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Por que os transformadores de energia são tão barulhentos?

Como mostrado neste vídeo de um transformador de energia de 120 MVA.

Um exemplo de um transformador de energia ruidoso


Esse ruído, conhecido como zumbido do transformador, é tão alto que o pessoal obrigatório deve usar equipamentos de proteção nas subestações de energia. Perto de instalações residenciais, comerciais e médicas, o barulho é insuportável. É como usar um secador de cabelo ou um aspirador de pó 24 horas por dia, 7 dias por semana! As Tabelas 1 e 2 comparam o zumbido do transformador com níveis conhecidos de pressão sonora ambiente em decibéis (dB) . Podemos ver que o transformador mais silencioso faz uma quantidade de ruído semelhante a uma geladeira. À medida que a potência nominal aumenta, também aumenta o nível de ruído, até que seja equivalente ao de um aspirador de pó.


Tabela 1: Níveis de pressão sonora ambiente (à esquerda). Tabela 2: Níveis de pressão sonora do transformador (à direita)


Consequentemente, a instalação de transformadores perto de pessoas sem equipamento de proteção deve atender a rigorosos requisitos de emissão de ruído. Para evitar o excesso de engenharia, o zumbido do transformador não precisa ser significativamente menor do que os níveis de som de outros equipamentos locais, como ventiladores de resfriamento. A classificação, design, montagem e instalação afetam o nível de som.

O que é aço silício elétrico de grão orientado laminado a frio (CRGO/GOSS/GOES)?


A adição de silício ao aço aumenta a resistividade elétrica do ferro, reduzindo as perdas por correntes parasitas. Para transformadores, a permeabilidade unidirecional é desejada. Isso é obtido orientando os cristais e grãos no material. Como resultado, o fluxo permeia facilmente na direção orientada com a aplicação de um campo externo. O material é afinado usando laminação a frio para alinhar os cristais. Isso tem duas vantagens sobre a laminação a quente: em primeiro lugar, alinha os cristais na direção da laminação e, em segundo lugar, permite tornar o material mais fino. Camadas mais finas de chapas de aço separadas por uma camada isolante reduzem ainda mais as correntes parasitas.

O que causa o zumbido do transformador?


Para entender as fontes do zumbido do transformador, devemos primeiro observar a estrutura de um transformador. A Figura 1 mostra um transformador trifásico. As fases A, B e C (ou U, V e W) estão enroladas em uma das pernas, correspondendo aos corpos vermelho, azul e verde na imagem abaixo. O caminho do fluxo magnético principal é bem definido e unidirecional. Aplicamos essa vantagem para maximizar a densidade de potência do transformador usando aços elétricos unidirecionais (anisotrópicos). São aços silícios elétricos de grão orientado laminados a frio (CRGO/GOSS/GOES). Estes são aços elétricos projetados para permear o fluxo de forma eficiente apenas em uma direção com uma perda ainda menor. Nos cantos, vemos que o fluxo deve mudar de direção, forçando-o pela direção não otimizada. Para lidar com isso, o núcleo é dividido em jugos superior e inferior, e as três pernas usam articulações especialmente projetadas. O projeto da junta do transformador, conforme visto à direita da Figura 1, é um desafio de engenharia digno. Afeta as perdas, ruído e montagem.

Figura 1: Estrutura básica de um transformador de potência trifásico


O que é magnetostricção?


O preço que pagamos pelo uso de aços de grão orientado são os níveis de ruído mais altos. Em geral, quando um material ferromagnético é exposto a um campo magnético, ele sofre tensões mecânicas que alivia mudando de forma. Essa mudança de forma devido às forças induzidas pelo campo magnético é a magnetostricção. A deformação é positiva (aumenta), como é o caso do ferro, ou negativa (encurta), como ocorre no níquel.

Figura 2: A deformação de um membro transformador devido a um campo magnético Ha aplicado senoidalmente


Na Figura 2, à medida que o campo aplicado aumenta, o membro (manga ou perna) sofre tensão e se alonga, o que é máximo conforme o pico do campo. À medida que o campo diminui, o alongamento também diminui. No semiciclo negativo, o processo de deformação se repete, embora o campo seja invertido (desconsiderando os efeitos de memória de histerese). A magnetostricção, portanto, ocorre com o dobro da frequência da rede, ou seja, para cada ciclo elétrico, existem dois ciclos de magnetostricção. Outros elementos permeáveis ​​do transformador, como blindagens, braçadeiras e tanques, também sofrem magnetostrição devido à exposição ao fluxo de dispersão (disperso). Agora podemos considerar os efeitos das forças magnetostritivas na nova versão 2212 do Simcenter 3D Low Freq EM.


Embora aconteça em todos os dispositivos ferromagnéticos, por que está associado a transformadores? Simplesmente por causa do material do núcleo. Aços elétricos de grão orientado permeiam mais fluxo unidirecional para o mesmo campo aplicado que os aços não orientados (isotrópicos). Aços isotrópicos são usados ​​em máquinas elétricas rotativas. Assim, os aços elétricos de grão orientado experimentam maiores níveis de magnetostricção e pressão sonora.


Esta é a única fonte de ruído do transformador?


Na animação, você percebe que os enrolamentos do transformador são uma parte importante do transformador. Eles também experimentam uma força conhecida como Lorentz ou J x B , onde J é a densidade superficial de corrente elétrica e B é a indução magnética. Se você colocar um condutor entre os pólos de um imã em forma de ferradura e colocá-lo sobre dois condutores paralelos onde ele pode rolar livremente, complete o circuito usando uma bateria e um interruptor. Imediatamente você liga o interruptor, o condutor irá rolar em uma direção até que esteja fora do alcance do campo magnético. Da mesma forma que o fio solto é deslocado nas imagens abaixo. Ele experimenta a força de Lorentz causada pelo fluxo de corrente na presença de um campo magnético.


Os enrolamentos do transformador também experimentam isso, pois conduzem corrente na presença dos campos do núcleo, dispersão e enrolamento (próprio e mútuo). Embora aparafusado, ainda ocorre alguma deformação da estrutura do enrolamento, repetindo-se com o dobro da frequência da grade. Além do ruído, as forças de Lorentz são muitas vezes a razão para a falha estrutural do enrolamento. Como costuma acontecer quando um sistema entra em curto-circuito e a corrente aumenta várias vezes a corrente nominal.


Os elementos estruturais do transformador condutivo, como blindagens, parafusos e sistemas de fixação, também estão sujeitos às forças de Lorentz. Eles estão expostos a dispersões e campos dispersos, que induzem correntes parasitas, resultando em forças de Lorentz. A redução de dispersões e campos parasitas é um desafio sempre presente no projeto de transformadores .


Com nossos novos conhecimentos, vamos revisitar a junta do transformador vista à direita da Figura 1. É importante observar os entreferros. Eles interrompem o fluxo do fluxo magnético estabelecendo uma força atrativa entre os degraus, como quando um espaço separa dois ímãs. Isso é agravado pelos efeitos magnetostrictivos e pelo maior dispersão de fluxo. A força atrativa ou repulsiva é conhecida como força magnética ou força de Maxwell . A complexidade do projeto da junta do transformador é abordada observando-se o EMAG e as contribuições de força.


Como o ruído do transformador é analisado?


O reator de 1300 kVar visto na figura 3 foi simulado na nova versão do Simcenter 3D 2212. No ambiente EM de baixa frequência (EMAG), a curva característica magnetostritiva foi definida a partir da deformação e da indução magnética. Após a configuração do problema EMAG, as forças de interesse com base nos corpos sobre os quais atuam, no caso o núcleo, foram solicitadas e extraídas simultaneamente durante a resolução. Eles foram então exportados para o solucionador Simcenter 3D Acoustics. Modelos secundários geométricos e de malha específicos da física foram derivados e associados ao mesmo CAD primário .


Consequentemente, quaisquer alterações CAD são herdadas automaticamente, economizando o tempo que seria gasto manualmente para acomodar quaisquer novas alterações geométricas.


Os resultados de campo da figura 3 são as induções mangéticas, as forças de magnetostricção e a pressão acústica correspondente, tudo no Simcenter 3D.

Figura 3: As induções magnéticas, as forças nodais magnetostrictivas e a pressão acústica resultante de um reator de 1300 kVar cortesia da Baobian Electric


Até este ponto, examinamos apenas as fontes de ruído EMAG, que se aplicam a transformadores resfriados naturalmente. Para resfriamento forçado usando ventiladores, é importante considerar tanto as fontes EMAG quanto as fontes mecânicas (por exemplo, ventiladores) na análise de ruído, conforme ilustrado na figura 4.

Figura 4: Uma abordagem de design multifísico de transformador de potência no Simcenter 3D, onde diferentes atributos físicos são avaliados para verificar seu desempenho


Como a simulação ajuda?


O desenvolvimento de transformadores de potência é um processo multiobjetivo (custo, tempo, qualidade) que os fabricantes de equipamentos devem acertar na primeira vez. Isso ocorre porque, nas indústrias de energia e serviços públicos, o protótipo físico é o produto. Nessas indústrias, as iterações físicas são realmente caras. Os fabricantes devem, portanto, entender o comportamento do transformador o mais rápido possível. A nova versão do Simcenter 3D 2212 fornece essa visão baseada na física sobre o comportamento do transformador. Isso é EMAG, desafios de engenharia estrutural e acústica em uma plataforma multifísica centrada em CAD com fluxos de trabalho rastreáveis. Ou seja, os diferentes atributos físicos (EMAG, estrutural e NVH) são verificados garantindo o desempenho geral do produto. Isso evita o excesso de engenharia com base em uma única física. A manutenção de vínculos geométricos com um modelo CAD primário de referência propaga as alterações geométricas automaticamente, mantendo os resultados da simulação (CAE) atualizados e garantindo sua relevância nas decisões de desenvolvimento do produto. A rastreabilidade padroniza os processos, acelerando os fluxos de trabalho, reduzindo as chances de duplicação desnecessária de tarefas e aprimorando a colaboração entre várias equipes.

 

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