Congreso Internacional de Distribución Eléctrica CIDEL 2014

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1 Congreso Internacional de Distribución Eléctrica CIDEL 2014 APLICAÇÕES ELETROELETRÔNICAS DE LIGAS AMORFAS E LIGAS NANOCRISTALINAS NO CONTEXTO DAS REDES INTELIGENTES Benedito Antonio Luciano Universidade Federal de Campina Grande Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica BRASIL benedito@dee.ufcg.edu.br Palavras-chave: Aplicações eletroeletrônicas, Ligas amorfas, Ligas nanocristalinas, Redes inteligentes (Smart grids). Resumo As ligas amorfas formam um grupo de materiais metálicos não-cristalinos caracterizados por não possuírem, à longa distância, uma estrutura atômica ordenada. O princípio básico de obtenção destes materiais é o da solidificação rápida de metais a partir de seu estado fundido. Nestes processos, as taxas de resfriamento devem ser elevadas o suficiente para que a solidificação ocorra sem haver a cristalização. As ligas nanocristalinas, por sua vez, são obtidas a partir das ligas amorfas, e receberam a denominação nanocristalina devido à sua estrutura de grãos da fase Fe(-Si) em escala nanométrica, na ordem de 1 a 100 nm. Na prática, a implantação de redes inteligentes (smart grids) envolve basicamente o uso intensivo de tecnologias de informação, automação e comunicações para monitoramento e controle da rede elétrica, possibilitando o gerenciamento de forma mais eficiente e tornando o sistema mais confiável e seguro. Para que as redes inteligentes operem com alto desempenho, medidores de energia elétrica, indutores e sensores que apresentem baixas perdas em seus circuitos magnéticos precisam ser instalados. Neste contexto de uso eficiente da energia elétrica é que estão inseridas as aplicações eletroeletrônicas de ligas amorfas e de ligas nanocristalinas, conforme estudos de casos apresentados neste trabalho. 1. INTRODUÇÃO As ligas amorfas e as ligas nanocristalinas pertencem ao grupo dos materiais magneticamente moles. Obtidas pelo processo de solidificação rápida de metais, a partir de seu estado fundido, as ligas amorfas são materiais não-cristalinos que se caracterizam por não possuírem, à longa distância, uma estrutura atômica ordenada, em contraste com a estrutura atômica rigidamente ordenada (cúbica de corpo centrada) das ligas de ferro-silício de grãos orientados (GO), tradicionalmente empregadas em núcleos de transformadores instalados nos sistemas de distribuição de energia elétrica, urbanos e rurais. De acordo com Masumoto [1], a primeira obtenção experimental de uma estrutura nanocristalina é creditada a Yoshizawa e seus colaboradores, em 1988 [2]. A liga obtida, Fe 73,5 Si 13,5 B 9 Nb 3 Cu 1, recebeu o nome comercial FINEMET e a denominação nanocristalina se deu em função de sua estrutura de grãos da fase Fe(-Si) em escala nanométrica, a exemplo da liga nanocristalina Fe 88 Zr 7 B 4 Cu 1, denominada comercialmente como NANOPERM, desenvolvida por Inoue e seus colaboradores [3]. Atualmente, dependendo da necessidade da aplicação eletroeletrônica, em termos de faixa de frequência, existem disponíveis no mercado ligas amorfas à base de ferro, à base de níquel e à base de cobalto. As ligas amorfas à base de ferro (FeBSi) são geralmente empregadas em núcleos de indutores e transformadores de distribuição que operam em baixas frequências, de 50 Hz a 10 khz [4]. Ligas amorfas à base de níquel e à base de cobalto podem ser aplicadas em núcleos que operam em frequências na ordem de 10 khz a 200 khz, competindo com as ligas Permaloy e com as ferritas moles (NiZn e MnZn), em aplicações eletroeletrônicas diversas, tais como: indutores, transformadores de pulsos, transformadores de corrente, blindagem magnética, sensores, filtros ativos e alarmes antifurto, dentre outras. Além do emprego de novos materiais magneticamente moles mais eficientes, diversos fatores motivaram a busca por uma solução inteligente para otimizar o uso das redes elétricas: adoção de geração distribuída, redução de custos,

2 2 eficiência energética, confiabilidade, sustentabilidade, oferta de serviços aos consumidores e tarifas mais justas. Para efeito de análise, os sistemas elétricos tradicionais podem ser compostos por quatro segmentos: geração (conversão), transmissão, distribuição e usos finais. Nesses sistemas o fluxo de energia elétrica se dá de forma unidirecional: da fonte para a carga, como ocorre nos sistemas de geração concentrada. Com a possibilidade de inserção de energia elétrica proveniente de fontes renováveis (eólicas, solares, ondas, por exemplo) nas redes interligadas, a geração distribuída tem assumido papel relevante nos sistemas elétricos atuais. Neste contexto é que estão inseridas as redes inteligentes (smart grids). O emprego de redes inteligentes envolve basicamente o uso intensivo de tecnologias de informação, automação e comunicações para monitoramento e controle da rede elétrica, o que permitirá o gerenciamento pelo lado da oferta (GLO) e pelo lado da demanda (GLD) de maneira mais eficiente, tornando o sistema mais confiável e seguro. Segundo Falcão [5], os impactos das redes inteligentes nos sistemas de geração centralizada são pequenos; nos sistemas de transmissão de energia elétrica são moderados; nos sistemas de distribuição de energia elétrica são grandes e nos usos finais, incluindo a geração distribuída (micro e mini), os impactos tornam-se revolucionários. Na implantação das redes inteligentes, sistema de aquisição de dados, controle supervisório e medição inteligente são fundamentais. Entretanto, para que as redes inteligentes operem com alto desempenho, transformadores de corrente, indutores e sensores que apresentem baixas perdas ativas (W/kg) em seus circuitos magnéticos precisam ser instalados. Assim, é neste contexto das redes inteligentes que algumas aplicações eletroeletrônicas de ligas amorfas e ligas nanocristalinas são apresentadas neste trabalho, com destaques especiais para o transformador de corrente e para o sensor de corrente de fuga em pararaios de óxido de zinco (ZnO). 2. PROPRIEDADES E APLICAÇÕES ELETROELETRÔNICAS Dispositivos eletroeletrônicos modernos, como componentes para fontes chaveadas e equipamentos de comunicação digitais, demandam componentes indutivos que ocupem pouco volume, baixas perdas ativas (W/kg), baixo valor de força coerciva (H c ), valor elevado de indução de saturação (B s ) e valores elevados de permeabilidade magnética ( µ). Para cada aplicação específica, a escolha do material ferromagnético para compor os núcleos depende do conjunto de propriedades eletromagnéticas apresentada por cada liga sob condições de operação, tais como frequência e temperatura, por exemplo. Para fins de análise comparativa são apresentadas na Fig. 1 as relações entre as permeabilidades magnéticas relativas (µ e ) e o valor da indução de saturação (B s ) entre os principais materiais magneticamente moles disponíveis comercialmente nos dias atuais. Figura 1. Permeabilidade magnética e a indução de saturação entre materiais magneticamente moles [6]. As ligas FINEMET e NANOPERM, embora apresentem características magneticamente moles interessantes, como baixa força coerciva (0,6 a 2,5 A/m) e valores elevados de permeabilidade magnética relativa (na ordem de ), elas possuem valores de indução de saturação magnética B s inferiores aos das ligas amorfas à base de ferro, na frequência de 60 Hz. Entretanto, essa limitação começou a ser superada a partir do desenvolvimento de ligas nanocristalinas com valores de indução de saturação magnética B s superiores a 1,8 T [7]. Dentre as ligas nanocristalina apresentadas na Fig. 1, aquela identificada como HITPERM (Fe 44 Co 44 Zr 7 B 4 Cu 1 ) é a que possui o valor mais elevado de indução de saturação (B s ) e excelentes propriedades magnéticas, não alcançadas por outras ligas à base de ferro, em temperaturas elevadas [9]. A denominação HITPERM é uma forma mnemônica de lembrar uma das principais características desta liga: o elevado valor da temperatura de Curie. Na Tabela 1 são apresentados valores comparativos dessas novas ligas nanocristalinas face às ligas de Fe-Si (GO e GNO) e a liga amorfa Fe 78 B 13 Si 9. TABELA 1: Propriedades magnéticas [8]. Composição B 800 (T) H c (A/m) Fe 85Si 2B 8P 4Cu 1 1,82 5,8 Fe 86Si 1B 8P 4Cu 1 1,85 2,8 Fe3% Si GNO 1,51 26 Fe3% GO 1,78 10 Fe 78B 13Si 9 1,49 2,6

3 3 Adicionalmente, ressalte-se que a liga Fe 85 Si 2 B 8 P 4 Cu 1 apresenta perda magnética ativa em torno de 0,2 W/kg, a 50 Hz, sob indução magnética de 1,5 T. O elevado valor da permeabilidade magnética e da resistividade (135 µω.cm), baixa força coerciva, boa estabilidade térmica e indução de saturação superior a 1,8 T, conferem às ligas nanocristalinas diferentes possibilidades de aplicações em dispositivos eletroeletrônicos, tais como: núcleos enrolados para atenuação de interferência eletromagnética, transformadores de pulso, transformadores de corrente, transformadores flyback, componentes para fontes chaveadas, conversores de frequência para acionamento de máquinas elétricas, indutores, sensores, reatores saturáveis, transformadores para altas frequências e cabeçotes magnéticos de leitura e gravação. Ultimamente, as exigências relativas à proteção de equipamentos eletrônicos contra a interferência eletromagnética tem sido crescentes, sobretudo porque esses equipamentos passaram a fazer parte do nosso cotidiano e podem ser afetados por esse tipo de distúrbio. Dentre os componentes eletroeletrônicos utilizados para mitigar esse tipo de interferência destacam-se as bobinas choke de modo comum, empregadas para proteger esses equipamentos contra pulsos de tensão em altas frequências. Essas bobinas funcionam como indutores, cuja finalidade é atenuar, de forma proporcional, os pulsos de altas frequências. Tradicionalmente, as bobinas choke de modo comum têm sido construídas com núcleos de ferritas moles à base de MnZn. Entretanto, Naitoh et al. [10], realizando estudos experimentais, demonstraram que o núcleo de liga nanocristalina NANOPERM apresenta um desempenho superior ao núcleo de ferrita MnZn, em termos de atenuação, na faixa de frequência de 0,3 a 20 MHz, que compreende à faixa de operação das fontes chaveadas. Geralmente, nos transformadores flyback convencionais são utilizados núcleos de ferritas moles à base de MnZn dotados de entreferro. A ferrita, embora apresente baixas perdas por histerese e corrente parasita na faixa de frequência em torno de 20 a 50 khz, possui valor de indução de saturação baixo: 0,5 T a 50 khz. Por outro lado, comparadas com as ferritas, ligas nanocristalinas do tipo FINEMET possuem indução de saturação mais elevada, baixas perdas magnéticas e maior faixa de temperatura de uso. Para confirmar o desempenho da liga FINEMET face à ferrita em núcleo de transformadores flyback, Costa e colaboradores [11] projetaram e construíram um protótipo com núcleo de liga nanocristalina. Depois dos estudos experimentais concluíram que o emprego da liga nanocristalina no núcleo de transformadores flyback pode otimizar o desempenho dos conversores, reduzindo as perdas, em aproximadamente 2/3, e volume, em cerca de 3 vezes. A introdução de medidores eletrônicos de watt-hora bidirecionais é um dos dispositivos fundamentais para o desenvolvimento das redes inteligentes, especialmente em baixa tensão. Nesses medidores, o principal componente é o transformador de corrente (TC). Para que o erro de fase na medição causado pelo TC seja mínimo, o material empregado no núcleo deve possuir alta permeabilidade magnética, a exemplo das apresentadas pelas ligas Permalloy, ligas nanocristalinas e ligas amorfas à base de cobalto. 3. ESTUDO DE CASO 1: TRANSFORMADORES DE CORRENTE Um dos parâmetros mais importantes no projeto de sensores de corrente elétrica é a permeabilidade magnética do material usado no núcleo. Isto porque o valor elevado da permeabilidade magnética favorece diretamente o estabelecimento da indução magnética criada pela corrente elétrica a ser detectada. Para efeito de estudo comparativo, em termos de desempenho, foram avaliados dois transformadores de corrente, com núcleos toroidais confeccionados com materiais magnéticos diferentes, cujas características são apresentadas na Tabela 2. Tabela 2 Características dos materiais magnéticos. Composição B s (T) (60 Hz) Permeabilidade relativa máxima (60 Hz) Fe 73,5Si 13,5B 9Nb 3Cu 1 0, (3,0 A/m) Fe-3,2%Si 1, (23,0 A/m) As dimensões do núcleo toroidal nanocristalino do protótipo de transformador de corrente (TC) mostrado na Fig. 2 são as seguintes: diâmetro externo = 58,75 mm, diâmetro interno = 44,70 mm e altura = 20,00 mm. Figura 2. TC com núcleo de liga nanocristalina. Na Figura 3 é apresentado o protótipo de TC com núcleo de aço ao silício de grão orientado Fe-3,2%Si.

4 4 Tabela 3 Resultados dos ensaios para determinação do ângulo de fase. CARGA: 2,5 VA Ângulo de fase (minutos) CARGA: 5,0 VA Ângulo de fase (minutos) %I n2 FeSi Nanocristalino % I n2 FeSi Nanocristalino 10 8,5 2, ,5 2,8 25 6,6 1,9 25 7,8 2,2 50 5,3 1,5 50 6,0 1,6 Figura 3. TC com núcleo de liga Fe-3,2%Si. Os ensaios experimentais foram realizados no Laboratório do Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo, de acordo com a norma técnica brasileira NBR 6821 [12]. Nos ensaios foi empregado o método comparativo, no qual o circuito primário do TC sob ensaio é ligado em série com o do TC padrão. Antes da realização dos ensaios, os núcleos dos TC foram desmagnetizados, conforme os procedimentos descritos nos itens e da citada norma. Na figura 4 é apresentada uma fotografia da montagem experimental na qual podem ser observados: a fonte, à direita, o TC com núcleo de liga nanocristalina, ao centro, e o TC padrão, à esquerda, ambos alimentados pela corrente primária fornecida pela fonte, I 1. Figura 4. Montagem experimental. Na tabela 3 são apresentados os resultados dos ensaios experimentais realizados sob as seguintes condições: Corrente nominal primária, I n1 : 400 A; Corrente nominal secundária, I n2 : 5 A; Relação nominal dos TC: 80; Relação nominal do TC padrão: 80; Frequência nominal: 60 Hz; Fator térmico: 1, ,6 1,4 75 5,0 1, ,0 1, ,2 1, ,7 1, ,7 0,9 Conforme pode ser observado na Tabela 3, o TC com núcleo de liga nanocristalina apresentou significativa redução do ângulo de fase (erro de fase) quando comparado com o TC com núcleo de Fe-3,2%Si (material ferromagnético cristalino de grãos orientados), o que ficou comprovado mediante estudos analíticos, computacionais e experimentais realizados posteriormente por Luciano e seus colaboradores [13]. 4. ESTUDO DE CASO 2: SENSORES DE CORRENTE O princípio de funcionamento dos sensores de corrente elétrica baseia-se em duas leis fundamentais do eletromagnetismo: a Lei de Ampère e a Lei de Faraday. Adicionalmente, um dos parâmetros mais importantes no projeto de sensores de corrente elétrica é a permeabilidade magnética do material usado no núcleo. Isto porque o valor elevado da permeabilidade magnética favorece diretamente o estabelecimento da tensão induzida (Lei de Faraday) resultante da variação da indução magnética criada pela corrente elétrica (Lei de Ampère) a ser detectada. Sensores de corrente de fuga são utilizados em pararaios de ZnO, equipamentos largamente utilizados na proteção de redes de sistemas elétricos contra sobretensões causadas por descargas atmosféricas ou falhas causadas por manobras inadequadas de outros dispositivos conectados à rede. Em operação, é natural que a degradação das pastilhas de varistores de ZnO causem o envelhecimento desses materiais e alterem a sua capacidade como dielétrico. Portanto, o monitoramento da corrente de fuga pode ser usado como um indicador, em tempo real, do grau de degradação dos varistores e do próprio desempenho do pararaios de ZnO como elemento de proteção da rede. Alguns métodos não invasivos tem sido utilizados para o monitoramento dos varistores de ZnO, tais como: termovisão (medição da temperatura da coluna de varistores), medição da corrente de fuga total, medição da componente resistiva da corrente de fuga, medição da razão entre os valores de pico positivo e negativo da corrente de

5 5 fuga total, método da compensação diferencial capacitiva, método de compensação capacitiva diferencial virtual. Outros métodos foram propostos por Lira [14] em sua tese de doutorado, tais como: método do deslocamento de fase, método da compensação capacitiva em baixa tensão, método da demodulação em quadratura e o método computacional iterativo da medição de fase, mediante correlação cruzada discreta entre os sinais de corrente de fuga total e a tensão aplicada (em fase com a corrente resistiva). Sendo a permeabilidade magnética elevada o ponto chave para o projeto e realização de sensores de corrente de fuga em para-raios de óxido de zinco, Salach e colaboradores [15] propuseram o emprego da liga amorfa Co 64 Fe 4 Ni 1 Si 15 B 14 como alternativa ao uso de liga Permalloy em núcleos toroidais para esses tipos de sensores. Por outro lado, na Fig. 5 é apresentado o esquema representativo do sistema desenvolvido por Lira [14] para monitorar a corrente de fuga em para-raios de óxido de zinco, a partir do sensor indutivo com núcleo toroidal de liga nanocristalina. 5. CONCLUSÕES Atualmente, as ligas amorfas e as ligas nanocristalinas magneticamente moles têm sido empregadas em diversas aplicações eletroeletrônicas, desde baixas frequências, 50 Hz e 60 Hz, até frequências mais elevadas, na ordem de 200 khz; desde os micro-sensores, transformadores para sistemas de distribuição de energia elétrica, monofásicos e trifásicos, até transformadores de força. A combinação das excelentes propriedades magnéticas, elétricas, térmicas e mecânicas faz dos materiais nanocristalinos concorrentes das ligas Permalloy, ligas amorfas e ferritas em diversas aplicações na eletroeletrônica, nas quais a eficiência energética seja a figura de mérito preponderante. Particularmente, no contexto das redes inteligentes (smart grids), conforme ilustrados nos estudos de casos apresentados neste trabalho: transformador de corrente e sensores de correntes de fuga em para-raios de óxido de zinco. AGRADECIMENTOS Aos professores José Gutembergue de Assis Lira e Thiago de Carvalho Batista pelas sugestões e colaborações. 7. REFERÊNCIAS Figura 5. Esquema do sistema de monitoramento de corrente de fuga em para-raios de ZnO [14]. Nos estudos experimentais realizados por Lira [14] foram comparados os desempenhos de núcleos de ligas nanocristalinas, NANOPERM e FINEMET, com núcleos de FeSi, ferrita MnZn e NiFe. O que ficou evidenciado, a partir dos resultados obtidos, foi que as propriedades superiores das ligas nanocristalina as tornam adequadas para o emprego em núcleos toroidais de sensores de corrente de fuga corrente em para-raios de óxido de zinco. A possibilidade de transmissão dos sinais de corrente via RF, porta serial, cabo coaxial ou fibra ótica torna o sistema apresentado potencialmente aplicável em redes inteligentes. [1] Masumoto, T. Recent progress in amorphous metallic materials in Japan. Materials Science and Engineering A179/A180, p. 8-16, [2] Yoshizawa, Y.; Oguma S.; Yamamuchi, K. New Febased soft magnetic alloys composed of ultrafine grain structure. Journal of Applied Physics, vol. 64, p , [3] Makino, A.; Hatanai, T.; Naitoh, Y.; Bitoh, T., Inoue, A.; and Masumoto, T. Applications of nanocrystalline soft magnetic Fe-M-B (M=Zr, Nb) alloys NANOPERM. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 33, No. 5, p , [4] Luciano, B. A. Estudo de aplicações da liga Fe 78 B 13 Si 9 amorfa em núcleos de transformadores de baixa potência. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) Coordenação de Pós-Graduação, Universidade Federal da Paraíba, Campina Grande PB, Brasil, [5] Falcão, D. M. Minigeração e microgeração distribuída no contexto das redes elétricas inteligentes. In: Smart Grid Trends & Best Practices, Salvador BA, Brasil, Outubro [6] Willard, M. A.; Laughlin, M., D. E.; McHenry, M. E.; Thoma, D.; Sickafus, K.; Cross, J. O.; Harris, V. G. Structure and magnetic properties of (Fe 0,5 Co 0,5 ) 88 Zr 7 B 4 Cu 1 nanocrystalline alloys. Journal of Applied Physics, vol. 84, No. 12, p , [7] Makino, A. Nanocrystalline soft magnetic Fe-Si-B-P-Cu alloys with high B of T contributable to energy saving. IEEE Transactions on Magnetics, vol. 48, No. 4, p , [8] Makino, A.; Kubota, T.; Yubuta, K.; Inoue, A.; Urata, A.; Matsumoto, H.; Yoshida, S. Low core losses and magnetic properties of Fe Si 1-2 B 8 P 4 Cu 1 nanocrystalline

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