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

(1)

Resumo - Este trabalho busca avaliar o desempenho de trans-formadores de distribuição com núcleo magnético de metal a-morfo. Esses materiais, devido às caracterítsicas de sua estrutu-ra molecular, apresentam perdas bem reduzidas quando subme-tidos a campos magnéticos alternados. Isso faz com que sua aplicação em máquinas elétricas - em particular transformado-res - seja bastante promissora. Sendo de desenvolvimento rela-tivamente recente, somente agora estão começando a ser em-pregados em escala mais ampla. Assim, os custos de produção são ainda elevados quando comparados aos dos transformado-res fabricados com núcleo de aço silício. Entretanto, dependen-do das características das cargas que irá alimentar – consumi-dores com perfil sazonal como os do setor rural - o alto custo inicial poderá ser diluído ao longo do tempo, devido a diminui-ção nas perdas com o equipamento operando em vazio. A meto-dologia 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 suportabili-dade a grandes esforços. Este trabalho trouxe ainda como ga-nho adicional informações sobre diretrizes organizacionais e técnicas para laboratórios de ensaios de transformadores, obje-tivando 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 sig-nificativas 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 magneti-zação, 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: selenios@eee.ufmg.br).

F. H. Vasconcelos é professor adjunto do Departamento de Engenharia Elétrica da UFMG (e-mail: fvasc@cpdee.ufmg.br).

J. C. Ragone é Engenheiro Eletricista da Companhia Força e Luz Cata-guazes-Leopoldina (e-mail: cataguazes@cataguazes.com.br).

M. F. Pinto é aluno de graduação do Curso de Engenharia Elétrica da UFMG (e-mail: maxwell@campus.cce.ufmg.br).

devido à histerese magnética e às correntes de Foucalt sejam bem superiores às perdas Joulicas, no enrolamento do trans-formador.

Ao final dos anos 1970 foi anunciada a descoberta de um novo tipo de material, que embora seja um metal possui es-trutura amorfa, característica dos vidros. É produzido a par-tir de resfriamento súbito aplicado a ligas de metais magné-ticos no estado líquido como ferro, níquel e/ou cobalto agre-gado a elementos como fósforo, silício, boro e algumas ve-zes carbono, que assim não conseguem cristalizar-se como os outros metais.

O material amorfo é produzido borrifando-se o metal lí-quido 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 proprie-dades 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 sensí-vel diminuição das perdas causadas pela circulação de cor-rentes parasitas (ou de Foucault).

Porém, até algum tempo atrás as ligas produzidas tinham possibilidades reduzidas de emprego em núcleos de trans-formadores, 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 aço-silício de grão orientado, tradicionalmente usados em trans-formadores, conforme pode ser deduzido da análise do grá-fico citado.

Assim, espera-se que a utilização deste equipamento con-tribua para a redução de perdas, além de outros benefícios correlatos, tais como a diminuição da necessidade de inves-timentos para aumento da geração de energia, além da con-servação de energia. O impacto ecológico ainda precisa ser mais bem compreendido.

Caracterização de Transformadores com Núcleo

de Metal Amorfo para Aplicação em Redes

Monofásicas de Distribuição de Energia Elétrica

(2)

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 trans-formadores são submetidos por norma. Assim, é necessário que os laboratórios de ensaios revejam seus métodos de tra-balho, 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 ensai-os de transformadores da UFMG está também sendo subme-tido a um amplo processo de reformulação. Métodos e técni-cas 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 transfor-madores construídos com núcleos de metal amorfo.

Este artigo descreve resultados encontrados em um estu-do, ainda em fase preliminar, que está sendo efetuado para embasar o uso de metal amorfo no núcleo de transformado-res 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 con-dições (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 fun-cionamento dos seus componentes. Através da realização de ensaios as condições de funcionamento, a eficiência e a ca-pacitação de um transformador são verificadas. Os ensaios são procedimentos de avaliação de um transformador,

exe-cutados nas instalações do fabricante ou em outro laborató-rio devidamente credenciado.

Os ensaios aplicados em transformadores de potência (ou distribuição) podem ser classificados em três tipos bási-cos:

A. Ensaios de Rotina

São feitos pelo fabricante ou laboratório credenciado em todos os transformadores a serem vendidos. Estão subdivi-didos 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 ensai-os destrutivensai-os.

A partir dos ensaios, pode-se diagnosticar se os transfor-madores 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 execu-ção, 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 amor-fos e transformadores com núcleo amorfo é possível sinteti-zar as principais propriedades destes materiais para aplica-ção em projeto e construaplica-ção de transformadores de distribui-ção, apresentadas a seguir:

(3)

A. Propriedades dos Transformadores com Núcleo de Me-tal Amorfo

1) Perdas e Eficiência

Os metais amorfos apresentam características magnéti-cas conhecidamente favoráveis ao estabelecimento de indu-ção magnética. O ciclo de histerese do material é estreito e alta permeabilidade magnética é encontrada. Estas proprie-dades 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 transformado-res 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 amor-fo Aço-silício Potência (kVA) 25 25 Tensão primária (V) 6600 6600 Tensão Secundária (V) 210/105 210/105 Peso (kg) 175 140 Dimensões (LxDxH) (mm3) 590x515x 710 570x495x 760 Corrente de excitação (%) 0.52 0.41 Perdas a Vazio (W) 15.3 61.3

2) Espessura das Lâminas

Os metais amorfos admitem uma espessura nominal das lâminas do núcleo da ordem de magnitude de aproximada-mente 10 vezes menor que os materiais comerciais, como o ferro-silício. Esta é uma das razões pelas quais eles apresen-tam baixos valores de perdas no núcleo. Entretanto, um mai-or 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 dure-za.

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 la-minação também a torna variável, uma vez que não é possí-vel garantir a mesma espessura durante todo o corte da lâmi-na. 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 materi-ais elétricos convencionmateri-ais. 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 rigo-rosas que o metais amorfos. Estes, por não serem, a priori, magneticamente orientados e por terem elevado stress elásti-co introduzido durante o processo de fabricação devem ser

imperativamente recozidos.

O recozimento na presença de um campo magnético lon-gitudinal melhora significantemente suas propriedades mag-néticas, tais como indução de saturação, força coerciva, per-das ativas e potência de excitação, promovendo a relaxação estrutural do material.

O alto stress interno das ligas amorfas é resultado da soli-dificação 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 quebra-diço.

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, quan-to o aumenquan-to de Boro + Silício na liga amorfa, diminuem sua indução de saturação crescentemente.

7) Magnetostricção

A alteração das dimensões físicas de um material magné-tico quando magnetizado causa ruído e/ou perdas no núcleo. Ligas amorfas baseadas em ferro exibem uma magnetostric-ção linear de saturamagnetostric-ção 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, conse-qüência 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 mé-dia 15%).

IV. ANÁLISE DAS CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO DO L ABORA-TÓRIO

Neste período foram iniciadas as atividades de reestru-turação 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 insta-lações deste tipo. A figura 2 ilustra um dos resultados obti-dos, 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.

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 Forma de Onda Tempo [s] T e n s ã o [V ]

Figura 2. Forma de onda da tensão no LET utilizada em ensaios de trans-formadores 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Amplitude dos Harmônicos

Ordem dos Harmônicos

Am pl it u de [ p u ]

Figura 3. Espectro harmônico da onda de tensão da figura anterior

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 gráfi-cos mais característigráfi-cos obtidos a partir dos ensaios em cur-to-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 potên-cia 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 4 ilustra o comportamento das perdas no núcleo magnético para os diversos transformadores de 10kVA, in-dicando 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 ligei-ramente diferente eentre os diversos protótipos. Verifica-se variações grandes de fator de potência em baixas tensões aplicadas e significativas variações de corrente de excita-ção em tensões próximas à nominal.

Ensaios a Vazio - Trafos de 10kVA

0 2 4 6 8 10 12 14 16 4 ₁₃ ₂₁ ₂₉ ₃₈ ₄₆ ₅₄ ₆₃ ₇₁ ₇₉ ₈₈ 96 104 Tensão Aplicada (%) Perdas no Núcleo (W) Trafo 1 Trafo 2 Trafo 3 Trafo 4 Trafo 5

Figura 4. Perdas no núcleo em função da tensão aplicada

Ensaio a Vazio - Trafo 10kVA

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 4 ₁₃ ₂₁ ₂₉ ₃₈ ₄₆ ₅₄ ₆₃ ₇₁ ₇₉ ₈₈ 96 104 Tensão Aplicada (%) Corrente de Excitação (% ) Trafo 1 Trafo 2 Trafo 3 Trafo 4 Trafo 5

Figura 5. Corrente de Excitação em função da tensão aplicada

Ensaio a Vazio - Trafo de 10kVA

0 20 40 60 80 100 4 ₁₃ ₂₁ ₂₉ ₃₈ ₄₆ ₅₄ ₆₃ ₇₁ ₇₉ ₈₈ _{96 104} Tensão Aplicada (%) Fator de Potência (%) Trafo 1 Trafo 2 Trafo 3 Trafo 4 Trafo 5

Figura 6. Fator de Potência em função da tensão aplicada

2) Ensaio em Curto-Circuito

Os ensaios em curto-circuito foram efetuados para corren-te aplicada variando encorren-te 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 potên-cia, indicando um comportamento com pouca dispersão de valores entre os diversos protótipos.

(5)

Ensaios em Curto - Trafos de 10kVA 0 50 100 150 200 250 50 55 60 65 70 75 80 85 90 _{95 100 105 110} Corrente de Curto (%)

Perdas nos Enrolamentos

(W) Trafo 1 Trafo 2 Trafo 3 Trafo 4 Trafo 5

Figura 7. Perdas no núcleo em função da corrente de curto-circuito

Ensaio em Curto - Trafo 10kVA

65 65 66 66 67 67 68 50 55 60 65 70 75 80 85 90 _{95 100 105 110} Corrente de Curto (%) Resistência do _{Enrolamento (%)} Trafo 1 Trafo 2 Trafo 3 Trafo 4 Trafo 5

Figura 8. Resistência do Enrolamento em função da corrente de curto-circuito

Ensaio em Curto - Trafo 10kVA

0 10 20 30 40 50 60 70 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 Corrente de Curto (%) Fator de Potência (%) Trafo 1 Trafo 2 Trafo 3 Trafo 4 Trafo 5

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 Cataguazes-Leopoldina. Os procedimentos de análise contemplam ainda testes periódicos em laboratório, onde será avaliada a evolu-ção 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 supe-ram 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 competiti-vo, é certo esperar por este equipamento inundando o mer-cado de distribuição de energia não só na área rural, como também na rede de distribuição urbano, pois não há absolu-tamente 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 Edi-tion, The M.I.T. Press, Cambridge, 1965.

[2] Luiz Amaro Rodrigues Feio, O Transformador, Porto Alegre, 1973. [3] David Jiles, Introduction to Magnetism and Magnetic Materials,

Editora Chapman & Hall, Londres, 1991, ISBN 0-412-38640-2; [4] S.R. Elliot, Physics of Amorphous Materials, 2nd edição, Ed.

Long-man Scientific & Technical, 1990, ISBN 0-582-02160-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 & Sys-tems, vol. PAS-103, no.11, pp3365-72, 1984.

[6] B. A. Luciano. “Algumas Considerações sobre a realização de Trans-formadores com Núcleos de Ligas Amorfas”; Anais do V SEMEL, vol.1, pp.383-91;

[7] D. Raskin & L. A. Davis. “Mettalic glasses: a magnetic alternative”; IEEE Spectrum, Nov/1981; pp.28-33.

[8] G. E. Fish. “Soft Magnetic Materials”, Proceedings of The IEEE, Vol.78, No.6, June/1990, pp. 947-972.

[9] 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 -