proposta de uma nova metodologia para avaliação e seletividade ...

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