Núcleo amorfo x aço de silício: comparação de estrutura, perdas e projeto

Atualmente, o núcleo dos transformadores de distribuição utilizados nas redes elétricas urbanas e rurais é basicamente composto por chapas de aço ao silício laminadas a frio e orientadas.

Esse tipo de transformador com núcleo de aço ao silício continuará consumindo eletricidade e gerando calor enquanto estiver conectado à rede elétrica, mesmo que não haja carga na saída. Assim, a perda em modo de espera é relativamente alta.

No entanto, nos transformadores com liga amorfa, o núcleo utiliza um novo tipo de material de liga amorfa. Em comparação com os transformadores comuns com núcleo de aço ao silício, seu consumo de energia sem carga após a ativação é significativamente reduzido.

Para reduzir o consumo de energia dos transformadores e aumentar sua eficiência operacional, as ideias de melhoria mais importantes residem em dois pontos:

▪️ Primeiro, substituí-los por materiais de núcleo magnético de maior qualidade;

▪️ Segundo, otimizar a estrutura interna do núcleo e da bobina para aproveitar plenamente as vantagens dos novos materiais, como alta permeabilidade magnética e baixas perdas. O uso a longo prazo pode gerar uma economia significativa nos custos de eletricidade e proporcionar melhores benefícios econômicos.

O que é liga amorfa?

Os metais que vemos com frequência no dia a dia são todos materiais cristalinos. Seu estado físico caracteriza-se pelo fato de os átomos do metal estarem dispostos em cristais de acordo com certas regras. Os materiais de liga amorfa possuem átomos dispostos em um padrão cristalino irregular em seu interior. Quando os metais são aquecidos e derretidos, os átomos internos tornam-se ativos e resfriam-se rapidamente. Os átomos não têm tempo para se organizar e cristalizar regularmente, resultando no que é chamado de ligas amorfas.

As ligas amorfas empregam principalmente técnicas de super-têmpera e têmpera rápida, apresentando átomos internos livres e desordenados de longo alcance, sem grãos ou limites de grãos, o que não afeta o movimento dos domínios magnéticos. Essa liga amorfa possui muitas propriedades físicas únicas, como excelentes propriedades magnéticas macias, alta resistência à corrosão e alta resistência mecânica.

Como as ligas amorfas melhoram a eficiência dos transformadores de potência?

Os materiais de ligas amorfas processados e fabricados por meio de métodos como resfriamento ultrarrápido e solidificação não possuem rede cristalina nem limites de grãos, apresentam baixa perda por correntes parasitas e boa estabilidade térmica.

(2) Devido à distribuição ordenada de curto alcance dos átomos e à fraca força coercitiva nas ligas amorfas, a ionização dos domínios magnéticos não é afetada. Portanto, o desempenho em termos de perdas por histerese das ligas amorfas é muito superior ao das chapas de aço ao silício.

(3) O grau de magnetostricção das ligas amorfas é maior do que o do aço-silício orientado. Atualmente, o índice teórico de controle de ruído térmico dos transformadores com núcleo de liga amorfa é muito superior ao dos transformadores comuns de aço-silício. Por meio da otimização do projeto e do ajuste estrutural das características gerais dessa série de transformadores, são adotadas tecnologias de processamento adequadas e técnicas avançadas de montagem, além da incorporação de métodos físicos de redução de ruído, como o amortecimento. O nível de ruído pode atingir ou até mesmo ser inferior ao dos transformadores com núcleo de chapas de aço-silício.

Núcleo amorfo x Aço de silício

Características estruturais

Os segmentos do núcleo dos transformadores de liga amorfa são geralmente retangulares, enquanto os enrolamentos primário e secundário são processados em retângulos arredondados, o que aumenta a confiabilidade e a taxa de utilização dos fios. Em comparação com o núcleo tradicional de seção transversal circular multicamadas, isso não apenas economiza efetivamente uma grande quantidade de materiais necessários para o núcleo e as bobinas eletromagnéticas do transformador, mas também melhora significativamente a taxa de preenchimento do tanque de óleo.

Tipos de núcleos de liga amorfa

A estrutura dos núcleos de liga amorfa pode ser classificada em cinco tipos: tipo de anéis sobrepostos, tipo de anel único, tipo de distribuição de entreferro, tipo de placas sobrepostas e tipo de junta de topo a topo.

Método de conexão do núcleo

O método de conexão comumente utilizado para núcleos é a melhor escolha, pois leva em consideração de forma abrangente fatores como tensão do núcleo, resistência do núcleo, estrutura de fixação do núcleo e enrolamentos. No entanto, o tipo de encaixe possui um comprimento adicional de encaixe, tanto para cima quanto para baixo. A taxa de aproveitamento do material da estrutura de encaixe não é alta. Aumentar a espessura do núcleo levará a um aumento no tamanho do tanque de óleo e no peso do óleo.

Configuração típica do núcleo

A estrutura do núcleo dos transformadores de liga amorfa é geralmente trifásica de cinco colunas. Ela consiste em quatro núcleos magnéticos de bobina única e duas bobinas laterais.

Projeto estrutural

Os transformadores de liga amorfa não utilizam ligas amorfas como principais componentes de suporte estrutural, mas adotam um sistema de contração de enrolamento para reduzir a compressão do núcleo pelos enrolamentos e pelo próprio transformador.

Características da seção transversal do núcleo

Para a mesma capacidade, a área da seção transversal dos núcleos de liga amorfa é maior do que a dos núcleos de transformadores de aço ao silício. Isso se deve principalmente ao fato de que a densidade magnética de trabalho das tiras de liga amorfa é menor do que a das chapas de aço ao silício.

Comparação da geometria dos enrolamentos

Nas mesmas condições de seção transversal, a circunferência de um retângulo é maior do que a de um círculo. Portanto, a circunferência da ranhura principal dos enrolamentos de alta e baixa tensão de um transformador com núcleo de aço ao silício de mesma capacidade é menor do que a de um transformador de liga amorfa.

Requisitos de isolamento

De acordo com o nível máximo de requisitos de isolamento estipulado na norma de garantia de qualidade de desempenho do produto, a distância nominal máxima de isolamento principal dos transformadores de liga amorfa não deve exceder a dos transformadores de aço ao silício.

Projeto de transformadores com núcleo amorfo

Ao escolher transformadores de liga amorfa, a economia de energia é alcançada principalmente pela redução da perda em vazio do transformador. Portanto, reduzir a perda em vazio dos transformadores de liga amorfa é a questão mais importante a ser considerada ao projetar transformadores com núcleo de liga amorfa. Devido às muitas propriedades inerentes às ligas amorfas, os seguintes aspectos precisam ser considerados ao projetar e fabricar materiais de liga amorfa:

(1) Para minimizar o cisalhamento e o desgaste do núcleo, o núcleo de todo o produto é composto por quatro estruturas independentes, e cada fase do enrolamento é disposta em um circuito magnético independente das outras duas estruturas.

(2) Considerando que a espessura de cada peça de liga amorfa é relativamente fina e que a superfície do material de liga amorfa não é suficientemente lisa, não há exigências excessivamente elevadas quanto ao coeficiente de preenchimento do núcleo utilizado no transformador.

(3) Os materiais de liga amorfa apresentam excelente desempenho de baixas perdas e boa dissipação de calor por ar quente. Após o recozimento, os materiais de liga amorfa alcançam um desempenho ainda melhor em termos de baixas perdas.

(4) Os materiais de liga amorfa possuem alta dureza e não são facilmente cortados por ferramentas de corte comuns. Ao projetar e utilizar esse material de liga amorfa, o volume de corte deve ser reduzido ao máximo.

(5) Os materiais de liga amorfa apresentam forte indução de tensão mecânica. Ao projetar sua estrutura e selecionar componentes estruturais de suporte, é aconselhável evitar, tanto quanto possível, o uso de núcleos de ferro.