Caracterização de Transf. com Núcleo de Metal Amorfo

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 amorfo. 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 10
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 (e-mail: [email protected]).
F. H. Vasconcelos é professor adjunto do Departamento de Engenharia
Elétrica da UFMG (e-mail: [email protected]).
J. C. Ragone é Engenheiro Eletricista da Companhia Força e Luz Cataguazes-Leopoldina (e-mail: [email protected]).
M. F. Pinto é aluno de graduação do Curso de Engenharia Elétrica da
UFMG (e-mail: [email protected]).
devido à histerese magnética e às correntes de Foucalt sejam
bem superiores às perdas Joulicas, no enrolamento do transformador.
Ao final dos anos 1970 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 apresentados.
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.
cutados 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® 2605SA1.
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-17025, 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.
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, exe-
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 5380. 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:
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 amorfo
25
6600
210/105
175
590x515x
710
0.52
15.3
Açosilício
25
6600
210/105
140
570x495x
760
0.41
61.3
Potência (kVA)
Tensão primária (V)
Tensão Secundária (V)
Peso (kg)
Dimensões (LxDxH)
(mm3)
Corrente de excitação (%)
Perdas a Vazio (W)
2) Espessura das Lâminas
Os metais amorfos admitem uma espessura nominal das
lâminas do núcleo da ordem de magnitude de aproximadamente 10 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
4 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.
4) 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 80%, 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
80% de ferro e 20% de boro. Esta composição leva estes
materiais a terem uma indução de saturação 20% 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 LABORATÓRIO
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,
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
4,66%. 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
250
200
150
A figura 4 ilustra o comportamento das perdas no núcleo
magnético para os diversos transformadores de 10kVA, 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.
Tensão [V]
100
Ensaios a Vazio - Trafos de 10kVA
0.012
0.014
96
10
4
88
79
71
63
0.016
Tempo [s]
Figura 4. Perdas no núcleo em função da tensão aplicada
0.6
10
4
4
0.7
96
0.8
Trafo 3
Trafo 4
Trafo 5
88
0.9
Trafo 1
Trafo 2
29
1
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
21
Amplitude dos Harmônicos
13
Corrente de Excitação (%)
Ensaio a Vazio - Trafo 10kVA
79
0.01
71
0.008
63
0.006
54
0.004
46
0.002
Figura 2. Forma de onda da tensão no LET utilizada em ensaios de transformadores
Tensão Aplicada (%)
0.5
Figura 5. Corrente de Excitação em função da tensão aplicada
0.4
Ensaio a Vazio - Trafo de 10kVA
40
45
50
V. ENSAIOS NOS TRANSFORMADORES PROTÓTIPOS
Foram construídos 10 transformadores monofásicos com
núcleo de metal amorfo sendo, cinco deles de 10kVA 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 0% e 110% 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.
Trafo 4
Trafo 5
20
0
4
Figura 3. Espectro harmônico da onda de tensão da figura anterior
40
10
4
35
96
30
88
25
79
20
71
15
Ordem dos Harmônicos
63
10
54
5
46
0
Trafo 1
Trafo 2
Trafo 3
60
38
0
80
21
0.1
100
13
0.2
Fator de Potência (%)
0.3
29
Amplitude [pu]
54
Tensão Aplicada (%)
0
38
-250
4
-200
Trafo 5
46
-150
38
-100
Trafo 1
Trafo 2
Trafo 3
Trafo 4
29
-50
16
14
12
10
8
6
4
2
0
21
0
13
Perdas no Núcleo (W)
50
Tensão Aplicada (%)
Figura 6. Fator de Potência em função da tensão aplicada
2) Ensaio em Curto-Circuito
Os ensaios em curto-circuito foram efetuados para corrente aplicada variando ente 50% e 110% 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.
[2]
[3]
250
[4]
200
Trafo 1
150
Trafo 2
Trafo 3
Trafo 4
Trafo 5
100
50
10
0
10
5
11
0
90
95
80
85
70
75
60
65
[6]
Corrente de Curto (%)
Figura 7. Perdas no núcleo em função da corrente de curto-circuito
[7]
Ensaio em Curto - Trafo 10kVA
[8]
Resistência do
Enrolamento (%)
68
67
Trafo 1
67
Trafo 2
Trafo 3
66
Trafo 4
Trafo 5
66
65
Corrente de Curto (%)
Figura 8. Resistência do Enrolamento em função da corrente de curtocircuito
Fator de Potência (%)
Ensaio em Curto - Trafo 10kVA
70
60
Trafo 1
Trafo 2
50
40
Trafo 3
Trafo 4
Trafo 5
30
20
10
0
50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110
Corrente de Curto (%)
Figura 9. Fator de Potência em função da corrente de curto-circuito
É importante lembrar que, destes 10 transformadores, 8
foram escolhidos para instalação em campo, e encontram-se
junto aos clientes rurais da Companhia CataguazesLeopoldina. 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]
[9]
E.L. Boyd e J.D. Borst. “Design concepts for an amorphous metal
distributions transformer”, IEEE Trans. Om Power Apparatus & Systems, vol. PAS-103, no.11, pp3365-72, 1984.
B. A. Luciano. “Algumas Considerações sobre a realização de Transformadores com Núcleos de Ligas Amorfas”; Anais do V SEMEL,
vol.1, pp.383-91;
D. Raskin & L. A. Davis. “Mettalic glasses: a magnetic alternative”;
IEEE Spectrum, Nov/1981; pp.28-33.
G. E. Fish. “Soft Magnetic Materials”, Proceedings of The IEEE,
Vol.78, No.6, June/1990, pp. 947-972.
H. W. Ng; R. Hasegawa; A.C. Lee & L. A. Lowdermilk, “Amorphous
Alloy Core Distribution Transformers”, Proceedings of The IEEE,
Vol.79, No.11, Nov/1991, pp. 1608-1622.
Normas:
[10] NBR5356 Transformador de potência EB91, 1993
[11] NBR10295 Transformadores de potência secos EB1818, 1987
[12] NBR5440 Transformadores para redes aéreas de distribuição - Padronização PB99
10
0
10
5
11
0
90
95
80
85
75
65
70
60
50
55
65
Luiz Amaro Rodrigues Feio, O Transformador, Porto Alegre, 1973.
David Jiles, Introduction to Magnetism and Magnetic Materials,
Editora Chapman & Hall, Londres, 1991, ISBN 0-412-38640-2;
S.R. Elliot, Physics of Amorphous Materials, 2nd edição, Ed. Longman Scientific & Technical, 1990, ISBN 0-582-02160-X
Artigos em Anais de Conferências (Publicados):
[5]
0
50
55
Perdas nos Enrolamentos
(W)
Ensaios em Curto - Trafos de 10kVA
E.E. Staff of M.I.T., Magnetic Circuits and Transformers, 15th Edition, The M.I.T. Press, Cambridge, 1965.