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 trans-formers 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 núcleos de ligas amorfas em sistemas elétricos. O foco deste estudo é a eficiência energética obtida pela redução de perdas do núcleo, pois em comparação com os transformadores convencionais com núcleo de aço ao silício, os transformadores com núcleo de liga amorfa apresentam baixas perdas do núcleo, 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, transforma-dores, transformadores de distribuição.
1 Introdução
O conceito de eficiência energética está direta-mente 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 fabrica-ção 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 núcleos de transformadores nos siste-mas 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-boro-silício.
A este respeito, provavelmente motivado pela primeira crise do petróleo, ocorrida em 1973, o de-senvolvimento de ligas amorfas potencialmente apli-cáveis em núcleos de transformadores teve início em 1975. Porém, a introdução no mercado desses mate-riais, para esse tipo de aplicação, só veio a ocorrer em 1976, quando o primeiro transformador de distri-buição com núcleo de material amorfo (TDMA) foi construído no Laboratório Lincoln, do Instituto Tec-nológico 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 mante-ve até meados do decênio de 1990, quando a desre-gulamentação do setor elétrico começou a ser adota-do nos Estaadota-dos Uniadota-dos e os custos com a energia começaram a decrescer. O motivo maior para essa
diminuição de interesse era o preço de aquisição mais elevado do TDMA quando comparado com outra unidade, de igual capacidade, porém confeccionada com núcleo 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 núcleos de transformadores tiveram origem no ambiente acadê-mico, 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 distribu-ição de energia elétrica (Cavalcanti e Luciano, 2001). Na Europa, por questões ambientais e econômi-cas, 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 núcleo de liga amorfa. Ape-sar dessas iniciativas, a adoção de TDMA na Europa tem ocorrido de forma lenta. Em 1997, por exemplo, apenas cerca de 160 transformadores com núcleo 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 siste-mas de distribuição de energia elétrica em zonas rurais, conforme estudos de casos relatados por Luci-ano e seus colaboradores (LuciLuci-ano et al., 2011) na RQ14 (The 14th International Conference on Rapi-dly 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 apresen-tar uma revisão cronológica do emprego de TDMA nos sistemas de distribuição de energia elétrica, to-mando como referência o recorte temporal que cobre o período de 1980 até os dias atuais.
2 Transformadores com núcleo de liga amorfa: estudos de casos
Um dos primeiros relatos sobre os projetos e montagens de transformadores com núcleo 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 cro-nologicamente por Luciano e Castro (Luciano e Cas-tro, 2011), conforme apresentado na Tabela 1.
Tabela 1. Ordenação cronológica de alguns artigos sobre a aplica-ção de ligas amorfas em núcleos 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. Low-dermilk
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., Guer-ra, F. C. F., LiGuer-ra, J. G. A. e Camacho, M. A. G.
3 Resultados
Neste trabalho são apresentados os resultados de alguns estudos comparativos entre transformado-res projetados e montados com núcleo de liga amorfa e os tradicionais transformadores com núcleo de FeSi de grãos orientados (GO), destacando as perdas no núcleo e a corrente de excitação em transformadores com diferentes valores nominais de potências aparen-tes .
Na Tabela 2 são apresentados os resultados das perdas ativas no núcleo e correntes de excitação, obtidos mediante ensaios de circuito aberto realiza-dos com transformadores monofásicos de 100 VA, 60 Hz, 220 V/110 V.
Tabela 2. Perdas no núcleo e corrente de excitação em transfor-madores monofásicos: 100 VA, 60 Hz, 220 V/110 V.
Material do núcleo Perdas no núcleo (W) Corrente de excitação (A) Liga amorfa 0,72 0,05 FeSi GO 5,01 0,13
Na realização dos ensaios experimentais foi utili-zada 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 núcleo de FeSi e à direita o protó-tipo de transformador com núcleo de liga amorfa (Fe78B13Si9), no segundo plano podem ser vistos um autotransformador e um osciloscópio.
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 núcleo e das correntes de excitação, obtidos mediante ensaios de circuito aberto realiza-dos com transformadores monofásicos de 1 kVA, 60 Hz, 220 V/110 V. Na Fig. 2 é apresentada uma foto-grafia do protótipo de transformador com núcleo de liga amorfa.
Tabela 3. Perdas no núcleo e corrente de excitação em transfor-madores monofásicos de 1 k VA, 60 Hz, 220 V/110 V.
Material do núcleo Perdas no núcleo (W) Corrente de excitação (A) Liga amorfa 2,5 0,14 FeSi 19 0,24
Figura 2. Protópipo de transformador monofásico com núcleo de liga amorfa: 1 kVA, 60 Hz, 220 V/ 110 V.
Dentre os transformadores utilizados nos siste-mas de distribuição de energia elétrica rurais desta-cam-se os transformadores monobuchas, caracteriza-dos 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 transforma-dores 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 nú-cleo de liga amorfa (Fe78B13Si9).
Figura 3. Transformadores monofásicos, tipo MRT, fabricados com núcleo de liga amorfa.
Na Tabela 4 são apresentados, em valores mé-dios, os resultados obtidos das perdas ativas no nú-cleo e das correntes de excitação, mediante ensaios de circuito aberto realizados com transformadores monofásicos MRT no laboratório do fabricante.
Tabela 4. Perdas no núcleo e corrente de excitação em transfor-madores monofásicos MRT de 5 kVA, 60 Hz.
Material do núcleo Perdas no núcleo (W) Corrente de excitação (A) Liga amorfa 8 1,12 FeSi 36 3,17
No ensaio de perdas em vazio e corrente de ex-citação, a medição das perdas foi realizada à fre-quência 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 núcleo 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;
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 núcleo 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 mo-nofásicos com núcleo 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 núcleo e corrente de excitação em transfor-madores monofásicos com núcleo de liga amorfa. Tensões nomi-nais no lado de A.T. (kV): 7,97 a 7,28; e no lado de B.T. (V): 220.
Potência aparente (kVA) Perdas no núcleo (W): mínima e máxima Corrente de excita-ção (%): 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 sis-temas 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, condiciona-dores de sinais, máquinas de solda, etc.
Objetivando verificar o desempenho de trans-formadores monofásicos e trifásicos com núcleo de liga amorfa em comparação com transformadores com núcleo de aço ao silício de grãos orientados (GO) na presença de cargas causadoras de harmôni-cos, 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 es-tudo de caso de dois transformadores trifásicos de 500 kVA, um com núcleo de liga amorfa e outro com núcleo de ferro-silício GO. Esses transformadores foram monitorados numa planta industrial, durante um fim de semana, tendo fornos a arco como princi-pais 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 trans-formador com núcleo 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 núcleo de
ferro-silício 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 harmô-nicas, foram avaliados os desempenhos de dois trans-formadores de 250 kVA: um, com núcleo de liga amorfa, e outro com núcleo de ferro-silício GO lami-nado 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 núcleo de liga amorfa e outro com núcleo 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 núcleo 132 466 Bobinas (carga média) 966 1 084 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 núcleo 173 853 Bobinas (carga média) 1 553 1 671 Carregamento 55% 58% Perdas totais 1 726 2 524 Examinando-se os valores apresentados na Ta-bela 6, verifica-se que tanto sob condições senoidais, quanto sob condições harmônicas o transformador com núcleo de liga amorfa apresenta menores perdas. Verifica-se, também, que a introdução de componen-tes 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 li-gas amorfas em núcleo de transformadores foram apresentadas neste trabalho e em diversos artigos nele referenciados.
No tocante às avaliações econômicas, elas de-pendem 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 em-prego da fórmula de capitalização de perdas:
CT = Pa + A Pn + B Pc, (1)
na qual:
CT = Custo total capitalizado.
Pa = Preço de aquisição do transformador.
A = Fator de perdas no núcleo. Pn = Perdas no núcleo.
B = Fator de perdas no cobre. Pc = 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 núcleo de FeSi face aos transfor-madores idênticos com núcleo de liga amorfa.
Tabela 7. Comparativo das perdas de energia nos transformadores com núcleo de FeSi versus transformadores com núcleo de liga
amorfa: transformadores monofásicos MRT de 5 kVA, 60 Hz.
Número de transformadores Perdas em vazio (W) Perdas de energia (MWh/ano)
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 núcleo permanecem constantes, independentemente da carga alimentada pelo transformador, as perdas com transformadores com núcleo de FeSi convencio-nal representam um custo anual de R$ 1.840,00, enquanto que os transformadores com núcleo amorfo representam um custo de R$ 313,12. Isto significa uma redução de 83%.
5 Conclusão
Em diversos países, em diferentes continentes, transformadores com núcleo 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 núcleo como principal figura de mérito.
No tocante à viabilidade técnica, o emprego de ligas amorfas em núcleos de transformadores é uma tecnologia dominada, restando aprofundar as discus-sões ambientais quanto ao processo de reutilização das ligas amorfas depois da vida útil desses equipa-mentos.
No que tange aos aspectos econômicos, eles de-pendem 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 núcleo pode resultar em economias de energia e retorno do capital investi-do. Uma das possibilidades do cálculo desse retorno
pode ser mediante o emprego da fórmula de capitali-zação de perdas apresentada neste trabalho.
Com relação à conservação do meio ambiente e à sustentabilidade, de maneira global, a opção por transformadores com núcleo de liga amorfa, por serem mais eficientes energeticamente, pode contri-buir de forma significativa para a redução de CO2 no meio ambiente. Segundo estudos realizados por Ha-segawa e Azuma (HaHa-segawa e Azuma, 2008), a subs-tituição de transformadores com núcleo de FeSi por transformadores com núcleo 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.
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