Caracterização de Transformadores com Núcleo de Metal Amorfo para Aplicação em Redes Monofásicas de Distribuição de Energia Elétrica

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1 Caracterização de Transformadores com Núcleo de Metal Amorfo para Aplicação em Redes Monofásicas de Distribuição de Energia Elétrica S. R. Silva, UFMG; F. H. Vasconcelos, UFMG; J. C. Ragone, CFLCL-CENF; M. F. Pinto, UFMG Resumo - Este trabalho busca avaliar o desempenho de transformadores de distribuição com núcleo magnético de metal a- morfo. Esses materiais, devido às caracterítsicas de sua estrutura molecular, apresentam perdas bem reduzidas quando submetidos a campos magnéticos alternados. Isso faz com que sua aplicação em máquinas elétricas - em particular transformadores - seja bastante promissora. Sendo de desenvolvimento relativamente recente, somente agora estão começando a ser empregados em escala mais ampla. Assim, os custos de produção são ainda elevados quando comparados aos dos transformadores fabricados com núcleo de aço silício. Entretanto, dependendo das características das cargas que irá alimentar consumidores com perfil sazonal como os do setor rural - o alto custo inicial poderá ser diluído ao longo do tempo, devido a diminuição nas perdas com o equipamento operando em vazio. A metodologia empregada neste trabalho envolveu a construção de 1 protótipos que estão sendo periódicamente submetidos a ensaios laboratoriais, para determinação das perdas em vazio e em curto-circuito, da corrente de magnetização e da suportabilidade a grandes esforços. Este trabalho trouxe ainda como ganho adicional informações sobre diretrizes organizacionais e técnicas para laboratórios de ensaios de transformadores, objetivando a obtenção de certificado de conformidade junto aos organismos competentes. Palavras-chave Eficiência / Núcleos de metal amorfo / Perdas magnéticas / Transformadores. I. INTRODUÇÃO O sistema de distribuição de energia nas áreas rurais, em geral, apresenta custo de operação mais elevado para as companhias devido a sazonalidade de suas cargas. Nessas condições, os transformadores fabricados com materiais tradicionais aço silício - as perdas tornam-se bastante significativas pelo fato de os mesmos operarem durante a maior parte do tempo em condições de carga muito pequena ou nula. A corrente total absorvida do sistema tem uma parcela absolutamente preponderante devido à corrente de magnetização, o que faz com que as perdas no material magnético Este trabalho foi possível graças ao apoio da Companhia Força e Luz Cataguazes-Leopoldina. S. R. Silva é professor titular do Departamento de Engenharia Elétrica da UFMG ( selenios@eee.ufmg.br). F. H. Vasconcelos é professor adjunto do Departamento de Engenharia Elétrica da UFMG ( fvasc@cpdee.ufmg.br). J. C. Ragone é Engenheiro Eletricista da Companhia Força e Luz Cataguazes-Leopoldina ( cataguazes@cataguazes.com.br). M. F. Pinto é aluno de graduação do Curso de Engenharia Elétrica da UFMG ( maxwell@campus.cce.ufmg.br). devido à histerese magnética e às correntes de Foucalt sejam bem superiores às perdas Joulicas, no enrolamento do transformador. Ao final dos anos 197 foi anunciada a descoberta de um novo tipo de material, que embora seja um metal possui estrutura amorfa, característica dos vidros. É produzido a partir de resfriamento súbito aplicado a ligas de metais magnéticos no estado líquido como ferro, níquel e/ou cobalto agregado a elementos como fósforo, silício, boro e algumas vezes carbono, que assim não conseguem cristalizar-se como os outros metais. O material amorfo é produzido borrifando-se o metal líquido na forma de um jato contínuo sob alta pressão em uma superfície que se move rapidamente, tal como a de uma grande roda metálica. O material assim produzido sai na forma de fitas finas. Além disso, logo se percebeu que dependendo do metal do qual era derivado, o novo material preservava as propriedades magnéticas originais. Esse fato trazia perspectivas altamente auspiciosas, tendo em vista que a estrutura amorfa seria, no mínimo, um mal-condutor de corrente elétrica. Essa característica tornava plausível a expectativa de uma sensível diminuição das perdas causadas pela circulação de correntes parasitas (ou de Foucault). Porém, até algum tempo atrás as ligas produzidas tinham possibilidades reduzidas de emprego em núcleos de transformadores, devido aos baixos índices de magnetização a- presentados. Nos últimos anos grandes melhorias foram conseguidas e hoje já existem ligas disponíveis comercialmente para vários tipos de aplicações, as quais apresentam muitas vantagens sobre os materiais tradicionais. Um exemplo é a liga cujas curvas de magnetização são apresentadas na figura 1. Essa liga apresenta perdas bem mais baixas do que a do açosilício de grão orientado, tradicionalmente usados em transformadores, conforme pode ser deduzido da análise do gráfico citado. Assim, espera-se que a utilização deste equipamento contribua para a redução de perdas, além de outros benefícios correlatos, tais como a diminuição da necessidade de investimentos para aumento da geração de energia, além da conservação de energia. O impacto ecológico ainda precisa ser mais bem compreendido.

2 II. ENSAIOS EM TRANSFORMADORES Segundo a ABNT, o transformador é um equipamento elétrico que, por indução magnética, transforma tensão e corrente alternada, entre dois ou mais enrolamentos, com a mesma freqüência e, geralmente, com valores diferente de tensão e corrente [NBR-5356]. Sendo um dispositivo estático que pode trabalhar em condições (de temperatura e pressão) superiores às do ambiente devido à energia que é dissipada, suas propriedades devem estar numa gama de valores que garantam um perfeito funcionamento dos seus componentes. Através da realização de ensaios as condições de funcionamento, a eficiência e a capacitação de um transformador são verificadas. Os ensaios são procedimentos de avaliação de um transformador, executados nas instalações do fabricante ou em outro laboratório devidamente credenciado. Os ensaios aplicados em transformadores de potência (ou distribuição) podem ser classificados em três tipos básicos: Figura 1. Curvas de magnetização típicas para a liga METGLAS 2SA1. Os baixos valores de perdas, se por um lado são altamente comemorados quando se pensa no aumento da eficiência dos equipamentos, por outro causa grandes dificuldades durante a realização dos ensaios de rotina a que todos são os transformadores são submetidos por norma. Assim, é necessário que os laboratórios de ensaios revejam seus métodos de trabalho, tendo em vista o fato de que terão de trabalhar em uma situação muito mais crítica. Em sintonia com o momento atual, o laboratório de ensaios de transformadores da UFMG está também sendo submetido a um amplo processo de reformulação. Métodos e técnicas estão sendo revistos, instrumentos estão sendo calibrados e equipamentos passando por uma grande verificação a luz dos documentos de qualidade ISO-1725, de maneira a se adequar para este trabalho de pesquisa envolvendo transformadores construídos com núcleos de metal amorfo. Este artigo descreve resultados encontrados em um estudo, ainda em fase preliminar, que está sendo efetuado para embasar o uso de metal amorfo no núcleo de transformadores para o sistema de distribuição de energia nas áreas rurais. Além disso, enfoca também, através do estudo de um caso exemplo, os cuidados que os laboratórios de ensaios devem observar para que os ensaios de rotina que venham a ser efetuados neste tipo de equipamento tenham a confiabilidade necessária para atenderem aos quesitos de qualidade aceitos internacionalmente. A. Ensaios de Rotina São feitos pelo fabricante ou laboratório credenciado em todos os transformadores a serem vendidos. Estão subdivididos em: Resistência elétrica dos enrolamentos Relação de tensões Resistência do isolamento Polaridade Deslocamento angular Sequência de fases Perdas em vazio e corrente de excitaçã Perdas em carga e impedância de curto-circuito B. Ensaios Dielétricos Tensão induzida Tensão Aplicada Estanqueidade e resistência à pressão À frio À quente C. Ensaios de tipo Esses ensaios são realizados em uma amostra do grupo de transformadores. O comprador especifica o tamanho do lote que será sujeito aos testes. Estão subdivididos em: Elevação de temperatura Tensão suportável nominal de impulso atmosférico Nível de ruído Ensaio no óleo isolante D. Ensaios especiais Esses são ensaios realizados em uma amostra pequena de transformadores quando existe alguma desconfiança sobre a performance ou eficácia dos mesmos. São geralmente ensaios destrutivos. A partir dos ensaios, pode-se diagnosticar se os transformadores sendo adquiridos corresponderão às expectativas do comprador. A realização dos ensaios é definida pela norma NBR 5356 e NBR 5. Apesar de existirem regras para a sua execução, a realização e interpretação dos resultados provenientes dos ensaios ainda é uma questão complexa. III. AVALIAÇÃO INICIAL DAS CARACTERÍSTICAS DE TRANSFORMADORES DE NÚCLEO AMORFO A partir de uma pesquisa bibliográfica sobre metais amorfos e transformadores com núcleo amorfo é possível sintetizar as principais propriedades destes materiais para aplicação em projeto e construção de transformadores de distribuição, apresentadas a seguir:

3 A. Propriedades dos Transformadores com Núcleo de Metal Amorfo 1) Perdas e Eficiência Os metais amorfos apresentam características magnéticas conhecidamente favoráveis ao estabelecimento de indução magnética. O ciclo de histerese do material é estreito e alta permeabilidade magnética é encontrada. Estas propriedades garantem um projeto de um circuito magnético com baixas perdas no ferro, portanto perdas a vazio reduzidas, baixa corrente de magnetização e alta eficiência em ampla faixa de potência. A tabela I mostra uma comparação entre transformadores de núcleo de metal amorfo e transformadores de núcleo de aço-silício. TABELA I COMPARAÇÃO ENTRE TRANSFORMADORES DE NÚCLEO DE METAL AMORFO COM OS TRANSFORMADORES DE NÚCLEO DE AÇO-SILÍCIO Características Metal amorfsilício Aço- Potência (kva) Tensão primária (V) Tensão Secundária (V) /15 /15 Peso (kg) Dimensões (LxDxH) 59x515x 57x95x (mm 3 ) 76 Corrente de excitação (%).52.1 Perdas a Vazio (W) ) Espessura das Lâminas Os metais amorfos admitem uma espessura nominal das lâminas do núcleo da ordem de magnitude de aproximadamente 1 vezes menor que os materiais comerciais, como o ferro-silício. Esta é uma das razões pelas quais eles apresentam baixos valores de perdas no núcleo. Entretanto, um maior número de laminações implica em aumento dos custos de produção. Cortar estes materiais requer técnicas avançadas e perícia, visto se tratar de um material com alto grau de dureza. 3) Dureza Os metais amorfos são extremamente duros, da ordem de vezes maior que os aços usados como materiais elétricos convencionais. Esta característica além de dificultar sua laminação também a torna variável, uma vez que não é possível garantir a mesma espessura durante todo o corte da lâmina. As ferramentas de corte não possuem grau de exatidão estável, desregulando-se durante o processo. ) Fator de Empilhamento A combinação das características de alta dureza, lâminas de espessura muito baixa e variável, com superfície rugosa, contribuem para um fator de empilhamento baixo, da ordem de 8%, comparado com 95% dos aços usados como materiais elétricos convencionais. Consequentemente, a área de seção reta do núcleo destes transformadores é cerca de 18% maior que dos transformadores com núcleo de ferro-silício. 5) Efeito de Recozimento Aços elétricos convencionais por serem magneticamente orientados têm stress elástico em condições bem menos rigorosas que o metais amorfos. Estes, por não serem, a priori, magneticamente orientados e por terem elevado stress elástico introduzido durante o processo de fabricação devem ser imperativamente recozidos. O recozimento na presença de um campo magnético longitudinal melhora significantemente suas propriedades magnéticas, tais como indução de saturação, força coerciva, perdas ativas e potência de excitação, promovendo a relaxação estrutural do material. O alto stress interno das ligas amorfas é resultado da solidificação rápida, não permitindo a formação de cristais no material e deixando-o instável. A relaxação estrutural obtida pelo tratamento térmico e magnético realizado durante o recozimento em temperaturas abaixo da cristalização, leva o material a um estado semi-estável. Entretanto, ele reduz a ductibilidade do material, deixando-o mais rígido e quebradiço. 6) Indução de Saturação Os materiais amorfos têm em geral uma composição de 8% de ferro e 2% de boro. Esta composição leva estes materiais a terem uma indução de saturação 2% menor quando comparado aos materiais de ferro puro para mesma temperatura. De fato, tanto o aumento da temperatura, quanto o aumento de Boro + Silício na liga amorfa, diminuem sua indução de saturação crescentemente. 7) Magnetostricção A alteração das dimensões físicas de um material magnético quando magnetizado causa ruído e/ou perdas no núcleo. Ligas amorfas baseadas em ferro exibem uma magnetostricção linear de saturação comparável às do ferro-silício de grão orientado, assim como os níveis de ruído de ambas as ligas são praticamente os mesmos. 8) Massa e Volume Em decorrência do aumento na área de seção reta, conseqüência do maior fator de empilhamento, o volume dos transformadores com núcleo de material amorfo é maior que os de ferro-silício em mais de 15%. Em função da menor indução de saturação dos materiais amorfos, novamente é necessário aumento da área de seção reta do núcleo para que se tenha o mesmo valor de fluxo magnético, o que implica em maior quantidade de material necessário para sua construção. A conseqüência direta disso é o aumento da massa do núcleo do transformador (em média 15%). IV. ANÁLISE DAS CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO DO LABORA- TÓRIO Neste período foram iniciadas as atividades de reestruturação do Laboratório de Ensaios em Transformadores (LET). Assim foram avaliadas as condições dos circuitos de potência e comando do laboratório e iniciadas alterações nestes circuitos com o objetivo de adequa-los e aprimorar suas instalações. O circuito de potência, principalmente no que tange aos cabos de entrada, encontra-se então sendo refeito e um procedimento de manutenção de todo o circuito de comando (chaves e contatores) encontra-se em curso. Em paralelo com a manutenção, estão sendo obtidas as formas de onda de tensão em diversos pontos do circuito de potência e em diversas amplitudes de tensão, para avaliar a qualidade de tensão no laboratório. Procura-se neste caso avaliar os níveis de distorção harmônica e, posteriormente,

4 garantir níveis mínimos estabelecidos em normas para instalações deste tipo. A figura 2 ilustra um dos resultados obtidos, indicando uma taxa de distorção harmônica total igual a,66%. A figura 3 mostra o espectro harmônico desta tensão medida. Medidas para aprimorar a qualidade de tensão do LET estão sendo avaliadas. Forma de Onda Tensão [V] Tempo [s] Figura 2. Forma de onda da tensão no LET utilizada em ensaios de transformadores Amplitude [pu] Amplitude dos Harmônicos Ordem dos Harmônicos Figura 3. Espectro harmônico da onda de tensão da figura anterior V. ENSAIOS NOS TRANSFORMADORES PROTÓTIPOS Foram construídos 1 transformadores monofásicos com núcleo de metal amorfo sendo, cinco deles de 1kVA e os outros cinco de 25kVA. Todos eles foram rigorosamente testados no Laboratório de Ensaio de Transformadores a síntese do seu comportamento é abaixo transcrita nos gráficos mais característicos obtidos a partir dos ensaios em curto-circuito e a vazio. 1) Ensaio a Vazio Os ensaios a vazio foram efetuados em diversos níveis de tensão, entre % e 11% dos valores nominais, com objetivo de avaliar o impacto da avriaçào de tensão sobre as perdas no núcleo magnético, corrente de excitação e fator de potência a vazio. Assim, além de identificar as dispersões dos valores entre os diversos protótipos, busca-se corroborar os resultados obtidos com as expectativas teóricas. A figura ilustra o comportamento das perdas no núcleo magnético para os diversos transformadores de 1kVA, indicando pequena dispersão entre os valores de perdas para diversos valores de tensão. As figuras 5 e 6 ilustram a corrente de excitação e o fator de potência desta corrente, indicando comportamento ligeiramente diferente eentre os diversos protótipos. Verifica-se variações grandes de fator de potência em baixas tensões aplicadas e significativas variações de corrente de excitação em tensões próximas à nominal. Corrente de Excitação (%) Perdas no Núcleo (W) Ensaios a Vazio - Trafos de 1kVA 6 5 Figura. Perdas no núcleo em função da tensão aplicada Ensaio a Vazio - kva Figura 5. Corrente de Excitação em função da tensão aplicada Fator de Potência (%) Ensaio a Vazio - Trafo de 1kVA 5 Figura 6. Fator de Potência em função da tensão aplicada 1 2) Ensaio em Curto-Circuito Os ensaios em curto-circuito foram efetuados para corrente aplicada variando ente 5% e 11% dos valores nominais. As figuras 7, 8 e 9 ilustram o comportamento das perdas nos enrolamentos, resistência dos enrolamentos e fator de potência, indicando um comportamento com pouca dispersão de valores entre os diversos protótipos.

5 Perdas nos Enrolamentos (W) Ensaios em Curto - Trafos de 1kVA Figura 7. Perdas no núcleo em função da corrente de curto-circuito Resistência do Enrolamento (%) Ensaio em Curto - kva Figura 8. Resistência do Enrolamento em função da corrente de curtocircuito [2] Luiz Amaro Rodrigues Feio, O Transformador, Porto Alegre, [3] David Jiles, Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, Editora Chapman & Hall, Londres, 1991, ISBN ; [] S.R. Elliot, Physics of Amorphous Materials, 2nd edição, Ed. Longman Scientific & Technical, 199, ISBN X Artigos em Anais de Conferências (Publicados): [5] E.L. Boyd e J.D. Borst. Design concepts for an amorphous metal distributions transformer, IEEE Trans. Om Power Apparatus & Systems, vol. PAS-, no.11, pp33-72, 198. [6] B. A. Luciano. Algumas Considerações sobre a realização de Transformadores com Núcleos de Ligas Amorfas ; Anais do V SEMEL, vol.1, pp.3-91; [7] D. Raskin & L. A. Davis. Mettalic glasses: a magnetic alternative ; IEEE Spectrum, Nov/1981; pp [8] G. E. Fish. Soft Magnetic Materials, Proceedings of The IEEE, Vol.78, No.6, June/199, pp [9] H. W. Ng; R. Hasegawa; A.C. Lee & L. A. Lowdermilk, Amorphous Alloy Core Distribution Transformers, Proceedings of The IEEE, Vol., No.11, Nov/1991, pp Normas: [1] NBR5356 Transformador de potência EB91, 1993 [11] NBR15 Transformadores de potência secos EB1818, 1987 [12] NBR5 Transformadores para redes aéreas de distribuição - Padronização PB99 Ensaio em Curto - kva Fator de Potência (%) Figura 9. Fator de Potência em função da corrente de curto-circuito É importante lembrar que, destes 1 transformadores, 8 foram escolhidos para instalação em campo, e encontram-se junto aos clientes rurais da Companhia Cataguazes- Leopoldina. Os procedimentos de análise contemplam ainda testes periódicos em laboratório, onde será avaliada a evolução de suas características e seu comportamento ao longo dos anos de vida útil. VI. CONCLUSÕES A viabilidade econômica do uso de material amorfo em núcleo de transformadores é inequívoca. Suas virtudes superam em muito seu grande defeito: custo de produção. Espera-se para muito breve um sensível barateamento nos custos de produção dos metais amorfos em razão do fim dos direitos de patentes. Com custo de produção competitivo, é certo esperar por este equipamento inundando o mercado de distribuição de energia não só na área rural, como também na rede de distribuição urbano, pois não há absolutamente não que impeça o emprego do metal amorfo em núcleo de transformadores trifásicos. VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Livros: [1] E.E. Staff of M.I.T., Magnetic Circuits and Transformers, 15th Edition, The M.I.T. Press, Cambridge, 19.