EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ASSOCIADA AO EMPREGO DE TRANSFORMADORES COM NÚCLEO DE LIGA AMORFA: O ESTADO DA ARTE

Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012. EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ASSOCIADA AO EMPREGO DE TRANSFORMADORES COM NÚCLEO DE LIGA AMORFA: O ESTADO DA ARTE BENEDITO A. LUCIANO Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Campina Grande Caixa Postal 10105, 58428-740 Campina Grande, PB, BRASIL E-mail: benedito@dee.ufcg.edu.br BRUNA L. L. CRISÓSTOMO, RAYAN L. B. FRANCA, VITOR C. L. SILVEIRA Alunos do Programa de Educação Tutorial, Curso de Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Campina Grande Caixa Postal 10105, 58428-740 Campina Grande, PB, BRASIL E-mail: bruna.crisostomo@ee.ufcg.edu.br, rayan.franca@ee.ufcg.edu.br, vitor.silveira@ee.ufcg.edu.br Abstract In this paper is presented a survey about the performance of amorphous alloy core transformers in electrical systems. The focus of this study is the energy efficiency obtained by core losses reduction, because these transformers type are largely used in electrical areas where they operate with low demand, and the load losses are relatively low in comparison with core losses 24 hours a day. The results presented are based on experimental tests carried out with transformers with conventional silicon steel core and transformers with amorphous alloy cores both of them with the same rated values. Keywords Amorphous alloy, core losses, distribution transformer, energy efficiency, load losses, transformers. Resumo Neste trabalho é apresentado um estudo comparativo sobre o desempenho de transformadores com s de ligas amorfas em sistemas elétricos. O foco deste estudo é a eficiência energética obtida pela redução de perdas do, pois em comparação com os transformadores convencionais com de aço ao silício, os transformadores com de liga amorfa apresentam baixas perdas do, durante os cíclos de 24 horas. Os resultados apresentados são baseados em ensaios experimentais comparativos e estudos em campo com transformadores de valores nominais idênticos. Palavras-chave Eficiência energética, ligas amorfas, perdas em vazio, perdas em carga, transformadores, transformadores de distribuição. 1 Introdução O conceito de eficiência energética está diretamente relacionado com a redução de perdas e com a eliminação de desperdícios. Nos sistemas elétricos, as perdas estão presentes nos processos de conversão, transmissão, distribuição e nos usos finais da energia elétrica. Como os transformadores são equipamentos fundamentais para o funcionamento adequado dos sistemas elétricos, os estudos por busca do emprego de novas tecnologias e de novos materiais na fabricação desses equipamentos veem sendo aperfeiçoados ao longo do tempo, objetivando a redução de perdas e, por consequência, a eficientização energética. No tocante aos materiais magneticamente moles aplicáveis em s de transformadores nos sistemas elétricos de distribuição de energia elétrica, a busca competitiva pela eficientização energética tem ocorrido entre os aços ao silício de grãos orientados e as ligas amorfas do sistema ternário ferro-borosilício. A este respeito, provavelmente motivado pela primeira crise do petróleo, ocorrida em 1973, o desenvolvimento de ligas amorfas potencialmente aplicáveis em s de transformadores teve início em 1975. Porém, a introdução no mercado desses materiais, para esse tipo de aplicação, só veio a ocorrer em 1976, quando o primeiro transformador de distribuição com de material amorfo (TDMA) foi construído no Laboratório Lincoln, do Instituto Tecnológico de Massachusetts (USA), conforme relato de Raskin e Davis (Raskin and Davis, 1981). O interesse inicial pelo emprego dos TDMA nos sistemas de distribuição de energia elétrica se manteve até meados do decênio de 1990, quando a desregulamentação do setor elétrico começou a ser adotado nos Estados Unidos e os custos com a energia começaram a decrescer. O motivo maior para essa 5154

diminuição de interesse era o preço de aquisição mais elevado do TDMA quando comparado com outra unidade, de igual capacidade, porém confeccionada com de aço ao silício convencional de grãos orientados (TDGO). Na Ásia, o Japão foi o primeiro país a instalar TDMA em seu sistema elétrico e atualmente conta com pelo menos quatro fabricantes desse tipo de transformador e com uma fábrica de metal amorfo. No Brasil, os primeiros estudos experimentais sobre a aplicação de ligas amorfas em s de transformadores tiveram origem no ambiente acadêmico, resultando na tese de doutorado do primeiro autor deste trabalho (Luciano, 1995), passando, em seguida, para a montagem de protótipos em fábrica de transformadores, conforme relato de Luciano e Rocha (Luciano e Rocha, 1988) e pela instalação e avaliação de desempenho em redes rurais de distribuição de energia elétrica (Cavalcanti e Luciano, 2001). Na Europa, por questões ambientais e econômicas, desde 2006 a União Europeia tem incentivado as empresas distribuidoras de energia elétrica a investir em eficientização energética, o que inclui o emprego de transformadores com de liga amorfa. Apesar dessas iniciativas, a adoção de TDMA na Europa tem ocorrido de forma lenta. Em 1997, por exemplo, apenas cerca de 160 transformadores com de liga amorfa estavam instalados naquele continente. Atualmente, no Brasil, empresas distribuidoras de energia elétrica e fábricas de transformadores têm investido na tecnologia dos TDMA, particularmente em unidades monofásicas de baixa potência (5 kva, 10 kva e 15 kva), destinadas ao emprego em sistemas de distribuição de energia elétrica em zonas rurais, conforme estudos de casos relatados por Luciano e seus colaboradores (Luciano et al., 2011) na RQ14 (The 14th International Conference on Rapidly Quenched and Metastable Materials) e em artigo aprovado para publicação no periódico Materials Research (Luciano et al., 2012). Neste contexto, o objetivo deste artigo é apresentar uma revisão cronológica do emprego de TDMA nos sistemas de distribuição de energia elétrica, tomando como referência o recorte temporal que cobre o período de 1980 até os dias atuais. 2 Transformadores com de liga amorfa: estudos de casos Um dos primeiros relatos sobre os projetos e montagens de transformadores com de liga amorfa foi publicado por Mas (Mas, 1980). A partir de então, vários artigos foram publicados sobre o tema, sendo parte dessas publicações ordenadas cronologicamente por Luciano e Castro (Luciano e Castro, 2011), conforme apresentado na Tabela 1. Tabela 1. Ordenação cronológica de alguns artigos sobre a aplicação de ligas amorfas em s de transformadores: de 1980 a 2011 (Luciano e Castro, 2011). Ano Autores 1980 Mas, J. A. 1981 Boll, R. and Warlimont, H. 1982 Johnson, L. A., Cornell, E. P., Bailey, D. J. and Hegyi, S. M. 1983 Luborsky, F. E. 1984 Boyd, E. L. and Borst, J. D. 1985 Güntherrodt, H.-J. 1986 Bailey, D. J., Lowdermilk, L. A. and Lee, A. C. 1987 Lowdermilk, L. A. e Lee, A. C. 1988 Schulz, R., Chretien, N., Alexandrov, N., Aubin, J. and Roberge, R. 1989 Magherbi, M. L. and Basak, A. 1990 Matsuura, T., Nagayama, K., Hagiwara, S. and Higaki, M. 1991 H. W. Ng, R. Hasegawa, A. C., Lee, e L. A. Lowdermilk 1992 Pfützner, H. 1993 Luciano, B. A. e Alencar, E. F. 1994 Masumoto, T. 1995 Luciano, B. A. 1996 Luciano, B. A., Morais, M. E. e Kiminami, C. S 1997 Luciano, B. A. and Kiminami, C. S. 1998 Luciano, B. A. e Rocha, P. M. C. 1999 Luciano, B. A., Morais, M. E. and Kiminami, C. S. 2000 Tang, L. and Wang, K. 2001 Hasegawa, R. e Pruess, D. C. 2002 Cavalcanti, L. F. e Luciano, B. A. 2003 Pinto, M. F., Silva, S. R. e Vasconcelos, F. H. 2004 Hasegawa, R. 2005 Targosz, R. 2006 Campos, M. L. B. 2007 Frau, J. and Gutierrez, J. 2008 Hasegawa, R. and Azuma, D. 2009 Chang, Y-H., Hsu, C-H. and Tseng, C-P. 2010 Luciano, B. A., Freire, R. C. S., Bezerra R. B. e Inácio, R. C. 2011 Luciano, B. A, Inácio, R. C., Freire, R. C. S., Guerra, F. C. F., Lira, J. G. A. e Camacho, M. A. G. 3 Resultados Neste trabalho são apresentados os resultados de alguns estudos comparativos entre transformadores projetados e montados com de liga amorfa e os tradicionais transformadores com de FeSi de grãos orientados (GO), destacando as perdas no e a corrente de excitação em transformadores com diferentes valores nominais de potências aparentes. Na Tabela 2 são apresentados os resultados das perdas ativas no e correntes de excitação, obtidos mediante ensaios de circuito aberto realizados com transformadores monofásicos de 100 VA, 60 Hz, 220 V/110 V. Tabela 2. Perdas no e corrente de excitação em transformadores monofásicos: 100 VA, 60 Hz, 220 V/110 V. Material do Perdas no (W) Corrente de excitação (A) Liga amorfa 0,72 0,05 FeSi GO 5,01 0,13 5155

Na realização dos ensaios experimentais foi utilizada uma bancada de testes, conforme mostrada na Fig. 1. Nessa figura podem ser vistos, em primeiro plano, os dois transformadores monofásicos de baixa potência (100 VA, 220 V/110 V, 60 Hz): no centro o transformador com de FeSi e à direita o protótipo de transformador com de liga amorfa (Fe 78 B 13 Si 9 ), no segundo plano podem ser vistos um autotransformador e um osciloscópio. Dentre os transformadores utilizados nos sistemas de distribuição de energia elétrica rurais destacam-se os transformadores monobuchas, caracterizados como monofilar com retorno por terra MRT, que são transformadores com somente uma bucha no lado de alta tensão e uma, duas ou mais buchas no lado de baixa tensão. Geralmente, esses transformadores são de baixo custo de aquisição e têm potências nominais de 5, 10 e 15 kva. Na Fig. 3 é apresentada uma fotografia na qual podem ser observadas, no ambiente de uma fábrica brasileira, localizada na região Sudeste do Brasil, algumas unidades de trasformadores MRT com de liga amorfa (Fe 78 B 13 Si 9 ). Figura 1. Bancada de testes para ensaios com transformadores monofásicos: 100 VA, 60 Hz, 220 V/ 110 V. Na Tabela 3 são apresentados os resultados das perdas ativas no e das correntes de excitação, obtidos mediante ensaios de circuito aberto realizados com transformadores monofásicos de 1 kva, 60 Hz, 220 V/110 V. Na Fig. 2 é apresentada uma fotografia do protótipo de transformador com de liga amorfa. Tabela 3. Perdas no e corrente de excitação em transformadores monofásicos de 1 k VA, 60 Hz, 220 V/110 V. Material do Perdas no (W) Corrente de excitação (A) Liga amorfa 2,5 0,14 FeSi 19 0,24 Figura 2. Protópipo de transformador monofásico com de liga amorfa: 1 kva, 60 Hz, 220 V/ 110 V. Figura 3. Transformadores monofásicos, tipo MRT, fabricados com de liga amorfa. Na Tabela 4 são apresentados, em valores médios, os resultados obtidos das perdas ativas no e das correntes de excitação, mediante ensaios de circuito aberto realizados com transformadores monofásicos MRT no laboratório do fabricante. Tabela 4. Perdas no e corrente de excitação em transformadores monofásicos MRT de 5 kva, 60 Hz. Material do Perdas no (W) Corrente de excitação (A) Liga amorfa 8 1,12 FeSi 36 3,17 No ensaio de perdas em vazio e corrente de excitação, a medição das perdas foi realizada à frequência nominal, aplicando-se a tensão nominal ao enrolamento de BT e deixando o enrolamento de AT em circuito aberto, conforme especificado na NBR 5356. Cada unidade com de liga amorfa sobre as quais foram realizados ensaios de rotina possui as seguintes características: Potência nominal: 5 kva; Fases: 1; Tipo aéreo convencional; Frequência: 60 Hz; Tensões no lado de alta tensão (kv): 20,90 a 18,19; Tensões no lado de baixa tensão (V): 440/220; 5156

Derivações: 5; alta tensão ligada em 9,92 kv e baixa tensão ligada em 440 V; Corrente nominal de alta tensão: 0,25 A; Corrente nominal de baixa tensão: 11,36 A; Polaridade subtrativa. Todos os ensaios de rotina foram realizados de acordo com as normas específicas. Mas, por estarem diretamente relacionados com a eficiência energética associdada ao tipo de material magnético empregado no dos transformadores foram destacados para serem apresentados neste trabalho apenas os ensaios de perdas em vazio e corrente de excitação. Na Tabela 5 são apresentados os resultados de ensaios a vazio realizados com transformadores monofásicos com de liga amorfa de diferentes potências nominais. Esses ensaios foram realizados em um laboratório de uma empresa fabricante de transformadores localizada na região Nordeste do Brasil. Tabela 5. Perdas no e corrente de excitação em transformadores monofásicos com de liga amorfa. Tensões nominais no lado de A.T. (kv): 7,97 a 7,28; e no lado de B.T. (V): 220. Potência aparente (kva) Perdas no (W): mínima e máxima Corrente de excitação (%): minima e máxima 5 8-14 0,94-2,59 10 9-18 0,14-2,63 15 13-14 0,16-0,81 25 17-19 0,11-0,22 Diferentemente dos sistemas de distribuição de energia elétrica localizados nas zonas rurais, os sistemas de distribuição de energia elétrica localizados nos centros urbanos atuais são afetados pelo uso crescente de cargas que introduzem componentes harmônicas, tais como: conversores, acionadores de máquinas elétricas, microcomputadores, condicionadores de sinais, máquinas de solda, etc. Objetivando verificar o desempenho de transformadores monofásicos e trifásicos com de liga amorfa em comparação com transformadores com de aço ao silício de grãos orientados (GO) na presença de cargas causadoras de harmônicos, Hasegawa e Pruess (Hasegawa e Pruess, 2001), tomando como base unidades de diferentes potências nominais, 500 kva e 250 kva, apresentaram alguns resultados a esse respeito. No trabalho desses pesquisadore é relatado o estudo de caso de dois transformadores trifásicos de 500 kva, um com de liga amorfa e outro com de ferro-silício GO. Esses transformadores foram monitorados numa planta industrial, durante um fim de semana, tendo fornos a arco como principais cargas elétricas. Tomando como referência a alimentação senoidal a 60 Hz e dados de catálogos, as perdas em vazio e as perdas em carga para o transformador com de liga amorfa que seriam, respectivamente, 160 W e 4 484 W, foram cerca de 200% superiores aos valores esperados. Já o aumento das perdas no transformador com de ferrosilício GO foram 400% superiores. A explicação para esse aumento das perdas fundamenta-se no largo espectro de componentes harmônicas introduzidos na excitação dos transformadores pelos fornos a arcos. Prosseguindo os estudos sob condições harmônicas, foram avaliados os desempenhos de dois transformadores de 250 kva: um, com de liga amorfa, e outro com de ferro-silício GO laminado a frio. Os resultados são aqui apresentados, de forma resumida, na Tabela 6. Tabela 6. Comparativo de perdas entre dois transformadores de 250 kva, um com de liga amorfa e outro com de FeSi GO (Hasegawa e Pruess, 2001). a) Sem distorção harmônica Perdas Núcleo de liga amorfa (W) Núcleo de FeSi GO (W) Histerese 99 155 Correntes parasitas 33 311 Totais no 132 466 Bobinas (carga 966 1 084 média) Carregamento 55% 58% Perdas totais 1 098 1 550 b) Com 26% de distorção harmônica total de corrente Perdas Núcleo de liga amorfa (W) Núcleo de FeSi GO (W) Histerese 99 155 Correntes parasitas 74 698 Perdas totais no 173 853 Bobinas (carga 1 553 1 671 média) Carregamento 55% 58% Perdas totais 1 726 2 524 Examinando-se os valores apresentados na Tabela 6, verifica-se que tanto sob condições senoidais, quanto sob condições harmônicas o transformador com de liga amorfa apresenta menores perdas. Verifica-se, também, que a introdução de componentes harmônicas resulta no aumento das perdas totais e, por decorrência, um aumento da temperatura, o que reduz a vida útil do transformador. 4 Avaliações técnicas e econômicas Avaliações técnicas relativas ao emprego de ligas amorfas em de transformadores foram apresentadas neste trabalho e em diversos artigos nele referenciados. No tocante às avaliações econômicas, elas dependem da política energética de cada país. Porém, quando se leva em conta que os transformadores de distribuição, operando 24 horas por dia, têm um ciclo de vida útil previsto para 30 anos, há de se perceber que mesmo uma pequena redução das perdas pode resultar em economias de energia e retorno do capital investido, o que pode ser calculado mediante o emprego da fórmula de capitalização de perdas: 5157

na qual: C T = P a + A P n + B P c, (1) C T = Custo total capitalizado. P a = Preço de aquisição do transformador. A = Fator de perdas no. P n = Perdas no. B = Fator de perdas no cobre. P c = Perdas no cobre. Como exemplo de estudo de caso, na Tabela 7 é apresentado um comparativo das perdas de energia elétrica em 15 transformadores monofásicos MRT de 5 kva, 60 Hz com de FeSi face aos transformadores idênticos com de liga amorfa. Tabela 7. Comparativo das perdas de energia nos transformadores com de FeSi versus transformadores com de liga amorfa: transformadores monofásicos MRT de 5 kva, 60 Hz. Número de Perdas em vazio (W) Perdas de energia (MWh/ano) transformadores FeSi Amorfo FeSi Amorfo 15 47 8 6,176 1,051 Considerando o custo médio da energia elétrica de R$ 297,92/MWh (SRE/ANEEL, 2010) para o enquadramento tarifário A4 (tensão de fornecimento de 2,3 kv a 25 kv) e considerando que as perdas no permanecem constantes, independentemente da carga alimentada pelo transformador, as perdas com transformadores com de FeSi convencional representam um custo anual de R$ 1.840,00, enquanto que os transformadores com amorfo representam um custo de R$ 313,12. Isto significa uma redução de 83%. 5 Conclusão Em diversos países, em diferentes continentes, transformadores com de liga amorfa têm sido utilizados em escala crescente, contribuindo para a eficientização energética em sistemas de distribuição de energia elétrica, tendo a redução de perdas no como principal figura de mérito. No tocante à viabilidade técnica, o emprego de ligas amorfas em s de transformadores é uma tecnologia dominada, restando aprofundar as discussões ambientais quanto ao processo de reutilização das ligas amorfas depois da vida útil desses equipamentos. No que tange aos aspectos econômicos, eles dependem da política energética de cada país. Porém, quando se leva em conta o regime de operação dos transformadores de distribuição e o ciclo de vida útil previsto para 30 anos, verifica-se que, mesmo uma pequena redução das perdas no pode resultar em economias de energia e retorno do capital investido. Uma das possibilidades do cálculo desse retorno pode ser mediante o emprego da fórmula de capitalização de perdas apresentada neste trabalho. Com relação à conservação do meio ambiente e à sustentabilidade, de maneira global, a opção por transformadores com de liga amorfa, por serem mais eficientes energeticamente, pode contribuir de forma significativa para a redução de CO 2 no meio ambiente. Segundo estudos realizados por Hasegawa e Azuma (Hasegawa e Azuma, 2008), a substituição de transformadores com de FeSi por transformadores com de liga amorfa poderia significar um redução de 170 milhões de toneladas, ou seja, em torno de 2,5% do total das emissões em todo o Mundo. Agradecimentos Ao Programa de Educação Tutorial pela concessão de bolsas ao tutor e aos alunos envolvidos com a elaboração deste trabalho. Referências Bibliográficas Mas, J. A. (1980). Design and performance of power transformers with metallic glasses cores, paper presented at the IEEE Power Electronic Specialists Conference. Raskin, D. and Davis, A. L (1981). Metallic glasses: a magnetic alternative. IEEE Spectrum, vol. 18, No. 11, pp. 28-33. Boll, R. and Warlimont, H. (1981). Applications of amorphous magnetic materials in electronics. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-17, No. 6, pp. 3053-3058. Johnson, L. A., Cornell, E. P., Bailey, D. J. and Hegyi, S. M. (1982). Application of low loss amorphous metals in motor and transformers. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-101, No. 7, pp. 2109-2114. Luborsky, F. E. (1983). Amorphous metallic alloys. Butterworths Monographs in Materials, Butterworths & Co (Publishers) Ltd., pp. 1-8, 1983. Boyd, E. L. and Borst, J. D. (1984). Design concepts for an amorphous metal distribution transformer. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-103, No. 11, pp. 3365-3372. Güntherrodt, H.-J. (1985). Introduction to rapidly solidified materials. Rapidly Quenched Metals, S. Steeb and H. Warlimont (eds.), Elsevier Science Publishers B. V., pp. 1591-1598. Bailey, D. J., Lowdermilk, L. A. and Lee, A. C. (1986). Field performance of amorphous metal core distribution transformers Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 54-57, pp. 1618-1620. Lowdermilk, L. A. and Lee, A. C. (1987). Five years operating experience with amorphous 5158

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