ANÁLISE DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DO TRANSFORMADOR DE DISTRIBUIÇÃO COM METAL AMORFO

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1 ANÁLISE DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DO TRANSFORMADOR DE DISTRIBUIÇÃO COM METAL AMORFO Me. Marco Antônio Ferreira Finocchio 1 Engenheiro Eletricista UTFPR, Campus Cornélio Procópio. mafinocchio@utfpr.edu.br Dr. Marcio Mendonça 2 Engenheiro Eletricista UTFPR, Campus Cornélio Procópio. mmendoncautfpr@gmail.com Me. Jancer Zanini Destro 3 Engenheiro Eletricista UTFPR, Campus Cornélio Procópio. frank@utfpr.edu.br Lucas Fidelis Monteiro Gonçalves 4 Acadêmico em Engenharia de Controle e Automação UTFPR, Campus Cornélio Procópio. lucasfidelis@live.com Resumo: Este artigo apresenta o transformador de distribuição de núcleo amorfo como uma solução para melhorar a eficiência energética dos sistemas de distribuição. Todo sistema de energia tem como necessidade básica a sua capacidade de eficiência energética. A maioria das perdas na rede de energia é gerada pelo transformador de distribuição. Dentre as desvantagens dos transformadores de distribuição tradicionais está o núcleo de aço silício. Por isso a importância de se pesquisar novas tecnologias. Assim, o núcleo de metal amorfo apresenta-se como uma alternativa ao núcleo de aço silício convencional nos transformadores. Os transformadores de distribuição com metal amorfo (TDMA) reduzem a perda do núcleo sem carga e a emissão de gases perigosos. Apresentando alta eficiência, confiabilidade, flexibilidade, menor peso e baixo nível de ruído. Este estudo aborda ainda uma discussão sobre o impacto no meio ambiente e a viabilidade econômica do TDMA. Os materiais amorfos são encontrados de forma abundante. Tal abordagem pretende acelerar a utilização da liga amorfa nos TDMA. Palavras-chave: Metal amorfo, perda sem carga, transformador de distribuição. ANALYSIS OF ENERGY EFFICIENCY OF DISTRIBUTION TRANSFORMER WITH METAL AMORPHOUS Abstract: This paper presents the amorphous core distribution transformer as a solution to improve the energy efficiency of distribution systems. Every energy system has the basic need their energy efficiency capacity. Most of the losses in the power grid is generated by the distribution transformer. Among the drawbacks of traditional distribution transforme is the silicon steel core. Therefore the importance of researching new technologies. Thus, the amorphous metal core is presented as an alternative to conventional silicon steel core in transformers. Distribution transformers with amorphous metal (DTAM) Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - outubro de página 1 de 10

2 reduce the loss of core unloaded and the release of hazardous gases. Presenting high efficiency, trustworthiness, flexibility, lower weight and low noise. This study also deals with a discussion of the impact on the environment and the economic viability of DTAM. Amorphous materials are found in abundance. This approach aims to accelerate the use of amorphous alloy in DTAM. Keywords: amorphous metal, no-load loss, distribution transformer. 1. INTRODUÇÃO Contexto atual no Brasil em eficiência energética está caótico, investimentos na geração e distribuição estão carentes e, deste modo soluções como cogeração, eficiência energética podem contribuir com uma importante fatia nessa crise energética. Este trabalho sugere uma alternativa na distribuição de energia com transformadores de núcleo amorfo. A evolução de ligas amorfas em núcleos de transformadores teve início em Porém, sua introdução para fins elétricos, só ocorreu em 1976, quando o primeiro transformador de distribuição com núcleo de material amorfo (TDMA) foi construído no Laboratório Lincoln, do MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts), (RASKIN, 1981). A redução das perdas e desperdícios do equipamento está associada ao aumento da eficiência energética nos sistemas de energia, estratégia para divulgação e o desenvolvimento dos TDMA que está em prática nos Estados Unidos e no Japão (HASEGAWA, 1991). Isto ocorre devido ao crescente aumento do preço da energia proveniente das fontes não renováveis, como o petróleo, e a alta do custo dos materiais dos núcleos e condutores dos transformadores de distribuição com grão orientado (TDGO). O aumento da indução de saturação (B s ) para 1,65T e a diminuição da força coercitiva (H c ) das ligas amorfas para próximo de 1A/m, gerou uma diminuição de tamanho e preço do TDMA, tornando-os competitivos com relação aos TDGO (HASEGAWA, 2008). No Brasil, os primeiros estudos e ensaios experimentais sobre a aplicação de ligas amorfas em núcleos de transformadores tiveram origem no ambiente acadêmico, passando, em seguida, para a montagem em unidades industriais em fábricas de transformadores e instalações em sistemas de distribuição de energia elétrica (LUCIANO, 1998) e (CAVALCANTI, 2001). O Brasil tem cinco fábricas de TDMA a preços equivalentes aos TDGO (LUCIANO, 2010). As perdas no núcleo são encontradas executando-se o ensaio a vazio, no qual o transformador fica em circuito aberto. É usual e mais seguro realizar este ensaio através do enrolamento de mais baixa tensão existente (KOSOW, 2005). Neste teste, a queda de tensão na impedância de dispersão causada pela corrente de excitação é normalmente desprezível (DEL TORO, 1999). Dessa forma, a potência de entrada é igual à perda do núcleo, para fins práticos do ensaio. Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - outubro de página 2 de 10

3 Os equipamentos de energia com metal amorfo são ideais para aplicações nas áreas de energias renováveis, como parques eólicos e fotovoltaicos, uma vez que operam normalmente com 20 a 40% nas condições de baixa carga. A composição do metal amorfo atualmente utilizado em projetos de sistemas de energia elétrica é o Fe 78 B 13 Si 9. O processo de fabricação envolve elevação de sua temperatura até a fusão seguida de um brusco resfriamento do metal líquido, na ordem de 10 6 K/s (LUCIANO, 2010). Metais amorfos admitem fabricação de laminas com espessuras de até 0,025mm, aproximadamente 10 vezes mais finas que as feitas por materiais comerciais (NG, 1991). Geralmente as ligas metálicas possuem estrutura atômica cristalina que átomos individuais estão dispostos de forma ordenada em um padrão repetido. Mas o metal amorfo é um material metálico que apresenta uma estrutura atômica distorcida. As ligas amorfas tendem a ser mais forte do que as ligas cristalinas de composição química semelhante. Nos últimos anos, ocorreu uma grande mudança global no setor de energia elétrica. O núcleo de metal amorfo está atraindo a atenção devido a sua função de destaque na aplicação de transformadores de distribuição. Os transformadores distribuição são responsáveis pela maior parte das perdas na rede elétrica de energia. Por este motivo o interesse em testar a eficácia de materiais diferentes num transformador. Neste contexto, uma alternativa para substituir o uso de aço de silício no núcleo é o uso de metal amorfo. Os transformadores de distribuição são equipamentos eficientes frequentemente operando com eficiências de até 99% com baixa perda de energia. Devido ao material do núcleo ser continuamente magnetizado e desmagnetizado, os transformadores representam um grande número perdas de energia. Transformadores de núcleo de metal amorfo são muito mais eficientes, confiáveis, ambientalmente corretos e flexíveis do que o núcleo tradicional. A redução significativa das perdas no transformador pode ser feita utilizando núcleo de metal amorfo nos transformadores de distribuição. Com a concepção melhorada do transformador pode-se reduzir as perdas utilizando núcleo de metal amorfo, que garante eficiência ao sistema de energia. Desta maneira o TDMA pode auxiliar as concessionárias a melhorar a eficiência na transmissão e distribuição de energia. A demanda de núcleo de metal amorfo está crescendo anualmente a taxa de 30% a 50%. Isto representa mais de 20 mil toneladas de metal amorfo por ano (JUNYI, 2008). Esta liga amorfa é composta por boro, silício, fósforo, constituintes do vidro e metais magnéticos como ferro, cobalto, níquel, entre outros. Os metais amorfos são muito encontrados nos campos da intermetálica, inorgânica e materiais orgânicos apresentando uma vasta gama de aplicações. A estrutura atômica do metal amorfo é semelhante ao vidro. Os átomos não se encontram dispostos em uma estrutura ordenada como na estrutura cristalina Figura 1. Como não existem planos estruturados dos átomos num material amorfo, os átomos estão congestionados na estrutura vítrea. Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - outubro de página 3 de 10

4 Assim, realizar o deslocamento de qualquer grupo de átomos é muito difícil. Devido a esta característica os metais amorfos são muito difíceis de trabalhar apresentando alta elasticidade. Um diagrama típico das estruturas atômica cristalina e amorfa é apresentado na Figura 1. Figura 1: (a) Estrutura atômica cristalina, (b) Estrutura atômica amorfa. 2. APLICAÇÃO DOS METAIS AMORFOS NO SETOR ELÉTRICO Os metais amorfos apresentam grande aplicação principalmente em transformadores de energia elétrica, transformadores de pulso e dispositivos eletrônicos de energia de pulso, sensores magnéticos e equipamentos eletrônicos de vigilância (HASEGAWA, 2004). Os Metais amorfos são mais eficazes em transformadores de distribuição. Atualmente, mais de transformadores de distribuição com núcleo de metal amorfo foram instalados em todo o mundo, auxiliando as concessionárias de energia elétrica na melhoria da eficiência de seus sistemas de transmissão e distribuição (DE CRISTOFARO, 1998). O TDMA monofásico é utilizado principalmente em redes de eletricidade residencial. A produção anual de núcleo de metal amorfo para transformadores é de aproximadamente 3000 toneladas no presente (JUNYI, 2008). 3. PROPRIEDADES MAGNÉTICAS E ESTABILIDADE TÉRMICA As propriedades magnéticas do material ferromagnético esta em parte relacionada com a facilidade de magnetização através do movimento pela parede do domínio. Nos metais cristalinos as características estruturais como tamanho das paredes do domínio podem impedir o movimento pelas paredes do domínio. Devido falta destas características magnéticas no metal amorfo o deslocamento é mais facilitado que nos metais cristalinos. A desordem atômica e o alto teor de soluto no metal amorfo limitam o livre caminho médio dos elétrons, resultando em resistividade elétrica duas a três vezes das ligas cristalinas. Assim, ligas metálicas amorfas apresentam alta resistividade. Esta alta resistência elétrica elimina a componente magnética gerando movimento de correntes de Foucault nas paredes do domínio. Desta forma, a componente de corrente parasita de perdas magnéticas é minimizada nos metais amorfos. A estabilidade térmica do núcleo de metal amorfo é melhor quando comparada com os de aço silício tradicional. Na análise térmica em infravermelho pode ser observado o núcleo de grão de aço Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - outubro de página 4 de 10

5 silício orientado com temperatura média de serviço de 59 C. Já o núcleo de metal amorfo apresenta uma temperatura mais abaixa de 31 o C Figura 2 (BODGER, 2010). Isto comprova que a condutividade térmica do material amorfo é mais baixa que do cristal. A temperatura contínua do núcleo em serviço de um transformador é tipicamente de 80 a 1000 o C (DE CRISTOFARO, 1998). Sendo o coeficiente de expansão térmica cerca de 6 a 13ppm/ o C (HASEGAWA, 2004). Figura 2: Imagem térmica do núcleo amorfo à esquerda e aço silício à direita 4. CARACTERÍSTICA DE COMPARAÇÃO DO MATERIAL A maior parte dos metais, tais como aço inoxidável, têm estrutura cristalina. Todas as estruturas cristalinas contêm átomos ausentes chamados defeitos, átomos de impureza de outros elementos e planos desalinhados de átomos chamados de deslocamentos. Mas o metal amorfo é uma substância não-cristalina criada pela rápida congelação de líquidos a alta temperatura (BENNETT, 2010). Isso significa que os átomos num material amorfo não estão dispostos numa estrutura ordenada. Embora não haja uma regra de arranjo atômico, a perda por histerese é pequena quando o fluxo de indução magnética passa através do núcleo de ferro. Além disso, a perda por correntes de Foucault é diminuída porque a espessura é muito menor do que no núcleo de aço silício convencional. Uma comparação típica entre núcleo de metal amorfo e núcleo de aço silício convencional é exposta na Tabela 1 (HITACHI, 2008). Material Tabela 1: Comparação entre características do metal amorfo e de aço silício Densidade de fluxo de saturação B s [T] Resistência elétrica [ -cm] Perdas no ferro [W/kg] Espessura [mm] Aço silício 2, ,440 0,230 Liga amorfa 1, ,070 0,025 [2605SA1] Abaixo são relacionadas algumas vantagens do núcleo de metal amorfo: a) O peso total é reduzido em 20% (JUNYI, 2008). b) Alta flexibilidade e nível de ruído reduzido (HITACHI, 2008). Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - outubro de página 5 de 10

6 c) As perdas sem carga (histerese e perdas por correntes parasitas) são menores que nos transformadores de aço silício. Para transformadores monofásicos é reduzido em 20%, que é 1/5 do núcleo de aço silício (HITACHI, 2008). d) Mais fácil magnetização e mais rápida reversão de fluxo (HASEGAWA, 2004). e) Favorável ao meio ambiente minimiza emissões de CO 2 e SO 2 (HASEGAWA, 2004). f) A eficiência é mais elevada do que o núcleo de aço silício (JUNYI, 2008). g) O metal amorfo reduz a perda de núcleo do transformador de distribuição. Isto é, aproximadamente, de 75% a 80% menos as perdas do que no núcleo de aço silício de grão orientado em transformador de distribuição (HASEGAWA, 2004). 5. PERDAS TÍPICAS NO FERRO NAS DIFERENTES FASES A estrutura do núcleo metálico amorfo pode proporcionar flexibilidade e eliminar o nível de perda durante a montagem. Além disso, o nível de ruído é reduzido. Para obter o máximo desempenho do núcleo, o metal do núcleo amorfo deve sofres as menores condições de esforço. Sendo a perda no ferro minimizada em transformadores com núcleo de metal amorfo. Estatísticas típicas de perda no ferro para duas frequências e fases são apresentadas na Tabela 2. Tabela 2: Perdas típicas no ferro (W/kg) (HITACHI, 2008). Frequência Densidade de fluxo [T] 1,10 1,30 1,50 [Hz] 50 1 fase 0,117 0,171 0,269 3 fase 0,146 0,214 0, fase 0,149 0,218 0,330 3 fase 0,186 0,273 0,413 * Valores de referência a 25 C A curva de perda de ferro típica apresenta a característica do núcleo de metal amorfo (2605SA1) em monofásica e trifásica. A linha vermelha representa as três fases e a linha cinza representa a característica monofásica. Na Figura 3 são representadas as curvas de perda no ferro para 60Hz e 50Hz (HITACHI, 2008). Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - outubro de página 6 de 10

7 Figura 3: Curvas de perda típica no ferro O fato da corrente de excitação ser pequena, comparada com a corrente nominal do enrolamento, deve-se ao fato do transformador a vazio funcionar como uma carga de alta impedância em relação à fonte de alimentação. Essa impedância é tanto maior quanto maiores forem à permeabilidade magnética e a resistividade elétrica do material do núcleo. Para o metal amorfo Fe 78 B 13 Si 9 utilizado nos núcleos dos transformadores, esses valores são superiores aos das ligas de FeSi GO utilizadas em transformadores convencionais. Uma vez que, o valor máximo da permeabilidade magnética relativa da liga amorfa Fe 78 B 13 Si 9, a 60Hz, se situa em torno de 70000, enquanto o valor dessa grandeza para o FeSi GO, a 60Hz, na faixa dos de Já resistividade elétrica da liga amorfa Fe 78 B 13 Si 9 está entre 130 e 150 m, enquanto que para o FeSi GO esta entre 10 e 47 m. A elevada permeabilidade relativa favorece um melhor acoplamento magnético e o elevado valor da resistividade acarreta menores perdas por correntes parasitas no núcleo. Salienta-se que todos os ensaios foram baseados nas normas NBR 5356 (ABNT, 2007) e NBR 5440 (ABNT, 1999). A Figura 4 apresenta um estudo comparativo entre as perdas em vazio do núcleo de TDMA, TDGO e o valor normalizado da ABNT segundo a potência do equipamento. Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - outubro de página 7 de 10

8 Figura 4. Perdas em vazio por transformadores até 300kVA (FINOCCHIO, 2012). 6. IMPACTOS AMBIENTAIS E VIABILIDADE ECONÔMICA Sob pura excitação sinusoidal, exposições sobre a alteração 1/4 sem perda de carga de um elevado grau de transformador aço Si este corresponde a uma poupança anual mundial potencial de cerca de 125TWh e uma redução anual de emissões de CO 2 de cerca de 100 milhões de toneladas. O uso mundial de metais amorfos baseados transformadores nos ajudará a minimizar o combustível fóssil dependência e criar um ambiente mais limpo. Utilização de AMDT permite economizar energia eléctrica global, óleo e reduzir as emissões de gases nocivos. Um estatístico anual sobre impacto ambiental em todo o mundo do Transformador de Metal Amorfo é mostrado abaixo: Tabela 3: Impacto ambiental do transformador de metal amorfo [1] Benefícios A economia de energia Óleo CO 2 NO X SO 2 Valor 87TWh 154 milhões de barris 80 milhões de toneladas 322 mil toneladas 757 mil toneladas Embora transformadores de metal amorfos são em alguns casos vezes mais caro do que as unidades de aço silício, eles podem amortizar o investimento por possuírem custo eficaz (menos perdas) no sistema de energia elétrica. Um método para ilustrar como AMDT s proporcionar economia de custos é através da avaliação em um Custo total Owing (T OC ) de base. Tanto o custo inicial e futuro do transformador é considerado no TOC, de acordo com a equação 1. Então: T OC = preço de compra inicial + custo das perdas de Energia do Futuro (1) Apesar de um custo inicial mais elevado em comparação com o tradicional aço silício de transformadores nucleares, o uso de TDMA s resultados em poupanças financeiras globais para serviços públicos ao longo da vida transformador. Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - outubro de página 8 de 10

9 Ainda assim, a capacidade de produção de metais amorfos é pequena e, por isso, não é possível fornecer na atualidade uma demanda rentável materiais para atender a grande o mercado. Desse modo, esforços de marketing devem ser orientadas principalmente em TDMA s monofásicos. Ao mesmo tempo, um trabalho político poderia ser feito em que o governo deveria emitir uma regulamentação obrigatória e preferencial para promover a aplicação de alta eficiência TDMA. Políticas de incentivo a pesquisas desses materiais e construção de modelos nas universidades e empresas também poderiam ser contempladas. 7. CONCLUSÃO Dentre o exposto no texto, o metal amorfo é um material de alta tecnologia verde. E, em recentes dias (canário energético nacional), deve ser chamada a atenção dos fabricantes de elétricos. A demanda de núcleo de metal amorfo está crescendo anualmente. Entretanto, ainda existem metais amorfos que não são rentáveis. Porém temos alguns exemplos como a China que é rica em metais amorfos (ferro-boro), material com base de ferro, liga amorfa. A fim de quebrar alta situação volume-baixo preço vários enfoques cooperativos e apoio financeiro é necessária imediatamente para acelerar a industrialização da liga para ampliar capacidade de produção. Conscientizando fabricantes e governo que: o valor da poupança de energia deve ser incluído no processo de compra. Os governos devem fornecer intensivos para impulsionar a ação utilidade em adotar um menor número prática devido compra custo. Políticas preferenciais devem ser iniciadas e colocadas em prática. Ao mesmo tempo novos padrões para TDMA devem ser estabelecidos. Espera-se ter contribuído com uma de possíveis soluções para minimização do problemático cenário enérgico do nosso país nos dias atuais, e infelizmente, sem políticas e ações desse tipo o quadro só tende a piorar, REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR Transformadores de potência. Rio de Janeiro: ABNT, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5440 Transformadores para redes aéreas de distribuição/padronização. Rio de Janeiro: ABNT, BENNETT, Thomas D., GOODWIN, Andrew L., DOVE, Martin T., KEEN, David A., TUCKER, Matthew G., BARNEY, SOPER, Emma R., K, Alan., BITHELl, Erica G., TAN, Jin-Chong and CHEETHAM, Anthony K.. Structure and Properties of an Amorphous Metal-Organic Framework. The American Physical Society, Physical Review Letters (PRL 140, ), pp. 1-4, March BODGER, Pat, HARPER, David, GAZZARD, Matthew, O NEILl, Matthew and ENRIGHT, Wade. The Performance of Silicon and Amorphous Steel Core Distribution Transformers at Ambient and Cryogenic Temperatures Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - outubro de página 9 de 10

10 CAVALCANTI, L. F.; LUCIANO, B. A. Análise da viabilidade técnica/econômica da utilização de transformadores com núcleo amorfo em redes rurais de distribuição de energia, classe 15kV. In: Anais do I Congresso de Inovação Tecnológica em Energia - CITENEL, pp , DE CRISTOFARO, Nicholas. Amorphous Metals in Electric-Power Distribution Applications. Materials Research Society, MRS Bulletin, vol. 23, number 5 (1998), pp , DEL TORO, V. Fundamentos de Máquinas Elétricas. 1ª ed. Rio de Janeiro: LTC,1999. FINOCCHIO, Marco Antônio Ferreira, MENDONÇA, Marcio, VITOR, Avyner Lorran de Oliveira. Comparação das perdas a vazio de transformadores trifásicos da classe 15kV dotados de núcleo amorfo e ferro silício. XVII Seminário de Iniciação Cientifica e Tecnológica da UTFPR. Curitiba, HASEGAWA, R. Energy Efficiency of Amorphous Metal Based Transformers. Metglas Inc HASEGAWA, R. Application of rapidly solidified metals in the USA and Japan. Bern: Technische Rundschau, 1991, 8 p. HASEGAWA, R.; AZUMA, D. Impact of amorphous metal-based transformers on energy efficiency and environment. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, No. 320, pp , HITACHI. Amorphous Metal Core (2605SA1). Japan, JUNYI, Li and QIANLI, Zhou. The Status and Prospect of Amorphous Metal Distribution Transformers in China. AT & M Co. Ltd KOSOW, I.L. Máquinas Elétricas e Transformadores. 15ª ed. São Paulo: Globo, LUCIANO, B. A.; ROCHA, P. M. C. Transformador com núcleo de material amorfo: uma experiência conjunta universidade empresas. In: Anais do III Congresso Latino-Americano de Distribuição de Energia Elétrica, pp , LUCIANO, B. A.; FREIRE, R. C. S.; BEZERRA R. B.; INÁCIO, R. C. Transformadores com núcleo de liga amorfa em sistemas de distribuição, Eletricidade Moderna, Vol. 430, pp , LUCIANO, B. A.; INÁCIO, R. C.; LIRA, J. G. A.; FREIRE, R. C. S.; CAMACHO, M. A. G.; GUERRA, F. C. F. Transformadores monofásicos com núcleo de liga amorfa em sistemas de distribuição de energia elétrica rurais. In: XIX Seminário Nacional de Distribuição de Energia Elétrica, 2010, São Paulo. Anais do SENDI 2010, pp.1-6, NG, Harry W.; HASEGAWA, R.; LEE, A. C.; LOWDERMILK, L. A. Amorphous Alloy Core Distribution Transformer. Proceedings of the IEEE, Vol. 79, N o 11, p , RASKIN, D.; DAVIS, A. L. Metallic glasses: a magnetic alternative. IEEE Spectrum, vol. 18, N o 11, pp , Nov Revista Técnico-Científica do CREA-PR - ISSN ª edição - outubro de página 10 de 10