proposta de uma nova metodologia para avaliação e seletividade ...
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PROPOSTA DE UMA NOVA METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO E<br />
SELETIVIDADE DAS TÉCNICAS DE MONTAGENS DE NÚCLEOS DE<br />
TRANSFORMADORES<br />
Saulo da Silva Ferraz Junior 1 , Leonimer Flávio <strong>de</strong> Melo 2<br />
1 UEL - Universida<strong>de</strong> Estadual <strong>de</strong> Londrina, Londrina - PR, Brasil, saulofj@hotmail.com<br />
2 UEL - Universida<strong>de</strong> Estadual <strong>de</strong> Londrina, Londrina - PR, Brasil, leonimer@uel.br<br />
Resumo: O trabalho proposto aplica sistemas inteligentes<br />
em <strong>uma</strong> <strong>nova</strong> <strong>metodologia</strong> <strong>para</strong> avaliação e seletivida<strong>de</strong> das<br />
técnicas <strong>de</strong> montagem <strong>de</strong> núcleo <strong>de</strong> transformadores.<br />
Visando redução nos custos e maior eficiência energética, a<br />
<strong>nova</strong> <strong>metodologia</strong> <strong>proposta</strong>, usa re<strong>de</strong>s neurais artificiais na<br />
análise dos diversos tipos <strong>de</strong> montagens dos núcleos. Mais<br />
especificamente o objetivo é a analise e com<strong>para</strong>ção dos<br />
núcleos com montagem dos tipos multistep-lap e montagem<br />
do tipo single step-lap utilizados em transformadores <strong>de</strong><br />
potência. Nessa <strong>metodologia</strong> o uso <strong>de</strong> re<strong>de</strong>s neurais<br />
artificiais serve <strong>para</strong> relacionar comportamentos on<strong>de</strong> as<br />
variáveis não são bem <strong>de</strong>finidas ou com relação não<br />
<strong>para</strong>métrica.<br />
2. TRANSFORMADOR DE POTÊNCIA<br />
Transformadores <strong>de</strong> potência (Transformador <strong>de</strong><br />
Potência, Norma NBR 5356) são equipamentos elétricos<br />
estáticos que, por indução eletromagnética, transformam<br />
níveis diferentes <strong>de</strong> tensão e <strong>de</strong> corrente alternada existentes<br />
em dois ou mais enrolamentos isolados eletricamente, com a<br />
mesma freqüência. Uma <strong>de</strong> suas principais aplicações é<br />
abaixar ou elevar o nível <strong>de</strong> tensão nas malhas <strong>de</strong><br />
transmissão e distribuição <strong>de</strong> energia elétrica.<br />
Palavras-Chave: Re<strong>de</strong>s neurais artificiais, núcleo <strong>de</strong><br />
transformadores, transformador <strong>de</strong> potência.<br />
1. INTRODUÇÃO<br />
Os transformadores <strong>de</strong> potência são máquinas estáticas<br />
que transferem energia elétrica <strong>de</strong> um circuito <strong>para</strong> outro<br />
mantendo a mesma freqüência em diferentes níveis <strong>de</strong><br />
tensão e <strong>de</strong> corrente. Por motivo dos transformadores<br />
estarem relacionados ao sistema <strong>de</strong> energia elétrica gran<strong>de</strong><br />
parte <strong>de</strong>sses tem como foco o interesse sobre estudos<br />
relacionados às perdas magnéticas nos núcleos <strong>de</strong><br />
transformadores.<br />
Com a preocupação relacionada à eficiência energética,<br />
vários estudiosos estão aumentando seus interesses em<br />
reduzir o consumo <strong>de</strong> energia dos transformadores<br />
aumentando a concorrência entre empresas que procuram<br />
melhorar o rendimento e a vida útil do equipamento, as<br />
concessionárias também são gran<strong>de</strong>s interessadas nos<br />
estudos voltados à redução <strong>de</strong> custos proporcionando um<br />
gran<strong>de</strong> enlace entre o setor industrial e <strong>de</strong> pesquisa.<br />
O objetivo geral <strong>de</strong>ste trabalho é a com<strong>para</strong>ção dos<br />
núcleos multistep-lap (A. Mae and Todaka, 2002) e single<br />
step-lap (B. Weiser and Anger, 2000) utilizados em<br />
transformadores <strong>de</strong> potência.<br />
Através dos ensaios <strong>de</strong> curva <strong>de</strong> saturação, <strong>uma</strong> <strong>nova</strong><br />
<strong>metodologia</strong> <strong>para</strong> avaliação das técnicas <strong>de</strong> montagem dos<br />
núcleos usando re<strong>de</strong> neural artificias. A Metodologia indica<br />
o melhor tipo <strong>de</strong> montagem <strong>para</strong> <strong>uma</strong> <strong>de</strong>terminada<br />
<strong>de</strong>nsida<strong>de</strong> <strong>de</strong> fluxo magnético (Geromel and Souza, 2002).<br />
Figura 1: Transformador <strong>de</strong> Potência - Foto: FIEE 2011- Feira<br />
Internacional da Indústria Elétrica<br />
3. NÚCLEO MAGNÉTICO<br />
Os materiais magnéticos mais utilizados na confecção <strong>de</strong><br />
núcleos <strong>de</strong> transformadores são provenientes das ligas <strong>de</strong><br />
aço-silício (Geromel, 1998). O seu nome metalúrgico mais<br />
correto seria liga <strong>de</strong> ferro-silício completamente processada,<br />
pois elas possuem um baixíssimo teor <strong>de</strong> carbono, em torno<br />
<strong>de</strong> 0,003%, essas ligas possuem boas características elétricas<br />
e magnéticas, sob condições em que o fluxo reverte o<br />
sentido ou pulsa muitas vezes a cada segundo.<br />
Um <strong>de</strong> seus principais elementos é o silício, ele tem a<br />
finalida<strong>de</strong> <strong>de</strong> aumentar a resistivida<strong>de</strong> e, conseqüentemente,<br />
reduzir a circulação <strong>de</strong> correntes <strong>para</strong>sitas. Deve-se, porém,<br />
restringir o teor <strong>de</strong> silício a aproximadamente 4%, pois um<br />
alto teor <strong>de</strong> silício requer correntes <strong>de</strong> excitação mais<br />
intensas, em altas <strong>de</strong>nsida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> fluxo magnético, com isso<br />
endurece a liga potencializando os efeitos das tensões<br />
mecânicas aplicada à mesma.<br />
1
Proposta <strong>de</strong> <strong>uma</strong> <strong>nova</strong> <strong>metodologia</strong> <strong>para</strong> avaliação e seletivida<strong>de</strong> das técnicas <strong>de</strong> montagens <strong>de</strong> núcleos <strong>de</strong> transformadores.<br />
Saulo da Silva Ferraz Junior, Leonimer Flávio <strong>de</strong> Melo.<br />
3.1. Perdas – Normas e valores <strong>para</strong> referência<br />
A característica mais importante nas ligas <strong>de</strong> aço-silício<br />
é sua perda por unida<strong>de</strong> <strong>de</strong> massa. Os tipos <strong>de</strong> ligas <strong>de</strong> açosilício<br />
<strong>de</strong> grãos orientados têm sua <strong>de</strong>signação diferenciada<br />
em alg<strong>uma</strong>s normas, como segue exemplificado na tabela 1.<br />
Os valores das perdas magnéticas, apresentados nessa<br />
tabela, são os máximos permitidos <strong>para</strong> sua respectiva<br />
<strong>de</strong>signação na AISI e ABNT.<br />
Os principais fabricantes <strong>de</strong> aço-silício fornecem<br />
alg<strong>uma</strong>s curvas com características <strong>de</strong> comportamento<br />
<strong>de</strong>sses materiais, analisando alg<strong>uma</strong> <strong>de</strong>ssas curvas<br />
fornecidas fica evi<strong>de</strong>nte que tais perdas <strong>de</strong>vem ser corrigidas<br />
<strong>para</strong> compensar o aumento das perdas relacionadas com as<br />
anomalias <strong>de</strong>corrente do processo <strong>de</strong> fabricação do núcleo,<br />
com isso po<strong>de</strong>ndo eventualmente através da utilização <strong>de</strong><br />
re<strong>de</strong>s neurais artificiais (<strong>de</strong> Pádua Brag, 2007) analisar qual<br />
a melhor maneira a ser projetada. Alg<strong>uma</strong>s <strong>de</strong>ssas curvas<br />
são mostradas nas figuras 2, 3, 4 e 5.<br />
Tabela 1: Chapas <strong>de</strong> aço-silício - Características garantidas por<br />
normas.<br />
Figura 2: Perdas magnéticas em função da <strong>de</strong>nsida<strong>de</strong> máxima <strong>de</strong><br />
fluxo(M4).<br />
Figura 3: Potência <strong>de</strong> excitação em função da <strong>de</strong>nsida<strong>de</strong> máxima <strong>de</strong><br />
fluxo, em 60 Hz (M4).<br />
Figura 5: Potência <strong>de</strong> excitação em função da <strong>de</strong>nsida<strong>de</strong> máxima<br />
<strong>de</strong>fluxo, em 60 Hz (M5).<br />
4. COMPARAÇÃO ENTRE NÚCLEOS MULTISTEP-<br />
LAP E SINGLE STEP-LAP.<br />
Segundo (LOFFLER and GRAMM, n.d) o núcleo<br />
multistep-lap mostra melhorias distintas em relação as<br />
perdas em com<strong>para</strong>ção ao núcleo single step-lap, em teoria<br />
especial mostra-se que um aumento do número <strong>de</strong> step reduz<br />
a sensibilida<strong>de</strong> do núcleo em relação a variações <strong>de</strong> g<br />
(entreferro), isto é <strong>de</strong>vido ao aumento críticos da indução.<br />
Nas figuras 6 e 7 mostra os <strong>de</strong>talhes da montagem dos<br />
núcleos citados. Mas o núcleo tipo multistep-lap tem a<br />
<strong>de</strong>svantagem do aumento dos custos <strong>para</strong> a montagem do<br />
núcleo single step-lap. Por outro lado, tem sido relatado que<br />
as perdas dos núcleos <strong>para</strong> esse tipo <strong>de</strong> montagem são<br />
reduzidos em até 5% ou até 10% em relação a configurações<br />
<strong>de</strong> nucleo tipo single step-lap (VALKOVIC, 1991).<br />
O núcleo multistep-lap mostra drasticamente o po<strong>de</strong>r <strong>de</strong><br />
excitação em relação ao núcleo single step-lap. Investigando<br />
o núcleo multistep-lap, o mesmo tem mostrado que o fluxo<br />
ten<strong>de</strong> a não ser homogêneo, <strong>de</strong>vido às características<br />
específicas da sobreposição da região do canto do núcleo<br />
(LOFFLER and GRAMM, n.d), por exemplo, <strong>de</strong>vido às<br />
distribuições <strong>de</strong> comprimentos <strong>de</strong> ar o fluxo ten<strong>de</strong> a<br />
concentrar-se nas regiões <strong>de</strong> baixo g (entreferro) o que<br />
significa que existem um equilibrio do fluxo.<br />
Em núcleo <strong>de</strong> transformadores <strong>de</strong> potência, as juntas têm<br />
um papel muito importante na rigi<strong>de</strong>z mecânica do<br />
equipamento.<br />
O número <strong>de</strong> lâminas por camada influência na<br />
dimensão do entreferro, quando os núcleos são montados<br />
com 2 (duas) ou 3 (três) lâminas por camada os resultados<br />
são bastante satisfatório (VALKOVIC, 1982). Nas figuras 8<br />
e 9 mostra o <strong>de</strong>talhe das junta single step-lap e multisteplap.<br />
As juntas dos núcleos nesse trabalho correspon<strong>de</strong> a dois<br />
tipos, <strong>de</strong>nominadas tipo S1 e S2. O tipo S1 é a forma mais<br />
simples <strong>de</strong> junta <strong>de</strong> núcleo até hoje utilizada em<br />
transformadores <strong>de</strong> potência conhecida como single steplap.<br />
A junta S2 é conhecida como multistep-lap, como<br />
mostra as figuras 10 e 11.<br />
Figura 6: Detalhe da montagem do núcleo single step-lap.<br />
Figura 4: Perdas magnéticas em função da <strong>de</strong>nsida<strong>de</strong> máxima <strong>de</strong><br />
fluxo(M5).<br />
2
Figura 7: Detalhe da montagem do núcleo multistep-lap.<br />
Figura 8: Junta single step-lap do núcleo <strong>de</strong> um transformador <strong>de</strong><br />
potência – Foto: Romagnole Transformadores.<br />
trata os ensaios em primeiro momento e <strong>de</strong>pois o<br />
<strong>de</strong>senvolvimento <strong>de</strong> um sistema baseado em re<strong>de</strong>s neurais.<br />
A primeira etapa tem o foco <strong>de</strong> adquirir o maior número<br />
possível <strong>de</strong> dados relacionados aos ensaios <strong>de</strong> curva <strong>de</strong><br />
saturação (Método <strong>de</strong> Ensaios <strong>para</strong> Transformadores <strong>de</strong><br />
Potência, Norma NBR 5356) dos núcleos, abaixo mostra<br />
ensaios realizados on<strong>de</strong> através do mesmo será possível a<br />
integração e estudo <strong>para</strong> a realização da re<strong>de</strong> neural, e em<br />
<strong>uma</strong> etapa posterior, será analisado através <strong>de</strong> processos<br />
computacionais qual o melhor meio <strong>de</strong> montagem <strong>para</strong> cada<br />
tipo <strong>de</strong> transformador.<br />
A tabela 2 mostra o resultado obtidos através <strong>de</strong> ensaios<br />
dos transformadores com característica <strong>de</strong> montagem do<br />
núcleo com o tipo multistep-lap.<br />
Tabela 2: Dados obtidos <strong>de</strong> um transformador <strong>de</strong> 500kVA com<br />
montagem do núcleo em multistep-lap.<br />
Figura 9: Junta multistep-lap do núcleo <strong>de</strong> um transformador <strong>de</strong><br />
potência – Foto: Romagnole Transformadores.<br />
6. TREINAMENTO DE REDES NEURAIS E<br />
RESULTADOS.<br />
Figura 10: Perfis das juntas single step-lap.<br />
A re<strong>de</strong> neural passa por um processo <strong>de</strong> treinamento a<br />
partir dos casos reais conhecidos, adquirindo, a partir daí, a<br />
sistemática necessária <strong>para</strong> executar a<strong>de</strong>quadamente o<br />
processo <strong>de</strong>sejado dos dados fornecidos, a figura 12 mostra<br />
a organização da re<strong>de</strong> com dados <strong>de</strong> entrada e saída.<br />
Figura 11: Perfis das juntas multistep-lap.<br />
5. METODOLOGIA<br />
O projeto proposto neste trabalho, os ensaios e <strong>de</strong>mais<br />
testes relacionados com à montagem dos núcleos <strong>de</strong><br />
transformadores realizados em <strong>uma</strong> empresa fabricante<br />
nacional <strong>de</strong> transformadores - Romagnole Produtos<br />
Elétricos S.A. Está dividida em duas etapas, a <strong>metodologia</strong><br />
Figura 12: Organização da re<strong>de</strong> com dados <strong>de</strong> entrada e saída.<br />
3
Proposta <strong>de</strong> <strong>uma</strong> <strong>nova</strong> <strong>metodologia</strong> <strong>para</strong> avaliação e seletivida<strong>de</strong> das técnicas <strong>de</strong> montagens <strong>de</strong> núcleos <strong>de</strong> transformadores.<br />
Saulo da Silva Ferraz Junior, Leonimer Flávio <strong>de</strong> Melo.<br />
Nesta fase, seguindo o algoritmo <strong>de</strong> treinamento<br />
(Geromel and Souza, 2002) escolhido, serão ajustados os<br />
pesos das conexões. É importante consi<strong>de</strong>rar, nesta fase,<br />
alguns aspectos tais como a inicialização da re<strong>de</strong>, o modo e<br />
o tempo <strong>de</strong> treinamento, escolha dos valores iniciais dos<br />
pesos da re<strong>de</strong> po<strong>de</strong> diminuir o tempo necessário <strong>para</strong> o<br />
treinamento.<br />
Normalmente, os valores iniciais dos pesos da re<strong>de</strong> são<br />
números aleatórios pequenos, uniformemente distribuídos<br />
em um intervalo <strong>de</strong>finido.<br />
Quanto ao tempo <strong>de</strong> treinamento, vários fatores po<strong>de</strong>m<br />
influenciar a sua duração, porém sempre será necessário<br />
utilizar algum critério <strong>de</strong> <strong>para</strong>da. Os principais critérios <strong>de</strong><br />
<strong>para</strong>da do algoritmo <strong>de</strong> aprendizagem são o número máximo<br />
<strong>de</strong> ciclos (épocas) e o erro quadrático médio por ciclo. Po<strong>de</strong><br />
ocorrer que, em um <strong>de</strong>terminado instante do treinamento, a<br />
generalização comece a <strong>de</strong>generar, causando o problema<br />
<strong>de</strong>nominado over-training, on<strong>de</strong> a re<strong>de</strong> se especializa no<br />
conjunto <strong>de</strong> dados do treinamento e per<strong>de</strong> a capacida<strong>de</strong> <strong>de</strong><br />
generalização.<br />
O treinamento <strong>de</strong>ve ser encerrado quando a re<strong>de</strong><br />
apresentar <strong>uma</strong> boa capacida<strong>de</strong> <strong>de</strong> generalização e quando a<br />
taxa <strong>de</strong> erro for suficientemente pequena, ou seja, menor que<br />
um nível admissível previamente estabelecido. Nas figura<br />
13 e 14 mostra os resultados conseguidos no treinamento da<br />
re<strong>de</strong> e sua capacida<strong>de</strong> <strong>de</strong> generalização. O resultado indica<br />
que as mesmas se encontram muito bem ajustadas, inclusive<br />
quanto ao aspecto <strong>de</strong> generalização, a taxa <strong>de</strong> erro ficou<br />
restrita a valores muito pequenos.<br />
<strong>uma</strong> <strong>proposta</strong> com alternativas <strong>para</strong> a construção dos<br />
mesmos, visando obter <strong>uma</strong> redução <strong>de</strong> custo em relação às<br />
perdas magnéticas visando e proporcionando <strong>uma</strong><br />
concorrência entre as empresas que procuram melhorar a<br />
vida útil do equipamento e o seu rendimento.<br />
A escolha das re<strong>de</strong>s neurais artificiais como solução <strong>para</strong><br />
este tipo <strong>de</strong> problema vem da capacida<strong>de</strong> que elas têm <strong>de</strong><br />
assimilar conhecimento a partir <strong>de</strong> dados comportamentais<br />
representativos <strong>de</strong> seu ambiente e, posteriormente, interagir<br />
com ele. Esta técnica computacional, baseada no mo<strong>de</strong>lo<br />
neural <strong>de</strong> organismos inteligentes, otimiza as respostas e<br />
generaliza situações em problemas <strong>de</strong> difícil mo<strong>de</strong>lagem,<br />
como o caso <strong>de</strong> alguns estágios do projeto <strong>de</strong><br />
transformadores <strong>de</strong> potência.<br />
8. AGRADECIMENTOS<br />
Os autores agra<strong>de</strong>cem a empresa Romagnole Produtos<br />
Elétricos S.A, fabricante nacional <strong>de</strong> transformadores, que<br />
disponibilizou os ensaios <strong>de</strong> curva <strong>de</strong> saturação e <strong>de</strong>mais<br />
informações sobre os tipos <strong>de</strong> núcleos.<br />
9. REFERÊNCIAS<br />
[1] A.Mae, K Harada, Y.I. and Todaka, T. (2002). A study<br />
of characteristic analysis of the three phase transformer<br />
with step-lap wound-core. IEEE Transaction on<br />
magnetics. 38. No. 2.<br />
[2] B.Weiser, H. P. and Anger., J. (2000). Relevance of<br />
magnetostriction and forces for the generation of audible<br />
noise of transformer cores, IEEE Transactions on<br />
magnetics 36, No. 5.<br />
[3] <strong>de</strong> Pádua Brag, A. (2007). Re<strong>de</strong>s neurais artificiaisteoria<br />
e aplicação.<br />
Figura 13: Evolução do erro no processo e treinamento da re<strong>de</strong>.<br />
[4] Geromel,L.H. (1998). Avaliação <strong>de</strong> processos e<br />
materiais magnéticos <strong>uma</strong> <strong>nova</strong> <strong>metodologia</strong>.<br />
[5] Geromel, L. H. and Souza, C. R. (2002). The application<br />
of intelligent systems in power transformer <strong>de</strong>sign, Conf.<br />
Electrical and Computer Engineering 1.<br />
[6] LOFFLER, F., B. T. B. C. and GRAMM, K.<br />
(n.d.). Influence of air gaps instacked transformer cores<br />
consisting of several packages, IEEE Transactions, pp.<br />
913–915.<br />
[7] Método <strong>de</strong> Ensaios <strong>para</strong> Transformadores <strong>de</strong> Potência<br />
(Norma NBR 5380).<br />
Figura 14: Grafico Q-Q, com<strong>para</strong>ção <strong>de</strong> valores <strong>para</strong> fins <strong>de</strong> validação.<br />
7. CONCLUSÃO<br />
O estudo <strong>de</strong> <strong>uma</strong> <strong>nova</strong> <strong>metodologia</strong> <strong>para</strong> avaliação e<br />
seletivida<strong>de</strong> das técnicas <strong>de</strong> montagem <strong>de</strong> núcleo <strong>de</strong><br />
transformadores, proporcionará oportunida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> melhorias<br />
e competitivida<strong>de</strong> no mercado <strong>de</strong> trabalho, <strong>para</strong> isso, serão<br />
aproveitados ao máximo os recursos e tempo disponíveis.<br />
Portanto com o <strong>de</strong>senvolvimento da <strong>metodologia</strong> ocorrerá<br />
[8] Transformador <strong>de</strong> Potencia (Norma NBR 5356).<br />
[9] VALKOVIC, Z. (1982). Influence of the transformer<br />
core <strong>de</strong>sign on power losses. IEEE Transaction on<br />
Magnetic, pp. 801–804.<br />
[10]VALKOVIC, Z. (1991). Some aspects of additional<br />
losses in step-lap joints of transformer cores. Znt. J.<br />
Comp. Mathem. Electr. Electron Eng., pp. 137–140.<br />
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