal amorfo se deu após o embargo do petróleo ocorrido em 1973, que causou a escassez de energia e o alto preço que era cobrado, estimulando o interesse na conservação de energia. Mesmo com a estabilização da oferta e dos preços praticados no mercado de energia, custos na geração, transmissão e distribuição da energia elétrica mantiveram-se altos (Diego, 2011). O interessante que naquela oportunidade, foram realizados ensaios, que mostraram a eficiência do transformador núcleo metal amorfo quando comparado ao aço silício convencional, onde houve uma redução de 87,5% nas perdas do núcleo e 0,12A na corrente de excitação, isso então motivou a continuação das pesquisas no ramo da conservação de energia (Raskin et. al, 1981). O material amorfo apresenta características magnéticas favoráveis para a indução magnética. Esse material tem uma alta permeabilidade magnética e o ciclo de histerese do mesmo é estreito. Assim, essas propriedades garantem um circuito magnético com baixas perdas no ferro, dessa maneira as perdas a vazio são reduzidas e também é baixa a corrente de magnetização (Gustavo, 2000). As ligas de metal amorfo, que compõem o núcleo, têm uma espessura nominal baixa, sendo esta uma das razões pelas quais o material amorfo apresenta baixo valor de perdas no núcleo (Gustavo, 2000). A união de características do metal amorfo, sendo a alta dureza, a espessura muito fina e a superfície rugosa, contribui para um fator de empilhamento baixo (Gustavo, 2000). Figura 3: Lâmina metal amorfo Fonte: Autor próprio. 23

5 Foram realizados seis ensaios nos transformadores monofásicos de 5kVA: três TDMA e três TDGO. Ambos foram ensaiados na classe de 36.2 kv. Segue abaixo os resultados dos ensaios em cada transformador. Tabela 1: Ensaio 01 Transformador de núcleo amorfo classe 36.2 kv. 0,12 A 11 W 167 W Tabela 2: Ensaio 02 Transformador de núcleo amorfo classe 36.2 kv. 0,07 A 10 W 144 W Tabela 3: Ensaio 03 Transformador de núcleo amorfo classe 36.2 kv. 0,14 A 13 W 138 W Tabela 4: Ensaio 04 Transformador de núcleo silício classe 36.2 kv. 0,3 A 41 W 174 W Tabela 5: Ensaio 05 Transformador de núcleo silício classe 36.2 kv. 0,36 A 44 W 176 W Tabela 6: Ensaio 06 Transformador de núcleo silício classe 36.2 kv. 0,41A 43 W 158 W Tabela 7: Valores de perdas a vazio para transformadores monofásicos com tensões máximas de 36,2Kv (NBR 5440, 2011). Potência do Transformador Perda a Vazio Tensão de Curto-Circuito 05 kva 45 W 3,0 V 5 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Nesse tópico do trabalho serão discutidos os resultados encontrados por meio dos ensaios realizados. Na Figura 6, é possível observar o comportamento das perdas a vazio dos transformadores segundo sua potência nominal. Apresentase que as perdas no núcleo do metal amorfo estão aproximadamente 70% de redução com relação os valores alcançados pelos núcleos de ferro silício. Dessa forma, considerando outros fatores como a permeabilidade magnética e a resistividade elétrica, torna-se possível explicar o motivo da eficiência do material de metal amorfo. A permeabilidade magnética é a resistência à passagem de fluxo magnético. 24

6 Figura 6: Comparação dos Ensaios com relação as perdas a vazio TDMA TDGO NBR O material de metal amorfo possui uma permeabilidade aproximadamente de H/M e já o material de aço silício tem H/m de permeabilidade magnética. Considerando um transformador alimentado a vazio, o mesmo se comporta como uma carga de alta impedância. Desta maneira, a impedância é diretamente proporcional à permeabilidade magnética e a resistência elétrica do material, o que explica a diferença dos valores da corrente de excitação analisadas. Com uma elevada permeabilidade o núcleo sofre um acoplamento magnético intenso, sendo favorável, pois eleva a resistividade e implica menores perdas por correntes parasitas. Figura 7: Comparação dos Ensaios com relação às correntes de excitação. 0,45 0,41 0,4 0,35 0,3 0,3 0,36 TDMA 0,25 0,2 0,15 0,12 0,14 0,1 0,07 TDGO 0,05 0 Entretanto, a Figura 7 apresenta que o núcleo de amorfo exige uma menor corrente para excitar o transformador, ou seja, para energizar o núcleo. Usando os valores do ensaio, mostra que o núcleo de amorfo tem de 60 a 80% de menor perda em relação a corrente de excitação do núcleo de silício. Figura 8: Quantidade de transformador núcleo Amorfo e Silícios no Tocantins Quantidade de Transformadores monofásico de 5 kva no Tocantins TOTAL DE TRANSFORMADOR DE NÚCLEO AMORFO TOTAL DE TRANSFORMADOR DE NÚCLEO SILÍCIO Fonte: ENERGISA,

7 A Figura 8 apresenta a quantidade total de transformadores de núcleo amorfo e silício em todo estado do Tocantins. O total de transformadores monofásicos de 5 kva no estado do Tocantins é de , sendo transformadores de núcleo amorfo e transformadores de núcleo Silício, ou seja, mais de 60% do transformadores monofásicos instalados são com o núcleo de Silício. 6 CONCLUSÃO No Brasil existem aproximadamente 2,5 milhões de transformadores instalados nas redes de distribuição de energia elétrica. Conclui-se que o metal Amorfo apresenta menores perdas e tem a oportunidade de desempenhar um papel importante para a eficiência energética, ou seja, o núcleo formado pelo metal amorfo traz uma economia significativa para o sistema elétrico. Observou-se que o núcleo de amorfo apresentou uma redução de aproximadamente 70% das perdas no núcleo com relação ao ferro silício e também apresentou a corrente de excitação menor aproximadamente 60 a 80% comparados com ferro silício. O elevado valor da permeabilidade relativa favorece um melhor acoplamento magnético e o elevado valor da resistividade acarreta menores perdas por correntes parasitas no núcleo A melhor utilização deste tipo de material é a possibilidade de otimizar a relação custo eficiência. O custo para aquisição de ambos os transformadores (cotados na Empresa ITB Equipamentos Elétricos) obteve uma diferença de R$ 570,25 reais, ou seja, esse será o investimento extra em um transformador com núcleo de metal amorfo. Pois o núcleo de ferro silício tem o valor de R$ 1.764,50 reais e o de amorfo de R$ 2.334,75 reais. REFERÊNCIAS Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR Transformadores para redes aéreas de distribuição/padronização. ABNT, Campos, M. L. B., Estudo de Aplicação Experimental e Viabilidade de Utilização de Transformadores de Distribuição com Núcleo Amorfo, Dissertação de Mestrado em Energia, Universidade de São Paulo USP, Diego, Barros. Teixeira. (2011); Análise da Viabilidade financeira da utilização de transformadores de núcleo amorfo estudo de caso aplicado ao projeto de subestação aérea de 75 kva, dissertação de mestrado em ciências em Engenharia Elétrica, universidade Federal do Ceará UFC, Fortaleza -CE, Fitzgerald, Charles Stephen D. U.; Kingsley Jr; A. E. Maquinas elétricas com introdução a eletrônica de potência. 6a Ed. Porto Alegre- RS: Editora Bookman, Gustavo A. V; MAXWELL F. P.; MÁRCIO J. T., Jr. Bruno L. Fraga, Fábio S. Silveira, e Rildo W. Materiais Magnéticos, José, O., Cong., João R.; Policarpo, G. José. Transformadores: Teoria e Ensaios, Escola Federal de Engenharia, Itajubá- MG, ed. São Paulo: Edgard Blucher, Jacson, LEMOS W.; NELSON J., Relatório sobre Ensaios de transformadores, circuitos magnéticos e Transformadores ensaios em curto, a vazio e testes de polaridade, curso de Engenharia Elétrica UNIJUI Rio Grande do Sul. Lorran, A. O. V.; Marco A. F.; M. Marcio. SICITE XVII Seminário de Iniciação Cientifica e Tecnológica UTFPR. Comparação das perdas a vazio de transformadores trifásicos de classe 15kv dotados de núcleo amorfo e Ferro silício. Luciano, B. A. Estudo de aplicações da Liga Fe78B13Si9 amorfa em núcleos de transformadores de baixa potência. Tese de Doutorado. Coordenação de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal da Paraíba, Luciano, B. A.; R., P. M. Transformador com núcleo de material amorfo: uma experiência conjunta universidadeempresas. In: Anais do III Congresso Latino-Americano de Distribuição de Energia Elétrica, pp , Moniz, O. V., Perda útil técnica e perda de Vida útil econômica dos transformadores de distribuição, dissertação de mestrado em ciências em Engenharia elétrica, Universidade Federal de Itajubá UFI, Itajubá MG, Marcelino, G.V., Analise E Medições Das Sobrecorrentes De Energização De Um Transformador Monofásico. Monografia em Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Rio de Janeiro- UFRJ, Rio de Janeiro, Raskin, D.; Davis, A. L. Nov Metallic glasses: a magnetic alternative. IEEE Spectrum, vol. 18, No. 11, pp , Stephen, CHAPMAN J., Fundamentos de Máquinas Elétricas. 5ª ed. São Paulo -SP: AMGH Editora, Santos, L., Cálculo das Perdas Técnicas dos Transformadores de Distribuição, Operando em Ambiente não-senoidal. Dissertação em Engenharia Elétrica, UNESP, Ilha Solteira -SP, Silva, A. Ricardo Santana, Calculo De Perdas Técnicas No Transformador De Distribuição, Monografia em Engenharia Elétrica, Faculdade Pio Decimo, Aracaju -SE,

8 ENERGY EFFICIENCY APPLIED IN THE CORE OF TRANSFORMERS Abstract. This work presents a study that compares how the core of the single-phase transformers built by amorphous metal and iron silicon materials. All analyzed transformers obtain power of 5 kva. Comparative vacuum tests were performed and the monophasic transform with the two cores. The transformer with metal core has features that are not shown without this work, because the metal core result in a decrease in magnetization losses so the metal damper used no core transformers cause a decrease in magnetization losses, these stories losses and eddy currents. As a conclusion, comparative analogues between AMDT (Amorphous Metal Distribution Transformer) and GDDT (Grain Driven Distribution Transformer) are shown and the benefits they can bring to our distribution system. Key words: Energy Efficiency, Amorphous Nucleus, Loss, Transformer. 27