Step Lap – Mais sobre o que você precisa saber!

Assim, nos casos de montagem de núcleo de trafos pelo empilhamento de lâminas, uma vez adotada a opção por steps (degraus, no caso), se precisa definir, inicialmente, que tipo será adotado: Single (simples) ou Multi. Ainda, para esse segundo caso, se precisa definir quantas lâminas irão compor cada step.

Apenas montagem?

Assim, primeiramente, é oportuno realçar que, hoje, na maioria das vezes, se acredita que a escolha entre os métodos de empilhamento  Single e o Multi Step Lap se dá tão somente pelo compromisso entre a praticidade quanto à montagem, portanto, de custos na produção, e a redução tanto das perdas no núcleo quanto do nível de ruído advindo da vibração do núcleos lâminas. Ponderações que um software bem elaborado pode propiciar.

Não obstante, o fator que acaba sendo significativamente diferente, na escolha entre um ou outro método, é a amplitude da corrente em vazio, ou de magnetização. Essa diferença decorre da formação inerente de um maior número de gaps de ar, que por consequência da escolha surgirá no caminho do fluxo magnético, ao passar de uma lâmina para outra, em cada uma das junções de 90 graus.

Mas antes de adentrar nesse importante elemento de análise, bem como na sua consequência, vamos focar na primeira escolha a ser feita, entre o Single e o Multi.

Em princípio, o método Single é um método mais simples de montagem das lâminas, mas tende a apresentar maiores perdas no núcleo, em operação, por causar forte concentração da indução na região limite entre a junção de lâminas consecutivas e, ainda tende, pelo mesmo motivo, provocar maior nível de ruído.

Consequentemente, a escolha do método Multi Step Lap reduz essas mesmas desvantagens, embora se torne mais complexo o processo de montagem das lâminas. Entretanto, é importante que o projetista observe o processo produtivo a si disponível, para balizar sua escolha.

Por exemplo, pode-se afirmar que, em geral, o nível de automatização de montagem de núcleos, no Brasil, é relativamente baixo, a ponto da interferência humana, na produção ser significativa.

Automatização e futuro

Por outro lado, a automatização de processos logo poderá ser uma realidade irrefreável. Haja vista a intensa difusão dos conceitos de Indústria 4.0, o que nos permite afirmar que cedo veremos robôs empilhando lâminas de núcleo de transformadores e cada vez mais predominando em todo o processo da montagem do núcleo.  Nesse aspecto, é fundamental considerar que empilhar as lâminas é apenas parte do processo de montagem do núcleo, havendo ainda outras tarefas importantes como inserir as bobinas, encaixar as culatras e prensar as lâminas, dentre outras.

Então, se, por exemplo, um determinado processo produtivo for automatizado com base na montagem de lâminas pelo método Single Step Lap, por ser mais simples, essa opção fica definitivamente amarrada.

Certamente, esses fatores produtivos serão preponderantes, pois as diferenças em perdas entre um método e outro não são tidas como sendo significativas.

Com o intuito de verificar tal fato, muitos estudos têm sido realizados, atualmente.

Mais conhecimento e pesquisas

A FURB (Universidade Regional de Blumenau), através do grupo de pesquisa que assina este texto, realiza um trabalho de investigação nesse tema, com pesquisadores da universidade da Cidade do Cabo, na África do Sul.

Os resultados logo serão disponibilizados à comunidade interessada. Entretanto, é possível adiantar que se trata de um trabalho meticuloso de modelagem matemática, lâmina a lâmina, que representa um significativo esforço computacional, tanto em capacidade de processamento quanto em tempo de cálculo.

E os primeiros resultados já realmente apontam para uma pequena vantagem para o método Multi Step Lap. Assim, considerando que essas perdas nas junções são o diferencial, mas que têm peso relativamente pequeno nas perdas totais no núcleo que, por sua vez, é uma parcela menor do que as perdas em carga, num transformador, se conclui que o argumento de redução das perdas é questionável.

De todo modo, nenhum trabalho conclusivo tem sido divulgado sobre a influência no nível de ruído, embora seja possível que eventuais diferenças de desempenho também não sejam significativas, já que a influência maior não parece estar no método de empilhamento, mas sim na forma de prensagem das lâminas.

É fato que o método Single Step Lap favorece o aumento da corrente de magnetização, por conta do aumento dos gaps de ar, que contribuem para a saturação magnética das juntas e, portanto, o aumento da deformação da corrente de magnetização, pelo aumento excessivo de sua amplitude. Uma forma bem simples de se ver isso é que, não importa o método de empilhamento, o valor máximo de fluxo magnético nas lâminas será o mesmo e dado por:

Então, considerando que   e se mantem constante, se percebe que a maior redução de área de passagem de fluxo, na região de junção de lâminas, decorrente da escolha pelo Single Step Lap causa o aumento do valor máximo de indução, , que satura essa região e provoca um aumento localizado de perdas, na mesma proporção em que a amplitude da distorcida corrente de magnetização cresce.

A figura abaixo mostra uma comparação entre as correntes de magnetização para o Single e o Multi Step Lap.

                          Comparação entre corrente em vazio – Single versus Multi Step lap.

Dessa forma, uma vez que a amplitude da corrente pode vir a ser um fator importante na especificação e um transformador, se tem aí uma clara desvantagem do Single Step Lap.

Enfim, esses importantes detalhes trazidos neste texto permitem uma olhar mais criterioso sobre o processo de escolha entre o Multi e o Single Step Lap, sem ser decisivo já que o complexo cenário envolvente não permite assim ser, mas um pouco mais elucidativo.

 

Sugestão de leituras:

  1. Transformadores – Fundamentos para o Projeto e Cálculo – Walter Ries – Ed. PUCRS, 2007;
  2. Transformer Engineering: Design and Practice – S. V. Kulkarni, S.A. Khaparde – CRC Press, 2004;
  3. Large Power Transformers – K. Karsai, D. Kerenyi, e L. Kiss – Elsevier, 1987;

Professores autores:

  • Sérgio H. L. Cabral
  • Luiz H. Meyer
  • Thair I. A. H. Mustafa
  • Hugo A.D. Almaguer
  • Rafael E. Werlich (Eng. Eletricista responsável pelo Laboratório de Alta-Tensão)
  • Todos do Departamento de Engenharia Elétrica e Telecomunicações da FURB – Fundação Universidade Regional de Blumenau, em colaboração com a ILTECH.

 

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