Estudo de transitórios de manobra e ferrorressonância em transformadores de fornos elétricos a arco

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Tese de doutorado

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Membros da banca

Alberto Resende De Conti
Ivan José da Silva Lopes
Leonardo Adolpho Rodrigues da Silva
Antônio Cezar Faria Vilela
Nelson Jhoe Batistela

Resumo

Neste trabalho foi apresentada uma modelagem computacional que avaliou o comportamento não linear de transformadores aplicados a Fornos a Arco elétrico (EAF) e Fornos-Panela (LF), considerando seu comportamento frente a transitórios de baixa frequência e de frentes de onda lenta de até 20 kHz. O objetivo principal foi utilizar essa modelagem para identificar e quantificar o desempenho do equipamento sob tais condições operacionais. Potenciais melhorias foram abordadas através de proposições de alterações no seu dimensionamento, visando a mitigação de falhas provocadas por transitórios. Para isso, os parâmetros do modelo foram determinados por meio de três abordagens: cálculo analítico com base nos dados de projeto, simulações por elementos finitos bidimensionais e medições experimentais. A modelagem incorporou a curva de magnetização do aço na faixa de alta saturação, acima de 2,0 T. O modelo foi validado através de simulações em elementos finitos em 3D e por medições experimentais. A partir disso, foram realizadas simulações no MATLAB/Simulink para avaliar as curvas de corrente e tensão nos terminais de alta tensão. Foi aplicada uma corrente no modelo 2D do transformador elaborado em software de elementos finitos para analisar as tensões mecânicas radiais e axiais nos enrolamentos e a saturação do fluxo magnético. Os principais resultados indicam que, diferentemente dos transformadores de potência, o transformador de forno opera em condição de saturação durante eventos transitórios recorrentes operacionalmente. Além disso, as simulações indicaram aumento nos esforços mecânicos, durante esses distúrbios. Também foi confirmada a ocorrência de ferroressonância em condições assimétricas de chaveamento, com tensões e correntes sustentadas até a atuação da proteção. Assim, para reduzir os picos de sobretensões e sobrecorrentes, foi proposto o aumento da indutância de magnetização por meio de alterações no dimensionamento do transformador. Isso pode ser obtido pela substituição do aço silício do núcleo por material com maior permeabilidade relativa, pelo aumento da área da seção transversal do núcleo ou pela elevação do número de espiras.

Abstract

In this work, a computational model was presented to evaluate the nonlinear behavior of transformers used in Electric Arc Furnaces (EAF) and Ladle Furnaces (LF), considering their response to low-frequency transients and slow-front waveforms up to 20 kHz. The main objective was to use this model to identify and quantify the equipment's performance under such operational conditions. Potential improvements were addressed through proposed design modifications aimed at mitigating failures caused by transients. To achieve this, the model parameters were determined using three approaches: analytical calculations based on design data, two-dimensional finite element simulations, and experimental measurements. The modeling incorporated the magnetization curve of the steel in the high saturation range, above 2.0 T. The model was validated through 3D finite element simulations and experimental measurements. Based on this, simulations were carried out in MATLAB/Simulink to evaluate the current and voltage waveforms at the high-voltage terminals. A current was applied to the 2D transformer model developed in finite element software to analyze the radial and axial mechanical stresses on the windings and the saturation of the magnetic flux. The main results indicate that, unlike power transformers, furnace transformers operate under saturation conditions during recurrent transient events. Furthermore, the simulations indicated increased mechanical stresses during these disturbances. The occurrence of ferroresonance under asymmetric switching conditions was also confirmed, with sustained voltages and currents until protection systems were triggered. Therefore, to reduce overvoltage and overcurrent peaks, an increase in the magnetizing inductance was proposed through changes in the transformer design. This can be achieved by replacing the silicon steel core with a material of higher relative permeability, increasing the cross-sectional area of the core, or increasing the number of turns.

Assunto

Engenharia elétrica, Transformadores elétricos, Transitórios (Eletricidade), Modelagem computacional, Método dos elementos finitos

Palavras-chave

Transformadores, Fornos elétricos a arco, Elementos finitos, Transitórios de manobras, Ferrorressonância, Modelagem

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