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Das planilhas às aplicações multifísicas, a ABB continua a energizar a indústria de transformadores

Empresas que desenvolvem equipamentos para novos e melhorados transformadores incorrem em custos de prototipagem e testes, pois trabalham para reduzir o ruído do transformador

19/04/2017 - Conteúdo de responsabilidade do anunciante

Para tudo, desde cozinhar até carregar nossos telefones, contamos todos os dias com a rede elétrica que alimenta edifícios como casas, empresas e escolas. Esta complexa rede inclui estações geradoras de energia elétrica, linhas de transmissão de alta tensão que transportam energia elétrica através de grandes distâncias, linhas de distribuição que fornecem energia para casas e bairros individuais, e o hardware relacionado usado para controle e proteção do fluxo de energia.

Entre estes equipamentos estão transformadores de potência para aumentar e diminuir os níveis de tensão nas linhas de energia que transportam corrente alternada. A transferência de potência com tensões mais elevadas resulta em menores perdas e, por isso, é mais desejável para o transporte de energia a longas distâncias. No entanto, esses níveis de alta tensão poderiam representar um risco de segurança em cada extremidade das linhas, assim os transformadores são utilizados para aumentar os níveis de tensão no ponto de alimentação de energia e diminuí-los próximo aos bairros e edifícios.

Mas transformadores apresentam ruído que muitas vezes se manifesta como um zumbido fraco ou um zumbido que pode ser ouvido ao passarmos por perto. Embora seja possível silenciá-los completamente, a regulamentação exige adesão aos níveis de som seguros, e um bom projeto do produto pode minimizar esses efeitos acústicos.

Um dos maiores fabricantes de transformadores utilizados em todo o mundo, a ABB (com sede em Zurique, Suíça), utilizou análises numéricas e aplicações computacionais para prever e minimizar os níveis de ruído em seus transformadores. Através do Software de simulação COMSOL Mulitphysics ® e seu Application Builder, eles executam verificações virtuais do projeto, testam diferentes configurações e implantam os resultados de suas simulações através de interfaces de usuário personalizadas construídas em torno de seus modelos.

SILENCIANDO O SOM DE VÁRIAS FONTES

O Ruído do transformador é derivado de várias fontes, tais como vibrações no núcleo do transformador ou nas ventoinhas e bombas auxiliares usadas no sistema de resfriamento. Cada uma destas fontes precisa ser tratada de forma diferente para reduzir o ruído.

Os transformadores da ABB são compostos por um núcleo de metal com bobinas de fio enrolado em torno de seções diferentes, um compartimento ou tanque para proteger esses componentes e um óleo de isolamento no interior do tanque (ver figura 2, parte superior). A passagem de corrente alternada através dos enrolamentos de uma bobina cria um fluxo magnético que induz uma corrente em uma bobina adjacente. O ajuste da tensão é conseguido através de números diferentes de voltas da bobina.

Como o núcleo é feito de aço, um material magnetoestritivo, esses fluxos magnéticos – que alternam a direção – causam tensões mecânicas. Isso gera vibrações devido ao rápido crescimento e encolhimento do metal. Estas vibrações viajam até as paredes do tanque através do óleo e dos pontos de fixação fixam o núcleo interno do lugar, gerando um zumbido audível conhecido como ruído do núcleo (ver figura 2, parte inferior).

Além do ruído do núcleo, a corrente alternada na bobina produz forças de Lorentz nos enrolamentos individuais, provocando vibrações conhecidas como ruído de carga que aumentam a energia mecânica transferida para o tanque.

Com estas múltiplas fontes de ruído e os fatores eletromagnéticos acústicos e mecânicos interligados, os engenheiros da ABB Corporate Center Research (ABB CRC) em Västerås, Suécia, precisavam compreender o funcionamento interno de seus transformadores, a fim de otimizar seus projetos para o transformador produzir um zumbido mínimo.

 

 

Figura 1 Superior Esquerdo: Modelo CAD da parte ativa de um transformador trifásico com enrolamentos montados ao redor do núcleo. Superior direito: A parte ativa de um transformador de energia que é colocada em um tanque cheio de óleo. Inferior: A cadeia de conversão de energia do ruído do núcleo e da geração de ruído de carga (magnetostrição no núcleo e as forças de Lorentz em enrolamentos).


EFEITOS ACÚSTICOS, MECÂNICOS E ELETROMAGNÉTICOS JUNTOS

“Escolhemos trabalhar com o COMSOL Multiphysics porque nos permite acoplar facilmente um número diferentes físicas”, disse MustafaKavasoglu, cientista da ABB CRC. “Como este projeto nos obriga a modelar eletromagnética, acústica e mecânica, o software COMSOL® foi a melhor opção para resolver essas três físicas em um único ambiente”.

Kavasoglu; Dr. Anders Daneryd, cientista responsável; e Dr. Romain Haettel, engenheiro responsável, formam a equipe da ABB CRC que trabalha com acústica de transformadores. O objetivo deles era criar uma série de simulações e aplicativos computacionais para calcular o fluxo magnético gerado no núcleo e nos enrolamentos mecânicos provocados pelas deformações magnetoestoestritivas e os níveis de pressão resultantes das ondas acústicas que se propagam através do tanque.

Eles trabalham em estreita colaboração com a unidade de negócios da ABB Transformers, muitas vezes contando com a experiência e conhecimento do Dr. Christoph Ploetner, um profissional reconhecido na área de transformadores de potência, para garantir que eles satisfaçam às necessidades e exigências do negócio.

Uma simulação modela o ruído que emana do núcleo devido à magnoestricção. A equipe começou com um modelo eletromagnético para prever os campos magnéticos induzidos pela corrente alternada e, em seguida, as tensões magnetorestritivas no aço.

A sua configuração de geometria incluía o núcleo de aço, enrolamentos e um domínio exterior representando o tanque . “Obtivemos o deslocamento a partir das deformações magnetoestritivas, então, calculamos a ressonância para diferentes frequências utilizando uma análise modal”, disse Kavasoglu (ver figura 4). “As ressonâncias são facilmente excitadas pelas deformações magnetoestritivas e causam grande ampliação da vibração nestas frequências”.

Figura 2 - Resultados da simulação mostrando a densidade do fluxo magnético (esquerda) e as forças de Lorentz (direita) nos enrolamentos da bobina do transformador.
Figura 3 - Esquerda: Resultados do software COMSOL® mostrando níveis do fluxo magnético no aço. Direita: Resultados mostrando a ressonância do núcleo.  As deformações são exageradas para fins de visualização. 
Figura 4 Resultados da análise acústica mostrando o campo de pressão do som ao redor do núcleo (esquerda) e ao redor do transformador (direita).

Eles foram capazes de prever as ondas sonoras que se deslocam através do óleo e calcular as vibrações resultantes do tanque, o que implica em irradiação do som para o ambiente ao redor (Ver Figura 5).

Eles também simularam os deslocamentos dos enrolamentos da bobina que provocam ruído de carga e determinaram a pressão de superfície nas paredes do tanque devido ao campo sonoro resultante (Ver Figura 6).

A inclusão de estudos paramétricos que retratam as complexas relações entre os parâmetros de projeto (como espessura do tanque e propriedades dos materiais) e o zumbido do transformador resultante, tornou possível ajustar a geometria e as configurações do núcleo, enrolamentos e tanque para minimizar o ruído.

Figura 5 Esquerda: Resultados da simulação mostrando o deslocamento dos enrolamentos. As deformações são exageradas para fins de visibilidade. Direita: Resultados mostrando os níveis de pressão do som fora do tanque e o deslocamento das paredes. 

 

Figura 6 Imagem recortada do primeiro aplicativo de simulação criado para cálculo de frequências naturais do núcleo do transformador. À esquerda, uma aba no aplicativo mostra as entradas do modelo; à direita, os resultados são apresentados para as frequências naturais calculadas. As deformações são exageradas para fins de visualização. 


DIVULGANDO CAPACIDADES DE SIMULAÇÃO EM TODA A ABB

A equipe da CRC continua a usar o software COMSOL não só para melhorar a sua compreensão e os seus modelos, mas para estender seus conhecimentos ao resto dos projetistas da ABB e da unidade de negócios. Usando o Application Builder no COMSOL Multiphysics, eles começaram a criar aplicativos de seus modelos multifísicos, que podem ser facilmente personalizados de acordo com as necessidades de cada departamento.

Esses aplicativos de simulação simplificam o teste e a verificação para os projetistas e engenheiros de P&D: “Os projetistas tem utilizado ferramentas baseadas em estatísticas e modelos empíricos. Estamos preenchendo as lacunas, implantando aplicativos de simulação. O Application Builder nos permitiu oferecer acesso à análise de elementos finitos, através de uma interface sem a necessidade de aprender a teoria dos elementos finitos”, explicou Haettel.

Um aplicativo (Ver Figura 7) calcula as frequências naturais específicas do núcleo do transformador que podem implicar em questões relacionadas ao ruído devido às frequências que ficam dentro da faixa audível. Este aplicativo inclui o modelo físico desenvolvido no software COMSOL® e métodos personalizados escritos no código Java®, programados dentro do Application Builder.

“Nossos projetistas utilizam planilhas padronizadas que funcionam bem para os transformadores que eles constroem frequentemente. Mas quando novos projetos, ou diferentes dimensões, são introduzidos, eles podem ter problemas com essa abordagem, como saídas erradas mostrando dados menos precisos para os níveis de ruídos. Isso pode se tornar muito caro se forem necessárias medidas adicionais para reduzir o ruído no transformador concluído ” Haettel continuou.

“Além do aspecto custo, há o aspecto tempo. O novo aplicativo tornará o trabalho dos projetistas mais fácil e eficiente usando a precisão de um código de FEA”.

O aplicativo personalizado adiciona um nível de convivência, permitindo aos usuários verificar como certas combinações de geometria, propriedades do material, e outros parâmetros do projeto afetarão o zumbido resultante do transformador. “Temos sido ponderados sobre como selecionar quais parâmetros forneceremos acesso – nos concentrando naqueles que são mais importantes”, acrescentou Kavasoglu.

Com a grande variedade de aplicações industriais para as quais a ABB projeta transformadores, esta flexibilidade é extremamente útil para a sua concepção e processo de testes virtuais. “A ABB produz transformadores para cada necessidade industrial. No momento estamos nos concentrando em transformadores de grande potência AC, comumente usados por empresas de energia que transmitem e distribuem energia elétrica para as cidades” explicou.

“Mas o trabalho que estamos fazendo pode ser adaptado para qualquer tipo de transformador, e, claro se recebermos um pedido específico, adaptamos o aplicativo a essa necessidade. Isso nos permite realizar o trabalho de desenvolvimento adicional facilmente. O Application Builder tornou a transferência de conhecimento e tecnologia muito mais fácil.

“Nós também estamos usando a licença do COMSOL Server para distribuir nosso aplicativo a outros escritórios para testes, o que torna fácil compartilhá-lo. Esta licença mundial é excelente; com uma organização global, esperamos que os usuários em nossos outros locais ao redor do mundo se beneficiem destes aplicativos. ” Com uma instalação local do COMSOL Server, os especialistas em simulação podem gerenciar e implementar seus aplicativos, tornando-os acessíveis através de um cliente ou navegador de internet.

A equipe está se concentrando em um segundo aplicativo que calculará o ruído de carga. Uma vez implantado na unidade de negócios, este aplicativo removerá ainda mais a carga de cálculos tediosos, permitindo que projetistas e engenheiros de vendas executem mais testes virtuais sem a necessidade de trabalhar com um modelo detalhado, e permitirá que a ABB produza os melhores transformadores do mundo de maneira mais rápida e fácil.

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