Projeto de Transformadores com Simulação Numérica


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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