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Projeto de transformadores com simulação numérica

Eletromagnetismo

O projeto de transformadores, de uma maneira geral, é baseado em equacionamentos analíticos que fornecem uma resposta rápida com razoável acurácia de resultados e baixo esforço computacional. Estes pontos acabam sendo de extrema importância em uma etapa de engenharia, onde o tempo de desenvolvimento deve ser baixo e, normalmente, não existem recursos computacionais consideráveis.

No entanto, a busca por dispositivos cada vez mais otimizados sugere a necessidade de ferramentas mais avançadas, capazes de modelar fenômenos físicos mais complexos em topologias geométricas mais detalhadas e com maior nível de precisão, o que não é possível obter com modelos analíticos. Nos últimos anos, tal fato está fazendo com que as empresas fabricantes de transformadores invistam em áreas de P&D ou de engenharia avançada, para trabalharem com ferramentas numéricas e prestarem apoio às equipes de engenharia.

O MEF (Métodos de Elementos Finitos), mais especificamente na área de eletromagnetismo aplicado a esta indústria, vem sendo largamente aplicado. Há alguns anos, as ferramentas de MEF 2-D proviam resultados considerados aceitáveis e ainda são utilizadas como solução de baixo custo e de precisão razoável. No entanto, nos dias atuais, as ferramentas de MEF 3-D surgem com uma solução capaz de modelar efeitos importantes que não podem ser modelados em 2-D por falta de condições de simetria, como por exemplo:

– Perdas e temperatura nas partes estruturais internas e no tanque. Consequentemente, a otimização de possíveis blindagens magnéticas/eletromagnéticas (Figuras 1 e 2),

– Campo elétrico em conexões de alta tensão (Figura 3)

– Perdas no núcleo considerando efeitos tridimensionais como step-lap.

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Figura 1 – Otimização de blindagens no tanque

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Figura 2 –  Otimização do tanque do transformador considerando-se a distribuição de temperatura

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Figura 3 – Análise de campo elétrico em conexões de transformadores

Além de análises 3-D, faz-se importante ainda mencionar que os modelos numéricos para eletromagnetismo estão sempre em pleno desenvolvimento, podendo-se citar os modelos de histerese vetorial, que possibilitam um mapeamento mais preciso do comportamento do material magnético do núcleo, além de permitir um cálculo mais preciso das perdas deste tipo, principalmente de transformadores trifásicos, nos quais há um campo magnético rotacional nos cantos T.

Para tornar essas ferramentas computacionais ainda mais aplicáveis aos curtos prazos de engenharia, métodos de programação paralela estão sendo desenvolvidos, como por exemplo, o TDM (Time Decomposition Method), no qual grupos de intervalos de tempo de simulações transientes magnéticas são resolvidos em paralelo.

De uma forma geral, percebe-se que as simulações eletromagnéticas estão se tornando cada vez mais uma ferramenta de suma importância no desenvolvimento de projeto de transformadores, pois possibilitam obter respostas importantes que não são possíveis de serem obtidas com equacionamentos analíticos. Neste mesmo sentido, as pesquisas em métodos que otimizem o esforço e tempo computacionais auxiliam na expansão destas ferramentas como alternativas viáveis na etapa de projetos.

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[:es]El proyecto de transformadores, de una forma general, se basa en ecuaciones analíticas que ofrecen una respuesta rápida con razonable exactitud de resultados y bajo esfuerzo computacional. Estos puntos terminan por ser de extrema importancia en una etapa de ingeniería, donde el tiempo de desarrollo debe ser bajo y, normalmente, no existen recursos computacionales considerables.

Con todo, la búsqueda por dispositivos cada vez más optimizados sugiere la necesidad de herramientas más avanzadas, capaces de modelar fenómenos físicos más complejos en topologías geométricas más detalladas y con mayor nivel de exactitud, lo que no es posible obtener con modelos analíticos. En los últimos años, tal hecho hace que las empresas fabricantes de transformadores invistan en áreas P&D o de ingeniería avanzada, para trabajar con herramientas numéricas y prestar apoyo a los equipos de ingeniería.

El MEF (Métodos de Elementos Finitos), más específicamente en el área de electromagnetismo aplicado a la industria, es ampliamente aplicado. Desde hace algunos años, la herramienta de MEF 2-D proveían resultados considerados aceptables y aún son utilizadas como solución de bajo coste y de precisión razonable. Con todo, en los días actuales, las herramientas de MEF 3-D surgen con una solución capaz de modelar efectos importantes que no pueden ser modelados en 2-D por falta de condiciones de simetría, como por ejemplo:

– Pérdidas y temperatura en las partes estructurales internas y en el tanque. Consecuentemente, la optimización de posibles blindajes magnéticas/electromagnéticas (Figuras 1 y 2)

– Campo eléctrico en conexiones de alta tensión (Figura 3)

– Pérdidas en el núcleo considerando efectos tridimensionales como step-lap

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Figura 1 – Optimización de blindajes en el tanque

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Figura 2 –  Optimización del tanque del transformador se considerando la distribución de temperatura

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Figura 3 – Análisis de campo eléctrico en conexiones de transformadores

 Además de análisis 3-D, es importante, también, mencionar que los modelos numéricos para electromagnetismo siguen siempre en pleno desarrollo, pudiendo citarse los modelos de histéresis vectorial, que posibilitan un levantamiento de mapa más exacto del comportamiento del material magnético del núcleo, además de permitir un cálculo más exacto de las pérdidas de este tipo, principalmente de transformadores trifásicos, en los cuales hay un campo magnético rotacional en los cantos T.

Para tornar esas herramientas computacionales aún más aplicables a los cortos plazos de ingeniería, métodos de programación paralela son desarrollados, como por ejemplo, el TDM (Time Decomposition Method), en el cual grupos de intervalos de tiempo de simulaciones transientes magnéticas son resueltos en paralelo.

De una forma general, se percibe que las simulaciones electromagnéticas se tornan cada vez más una herramienta de grande importancia en el desarrollo de proyectos de transformadores, porque posibilitan obtener respuestas importantes que no son posibles de obtenerse con ecuaciones analíticas. En este mismo sentido, las investigaciones en métodos que optimicen el esfuerzo y tiempo computacionales auxilian en la expansión de estas herramientas como alternativas viables en la etapa de proyecto.

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Estudante de Doutorado e Mestre em Engenharia Elétrica junto à Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC - SC). É Graduado e Pós Graduado em Engenharia Elétrica junto à Universidade Regional de Blumenau (FURB - SC). É Técnico em Eletrotécnica pelo Colégio Técnico Industrial de Santa Maria (CTISM/ UFSM - RS). Possui 10 anos de experiência profissional em projetos de transformadores de potência e atualmente desenvolve atividades como Especialista em Aplicações CAE.


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