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– Transformadores, ligas amorfas, eficiência energética.
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Geralmente, nas áreas rurais as residências estão localizadas de forma dispersa. Portanto, para atender os critérios de queda de tensão, torna-se necessária a instalação de um grande número de transformadores com baixa potência nominal, o que contribui para aumento das perdas gerais do sistema. Por esta razão, para este estudo, foi escolhido um ramal do sistema da rede rural de distribuição de energia elétrica da Companhia Energética da Borborema – CELB, localizada no Município de Queimadas - PB, onde foram instalados 20 transformadores monofásicos com núcleo de liga amorfa, nas potências de 5 kVA, 10 kVA, 15 kVA e 25 kVA. Neste trabalho é apresentada uma análise comparativa de desempenho desses equipamentos em relação aos transformadores monofásicos de idênticas potências nominais, fabricados com núcleo de chapas de aço ao silício, particularmente no que diz respeito às perdas no núcleo. Adicionalmente, são apresentadas considerações sobre a viabilidade econômica desta nova tecnologia]
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Independentemente de estar alimentando qualquer carga, ou não, quando o primário de um transformador está ligado ocorrem perdas de energia no material ferromagnético do núcleo que se manifestam sob a forma de calor e ruído audível. Estas perdas são responsáveis pela redução da eficiência energética deste equipamento e buscar uma maneira de reduzi-las passa a ser uma tarefa de engenheiros eletricistas e pesquisadores da área de engenharia e ciência dos materiais.
Nos últimos anos, tem sido crescente a necessidade de se utilizar energia de forma racional, o que está intimamente relacionado com as políticas de preservação do meio ambiente. É neste particular que os transformadores com núcleo de material amorfo vêm substituindo, em escala crescente, e com sucesso, os transformadores tradicionais com núcleo de aço ao silício de grãos orientados.
Atualmente, os Estados Unidos contam com mais de um milhão de transformadores com núcleos de material amorfo (10% do total) instalados em seu sistema de distribuição de energia elétrica.
Com mais de 120 mil unidades instaladas, o Japão é segundo país do Mundo em número de transformadores com núcleos de material amorfo, seguido de países como a Índia, Filipinas, Bangladesh, Coréia, Taiwan, China, Bélgica, Reino Unido e Irlanda.
Na América Latina, entretanto, o emprego destes transformadores é recente.
No Brasil, em particular, os primeiros estudos e ensaios experimentais com esses tipos de equipamentos tiveram sua origem no ambiente acadêmico (UFRGS e UFPB), passando, em seguida, para a montagem em unidades industriais tais como: CEMEC (5 kVA, 10 kVA, 15 kVA e 25 kVA), Toshiba do Brasil (25 kVA) e Romagnole (10 kVA, 25 kVA e 75 kVA). Algumas dessas unidades foram instaladas em sistemas de distribuição de energia elétrica nas regiões Nordeste [1], Sudeste [2] e Sul do país.
Neste trabalho é apresentada uma análise comparativa de desempenho desses equipamentos em relação aos transformadores monofásicos de idênticas potências nominais, fabricados com núcleo de chapas de aço ao silício, particularmente no que diz respeito às perdas no núcleo. Para efeito de estudo foi escolhido um ramal do sistema de distribuição de energia elétrica da Companhia Energética da Borborema – CELB, localizado na zona rural no Município de Queimadas - PB, onde foram instalados 20 transformadores monofásicos com núcleo de liga amorfa, nas potências de 5 kVA, 10 kVA, 15 kVA e 25 kVA.
Adicionalmente, neste trabalho são apresentadas
considerações sobre a viabilidade econômica relativa à adoção desta nova tecnologia.
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As ligas amorfas formam um grupo de materiais metálicos não-cristalinos, que se caracterizam por não possuírem, à longa distância, uma estrutura atômica ordenada. O princípio básico de obtenção destes materiais é o da solidificação rápida de metais, a partir de seu estado fundido. Nestes processos, as taxas de resfriamento devem ser elevadas o suficiente, de forma a inibir a cristalização. Desta forma, para valores típicos, na faixa de 104 a 108 K/s, a solidificação ocorre de
forma abrupta, sem que haja tempo para mudanças
microestruturais [3]. Assim, o material atinge o seu estado sólido, mantendo uma estrutura atômica
desordenada, em oposição à estrutura atômica
rigidamente ordenada das ligas de ferro-silício de grãos orientados (GO), tradicionalmente empregadas em núcleos de transformadores de distribuição. Assim, o material atinge o seu estado sólido, mantendo uma estrutura atômica desordenada, em oposição à estrutura atômica rigidamente ordenada das ligas de ferro-silício de
grãos orientados (GO), tradicionalmente empregadas em núcleos de transformadores de distribuição.
Sabe-se que, teoricamente, o material do núcleo de um
transformador de distribuição deve possuir,
simultaneamente: alta indução de saturação, baixa força coerciva e baixas perdas na freqüência industrial.
No que diz respeito às ligas amorfas, as baixas perdas magnéticas são atribuídas a três fatores: a homogeneidade microestrutural, que gera uma baixa anisotropia magnética; a composição química, posto que o alto teor de metalóides e a desordem estrutural contribuem para o aumento da resistividade; e o fato de as ligas amorfas
serem produzidas em espessuras muito reduzidas (30µm),
quando comparadas com as chapas de aços ao silício
convencionais empregadas em núcleos de
transformadores.
Esta característica peculiar das ligas amorfas impõe dificuldades práticas durante a montagem eletromecânica dos núcleos, o que implica numa abordagem específica para a definição do projeto e cuidados especiais no manuseio das mesmas durante a montagem do núcleo, bobinas e demais acessórios, tais como: o uso de luvas, para evitar a oxidação acelerada do material amorfo, e a precaução com respeito à aplicação de esforços mecânicos que venham a comprometer as propriedades magnéticas do material do núcleo [4].
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Partindo de uma proposição acadêmica apresentada numa
tese de doutorado [5], a CEMEC – Construções
Eletromecânicas S/A, fabricante de transformadores, localizada em Fortaleza - CE, foi a primeira empresa brasileira, a montar transformadores com núcleos de liga amorfa, utilizando núcleos fornecidos pela empresa norte-americana TTU al.
Inicialmente, foi produzido um lote de nove
transformadores monofásicos com potência nominal de 15 kVA, 13,8kV/220V, 60 Hz. Esses transformadores foram submetidos a ensaios em vazio e de curto-circuito,
TABELA I
ENSAIOS COMPARATIVOS ENTRE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS DE 15 KVA, 13.800V/220V, 60 HZ, CLASSE 15 kV. Ensaios Núcleo amorfo Núcleo de FeSi GO Valores garantidos pela NBR 5440 [7] ! 14,7 84,0 85,0 Curto-circuito (W) 286,5 266 -Perda total (W) 301,2 350 355 " $# % & ' ( ) *z + z *, ) *) v};vq ~ stq 'wq xyu
Esses primeiros transformadores foram instalados experimentalmente nos sistemas de distribuição de empresas concessionárias de energia elétrica do Nordeste brasileiro, sendo um deles instalado pela Companhia Energética da Borborema (CELB) em seu sistema de
distribuição rural localizado no município de
Massaranduba - PB [6].
A opção pela instalação do transformador na zona rural se deu em função do baixo fator de carga nessa região, onde as perdas no núcleo são preponderantes sobre as perdas nos enrolamentos, por longos períodos.
Antes da instalação desse transformador, foram realizados ensaios experimentais no Laboratório de Ensaios da CELB, cujos resultados foram idênticos aos valores médios obtidos nos ensaios experimentais realizados no laboratório da CEMEC.
Esse transformador foi instalado num poste localizado ao lado de uma escola pública e, para efeito de monitoramento, foi instalado um medidor universal de grandezas elétricas (MUG) no lado de baixa tensão, conforme apresentado na Figura 1.
Figura 1 – Transformador com núcleo de liga amorfa e equipamento de medição instalado no lado de BT. Após uma semana, o MUG foi retirado e os dados das medições das grandezas elétricas (tensões, correntes, potência) foram analisados. Seis meses depois de instalado, o transformador foi retirado do poste e novamente submetido aos ensaios de circuito aberto e de
curto-circuito, apresentando resultados técnicos
satisfatórios, em termos de desempenho comparativo, antes de depois da instalação no campo.
Assim, a partir desses resultados satisfatórios, a CELB decidiu realizar um segundo estudo experimental; e para tanto adquiriu, junto a CEMEC, vinte transformadores monofásicos com núcleo de liga amorfa para a instalação num de seus ramais de distribuição localizado na zona rural da cidade de Queimadas-PB.
Antes da entrega desses equipamentos à CELB, os mesmos forma submetidos a ensaios no laboratório da CEMEC, cujos resultados são apresentados na Tabela II.
TABELA II
RESULTADOS DOS ENSAIOS COM TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS COM NÚCLEO DE LIGA AMORFA. TENSÕES A.T.: 7,97 a 7,28 kV; B.T.: 220 V. Potência (kVA) Perdas no núcleo (W): mínimas e máximas Perdas no cobre (W): mínimas e máximas Corrente de excitação (%): mínimas e máximas 5 8-14 85-88 0,94-2,59 10 9-18 160-169 0,14-2,63 15 13-14 230-242 0,16-0,81 25 17-19 303-330 0,11-0,22
Uma vez escolhido o ramal de distribuição, foi realizada a substituição dos transformadores convencionais com núcleo de FeSi por unidades com núcleo de liga amorfa, nos mesmos postes nos quais estavam instalados os transformadores com núcleo de material magnético convencional, conforme apresentado na Figura 2.
Figura 2 – Transformador com núcleo de liga amorfa instalado na zona rural de Queimadas.
A exemplo do experimento anterior, realizado com o transformador monofásico de 15 kVA instalado no sistema de distribuição localizado na zona rural de Massaranduba, foram realizadas medições das grandezas elétricas nos equipamentos instalados na zona rural do município de Queimadas. Desta feita, a medição foi
realizada no lado de Alta Tensão, utilizado-se um medidor de grandezas elétricas, conforme apresentado na Figura 3.
Figura 3. Medidor de grandezas elétricas.
Nesse caso, as grandezas monitoradas foram: energia ativa, energia reativa, tensão e corrente na linha de alimentação dos transformadores, no lado de alta tensão. O medidor instalado operou por um período de 7 dias, realizando leituras a cada 5 minutos. Os resultados confirmaram a viabilidade técnica dos transformadores com núcleo de liga amorfa.
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O estudo da viabilidade técnica e econômica (EVTE) de produtos e serviços inovadores relacionados à energia passa por abordagens metodológicas que envolvem: a caracterização do projeto, a análise da atratividade e das incertezas. Em geral, este último tipo de análise difere do tratamento objetivo dos dois primeiros por envolver externalidades, como os benefícios ambientais e os desdobramentos sociais, por exemplo.
De forma simplificada, há pelo menos dois modos distintos de se avaliar a relação custo-benefício introduzida pela nova tecnologia. O primeiro, no caso específico de transformadores com núcleo de material
amorfo, considera-se a economia direta pela
disponibilidade adicional do diferencial de potência em relação a um transformador convencional, durante o horário de ponta na curva de carga, somada à economia de investimento em geração de energia elétrica durante a vida útil do equipamento. O segundo modo considera a equação convencional utilizada nos processos de capitalização de perdas, adotada em muitos países [8]:
× × (1) na qual:
Custo total capitalizado.
= Preço de aquisição do transformador.
= Fator de perdas no núcleo.
= Perdas no núcleo.
= Fator de perdas no cobre.
Nesse caso são levados em consideração os custo da energia, inflação, taxas e outros fatores econômicos, combinando o custo inicial de aquisição do transformador com os custos de operação, ao longo de sua vida útil. No Brasil, as concessionárias de energia elétrica adotam fórmulas diferentes para o cálculo de capitalização das
perdas
.
Na Companhia Energética da Borborema-CELB, por exemplo, a fórmula adotada para a capitalização de perdas em transformadores monofásicos rurais é a seguinte: 5.458,07× 560,06× , (2) na qual: = Capitalização de perdas, em R$. = Perdas em vazio, em kW. = Perdas em carga, em kW
Tomando-se como exemplo prático o transformador monofásico de 15 kVA, e os resultados dos ensaios comparativos apresentados na Tabelas I, pode-se calcular a redução das perdas no núcleo decorrente da substituição do transformador convencional pelo transformador com
núcleo de material amorfo
:
∆Perdas
84 –14 = 70 W (3) Considerando o custo de US$ 1000,00/kW para atender a demanda no horário de ponta na curva de carga, pode-se calcular o valor economizado, em dólares:
EPerdas = US$ 70,00 (4)
Por outro lado, considerando que, em média, a vida útil
deum transformador é de 30 anos, e que ele opere por 18
horas fora do pico de demanda, ao longodos 365 dias do
ano, com um valor de US$ 50,00/MWh necessários à construção de novas usinas, a economia total de energia elétrica pode ser calculada da acordo com o seguinte cálculo[9]:
EMWh
30×365×18×(70×10-6MWh) × US$ 50,00/MWh
= US$ 689,85 (5)
Como a aquisição dessa nova tecnologia teve um custo adicional, que no caso específico foi de aproximadamente
US$ 554,00 (transformador com núcleo amorfo ≅ US$
815,00 e transformador convencional ≅ US$ 261,00), o retorno líquido para a concessionária, por unidade de transformador, ao longo da vida útil do equipamento, pode ser estimado em US$ 135,85.
Um outro cálculo importante, em termos de análise econômica, é o tempo de retorno do investimento r, que
pode ser calculado a partir da seguinte expressão:
[ ^ ^ V WW W T U'U U X W
(6) na qual o Custo remanescente (
) é a diferença entre o valor do transformador convencional e a economia
imediata relativa à redução da demanda no horário de ponta na curva de carga]
= US$ 261,00 - US$ 70,00= US$ 191,00 (7)
e a Economia anual de energia (
) pode ser calculada por:
365 × 18 × (70 × 10-6) × 50 = US$ 22,99 (8) Portanto, o tempo de retorno do investimento será de
aproximadamente 8,3 anos, de acordo com o seguinte cálculo:
= US$ 191,00/ US$ 22,99 = 8,3 (9)
Nesse cálculo do tempo de retorno não foram considerados os custos de desconexão da unidade existente e da instalação da nova unidade.
Tomando como base os valores máximos das perdas no núcleo e das perdas no cobre, apresentados na Tabela II, um quadro demonstrativo da comparação econômica entre transformadores monofásicos de distribuição de 15 kVA é apresentado na Tabela III.
TABELA III
COMPARAÇÃO ECONÔMICA ENTRE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS DE 15 kVA, 7967V/220V, 60 Hz. v # r Núcleo FeSi u Perdas no núcleo (W) 14 84
Fator de perdas no núcleo (R$/kW)
5.458,07 5.458,07
Perdas no cobre (W) 242 266
Fator de perdas no cobre (R$/kW)
560,06 560,06
Preço de aquisição (R$) 1.873,14 599,39
Custo das perdas no núcleo (R$)
76,41 458,48
Custo das perdas no cobre (R$)
135,53 148,97
Custo total (R$) 2085,08 1206,84
Número de anos para
recuperar o custo adicional do capital
8,3
-Examinando-se os dados comparativos apresentados na Tabela III, percebe-se que o custo total do transformador com núcleo de FeSi é mais baixo. Entretanto, como o custo anual das perdas no transformador com núcleo de material amorfo é menor, e a vida útil desse equipamento é de 30 anos, o alto custo do capital inicial é compensado, favorecendo o retorno do investimento em 8,3 anos.
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Os resultados de trabalhos experimentais realizados com os protótipos de transformadores monofásicos montados
com núcleo de material amorfo, têm confirmado o desempenho superior destes equipamentos quando comparados com transformadores de valores nominais idênticos, porém construídos com núcleos de FeSi convencionais, particularmente no que se relaciona à potência de excitação e às perdas em vazio [9], [10], [11] e [12].
Por outro lado, tomando-se como base as fórmulas de capitalização de perdas, adotadas pelas concessionárias de energia elétrica, que levam em conta não apenas o custo inicial de aquisição e instalação do transformador com núcleo de material amorfo, mas também os custos das perdas ao longo de sua vida útil, verifica-se que a economia de energia obtida com TDMA pode se situar em torno de 42% a 82%, em relação ao transformador com núcleo convencional, assegurando o retorno do investimento a curto ou médio prazo.
Atualmente, no Brasil, as empresas distribuidoras de energia elétrica, apesar de reconhecerem o potencial de redução de perdas, ainda não decidiram pelo uso extensivo dos transformadores com núcleos de liga amorfa em seus sistemas de distribuição. Provavelmente, dois podem ser os motivos desta postura conservadora: o preço inicial de aquisição e o fato de o material do núcleo ser produzido no exterior (USA). Ora, se são esses os principais motivos, o que dizer da política que incentiva os consumidores a instalarem lâmpadas fluorescente compactas, as quais são, em média, vinte vezes mais caras que as lâmpadas incandescentes convencionais? E o que dizer dos impactos ambientais introduzidos por essas lâmpadas fluorescentes compactas no descarte, ao término a vida útil, e do impacto na qualidade de energia, decorrente dos harmônicos e do baixo fator de potência? Por outro lado, a substituição de transformadores com
núcleos de materiais ferromagnéticos cristalinos
tradicionais por transformadores com núcleos de liga amorfa, pode, simultaneamente, significar: eficientização energética e conservação ambiental. Isto porque, além de trazer como benefício econômico a redução da necessidade de construção de novas usinas geradoras de eletricidade, evitaria, no caso de usinas hidrelétricas, impactos ecológicos e sociais, e, no caso de usinas termelétricas, menor consumo e emissão de poluentes, devido à queima de combustíveis. Neste último caso, o benefício em termos de conservação do meio ambiente pode ser caracterizado pela a redução significativa das
emissões de dióxido de enxofre (SO2), óxidos de
Nitrogênio (NOx) e dióxido de carbono (CO2), poluentes
responsáveis pela chuva ácida e pelo efeito estufa.
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[1] 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 15 kV. Anais do I Congresso de Inovação Tecnológica em Energia. Brasília, pp. 214-218; 06 e 17 de novembro de 2001. [2] Bini, M. A.; Moraes, M. M.; Campos, L. B.; Silos, A.
C. de; Salotti F. A.; Luciano, B. A. Estudo de aplicação experimental e viabilidade de utilização de
transformadores de distribuição com núcleo amorfo. Anais do I Congresso de Inovação Tecnológica em Energia. Brasília, pp. 33-37; 06 e 17 de novembro de 2001.
[3] Raskin, D.; Davis, A. L. Metallic glasses: a magnetic alternative]
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– Revista de Tecnologia da
Universidade Federal da Paraíba, No. 1, pp. 37-42, 2000.
[5] Luciano, B. A. Estudo de aplicações da liga Fe78B13Si9 amorfa em núcleos de transformadores de
baixa potência, (Tese de Doutorado), Coordenação de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Federal da Paraíba, 1995.
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[8] Prues, C. Low core loss transformers for industrial energy saving, ^ U X U U , Vol. 18, NO. 7, July 1998.
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[10] Silva, S. R.; Vasconcelos, F. H.; Ragone, J. C.; Pinto, M. F. Caracterização de transformadores com núcleo de metal amorfo para aplicação em redes monofásicas de distribuição de energia elétrica. Anais do I Congresso de Inovação Tecnológica em Energia. Brasília, pp. 235-239; 06 e 17 de novembro de 2001. [11] Li, T.; Wang, K. Economic Rural Network
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