A INFLUÊNCIA DO DIMENSIONAMENTO CORRETO DOS TRANSFORMADORES NA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA

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1 A INFLUÊNCIA DO DIMENSIONAMENTO CORRETO DOS TRANSFORMADORES NA CONSERVAÇÃO DA ENERGIA Antonio Soares Pereto Engenheiro Industrial - modalidade Elétrica pela FEI (1969). Pósgraduado em Administração de Empresas pelo Mackenzie (1978). De 1989 até o presente, Engenheiro Elétrico. Superintendente Eletromecânico e Gerente da Divisão de Controle de Empreendimentos da SABESP. Endereço: Rua Jacurici, bloco 4 - apto Itaim Bibi - São Paulo - SP - CEP: Brasil - Tel: (011) apereto@sabesp.com.br RESUMO Em geral, os gastos com energia elétrica nas empresas de saneamento básico ocupam o segundo lugar como maior despesa operacional, perdendo apenas para os gastos com folha de pagamento. Em vista disto, torna-se fundamental a utilização correta deste insumo para evitar desperdícios de energia e economizar o máximo possível no sentido de se obter um maior rendimento da instalação elétrica. Certos focos são comuns com relação a estes tipos de desperdícios, tais como: contratos com concessionárias de energia elétrica mal elaborados, não aplicação das tarifas horosazonais, perdas nos cabos elétricos, perdas nos motores elétricos, baixo fator de potência, descontrole da demanda de energia, iluminação deficiente através de lâmpadas de baixo rendimento e perdas excessivas em transformadores mal dimensionados. As perdas nos transformadores ocorrem na transferência de energia, o que afeta substancialmente a conservação da mesma. Estas perdas dependem das características construtivas e qualitativas do equipamento. Este trabalho abordará a curva de rendimento dos transformadores em função do seu carregamento, podendo-se observar a faixa mais adequada para utilização destes aparelhos e a tabela de perdas. Serão também analisadas duas situações reais de instalações de transformadores onde, através de mudanças nos sistemas de funcionamento de transformadores, foram obtidas economias significativas nos gastos de energia elétrica. PALAVRAS-CHAVE: Transformadores, Dimensionamento Correto, Economia de Energia. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2110

2 INTRODUÇÃO A finalidade dos transformadores é transferir energia elétrica de um circuito para outro, mantendo sempre a mesma freqüência e, normalmente, variando os valores da tensão e da corrente elétrica. A transferência dessa energia é sempre acompanhada de perdas, que dependem do tipo e tecnologia de construção dos transformadores e de seu regime de funcionamento. Nas instalações são utilizados os mais diversos tipos de transformadores, tipos esses que variam com suas potências elétricas nominais, tensões primárias, tensões secundárias, número de fases primárias e secundárias (transformadores monofásicos e trifásicos) e sistemas de isolação, tais como: transformadores a seco ou a óleo mineral; sistema de refrigeração natural forçada com bombeamento do óleo mineral e com uso de ventiladores externos. Para reduzir gastos com energia elétrica, por ser uma das maiores despesas operacionais da Companhia, a SABESP vem desenvolvendo um Programa para Racionalização do Uso, que contempla análises sobre todas as formas de utilização deste insumo, revendo desde procedimentos operacionais até os critérios de projetos e especificações de equipamentos. Para revisão de especificações de equipamentos, o transformador vem sendo tratado como um dos principais itens a ter seus critérios de dimensionamento revisto, visando a melhoria da Eficiência Energética dos sistemas SABESP, já que a mesma possui atualmente uma potência de 600 MVA em transformadores instalados, gerando perdas, desperdícios e investimentos desnecessários. Considerando esta potência instalada e a forma como vem sendo utilizada, estudos especializados efetuados pela SABESP Superintendência de Manutenção Guarapiranga - têm demonstrado a importância do dimensionamento correto dos transformadores, visando não apenas ao atendimento da ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas, mas também à Conservação de Energia Elétrica que, através da redução das perdas, melhora sensivelmente a eficiência energética dos sistemas elétricos. PERDAS NOS TRANSFORMADORES As perdas no cobre e as perdas no ferro são as mais consideráveis. As perdas no ferro são determinadas pelo fluxo estabelecido no sistema magnético e são constantes para cada transformador. Tais perdas ocorrem sempre que um transformador é ligado à rede e independem da carga que está sendo alimentada; as características construtivas do transformador interferem diretamente no valor das perdas no ferro, também conhecidas como perdas em vazio, provocadas pelas perdas no circuito magnético por histerese e correntes de Foucault. As perdas no transformador devido ao efeito Joule são conhecidas como perdas no cobre e são proporcionais ao quadrado da corrente elétrica, que circulam pelos enrolamentos e dependem da carga que está sendo alimentada. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2111

3 Para reduzir o consumo de energia elétrica por efeito Joule, quando existirem nas instalações vários transformadores, distribui-se as cargas de modo a otimizar o carregamento médio de cada transformador, reduzindo-se as correntes elétricas máximas dos transformadores muito carregados e aumentando-se as correntes dos poucos carregados. RENDIMENTO DOS TRANSFORMADORES O rendimento geralmente é elevado, principalmente se o transformador é de boa qualidade. As perdas podem parecer baixas em relação à potência elétrica nominal do transformador, porém, o consumo provocado pelas perdas torna-se significativo quando comparado com o consumo da instalação total, pois os transformadores normalmente permanecem ligados o tempo inteiro na instalação. A curva de rendimento dos transformadores em função do seu carregamento, levantada pelos diversos Laboratórios Oficiais e Laboratórios de Fabricante, é mostrada no gráfico 1 abaixo: Gráfico 1: Rendimento (%) Carga (%) o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2112

4 Tabela de Perdas. POTÊNCIA PERDAS NO FERRO (W) PERDAS TOTAIS (W) , Analisando-se as perdas do transformador de 1500 kva, temos: Perdas no ferro = 2.500W Perdas no cobre = W (a plena carga) Perdas totais = W Se o transformador trabalha à meia carga, as perdas passariam para as seguintes: Perdas no ferro = 2.500W Perdas no cobre = 5.700W Perdas totais = 8.200W EXEMPLO N o 1 Uma instalação trabalha com um transformador de 500kVA, ligado 24 horas por dia o ano inteiro. Durante a jornada de trabalho de 8 horas, o carregamento é de. A instalação não trabalha aos sábados e domingos, permanece fechada 6 feriados por ano e proporciona férias coletivas de 30 dias (1 mês) a todos os funcionários. Pretende-se desligar o transformador nos períodos fora de jornada de trabalho. A instalação se enquadra no sub-grupo A4, Tarifa Convencional, aos seguintes preços Portaria DNAEE/96 DE 07/04/97: R$ 4,96/kW Consumo: R$ 72,60/MWh Perdas no ferro, trafo 500kVA = 1.350W ICMS: 18% Situação 1: Consumo mensal: Perdas no trafo: x 8h x 22dias = 35.h 1,35kW x (16h x 22 dias + 24h x 8 dias) = 734,4kWh 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2113

5 Consumo mensal total: ,4 = ,4kWh = 35,9344 MWh Gastos com Energia Elétrica: x R$ 4,96 = R$ 992,00 35,9344 MWh x R$ 72,60 = R$ 2.608,84 ICMS = (992, ,84) x 18/(100 18) = R$ 790,43 Total: R$4.391,27 Situação 2: Consumo mensal: 35.h Gastos com energia elétrica: x R$ 4,96 = R$992,00 35,2MWh x R$72,60 = R$2.555,52 ICMS = (992, ,52 x 18/(100 18) = R$778,72 Total: R$4.326,24 Economia = R$4.391,27 R$4.326,24 = R$65,03 Observação: a) Para um transformador construído há mais de 40 anos, as perdas que eram conseguidas na época eram as seguintes: Perdas no ferro = 2,6kW Perdas no cobre = 7,8kW (a plena carga) b) Examinando-se a economia possível e considerando-se a troca do transformador de mais de 40 anos de 500kVA por um novo sistema de 300kVA: Situação 1: Consumo: x 8h x 22 dias = 35.h 2,6kW x (16h x 22 dias + 24h x 8 dias) = 1.414,40kWh Gastos com Energia Elétrica: x R$4,96 = R$992,00 36,6144MWh x R$72,60 = R$2.658,21 ICMS = (992, ,21) x 18/(100 18) = R$801,27 Total = R$4.451,48 Situação 2: Consumo mensal: x 8h x 22 dias = 35.h Gastos com Energia Elétrica: R$4.326,24 Economia = R$4.451,48 R$4.326,24 = R$125,24 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2114

6 EXEMPLO N o 2 NOTA: Exemplo retirado do Manual Auto-avaliação dos Pontos de Desperdício de Energia Elétrica na Indústria, da Agência para Aplicação de Energia. Uma indústria possui 2 transformadores idênticos com as seguintes características: Potência Nominal = 500kVA Tensão Secundária = 380V Perdas no Ferro = 1.350W Perdas Totais = 6.700W Perdas no Cobre = = 5.350W Corrente Nominal dos transformadores: In = 500 x 1000/ 3 x 380 = 760 A Correntes medidas nos transformadores (em média): Trafo 1 = In1 = 720 A Trafo 2 = In2 = 240 A Correntes medidas nos transformadores após o remanejamento das cargas: Trafo 1 = Ir1 = 500 A Trafo 2 = Ir2 = 460 A R1 = Pc [(I 2 n I 2 R1)/I 2 Nr1] R1 = [ )/760 2 ] = 2.486W R2 = [ )/760 2 ] = W Tempo médio mensal de operação = 730h/mês Potencial de economia nas perdas no cobre: E1= x 730/1000 = 1.815kWh/mês E2= x 730/1000 = kWh/mês NOTAS FINAIS O Brasil está atualmente com uma potência instalada (capacidade geradora) de aproximadamente MW. Estima-se que para transportar, distribuir e consumir a potência acima, são necessários cerca de MVA de transformadores. Extrapolandose a economia conseguida com melhor dimensionamento e melhor operação de um transformador de 500kVA para os kVA acima mencionados, podemos conseguir reduções de gastos altamente expressivos. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2115

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. Manual Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica, CEMIG Cia. Energética de Minas Gerais. 2. Manual Auto Avaliação dos Pontos de Desperdício de Energia Elétrica na Indústria, Agência para Aplicação de Energia. 3. Catálogos de Transformadores, TUSA, ABB e WEG. 4. Manual Procedimentos para Projetos e Implantação de Instalações Elétricas, SABESP Cia de Saneamento Básico do Estado de São Paulo. 5. Boletim Informação sobre Uso Racional de Energia, Edição 48 agosto / setembro-1998 Agência para Aplicação de Energia. 6. Tarifas de Fornecimento de Energia Elétrica, ELETROPAULO. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 2116