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

dc.creatorVirna Costa Onofri
dc.date.accessioned2025-08-25T14:27:59Z
dc.date.accessioned2025-09-09T00:10:24Z
dc.date.available2025-08-25T14:27:59Z
dc.date.issued2025-05-09
dc.description.abstractIn 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.
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/1843/84537
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal de Minas Gerais
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
dc.subjectEngenharia elétrica
dc.subjectTransformadores elétricos
dc.subjectTransitórios (Eletricidade)
dc.subjectModelagem computacional
dc.subjectMétodo dos elementos finitos
dc.subject.otherTransformadores
dc.subject.otherFornos elétricos a arco
dc.subject.otherElementos finitos
dc.subject.otherTransitórios de manobras
dc.subject.otherFerrorressonância
dc.subject.otherModelagem
dc.titleEstudo de transitórios de manobra e ferrorressonância em transformadores de fornos elétricos a arco
dc.typeTese de doutorado
local.contributor.advisor-co1Braz de Jesus Cardoso Filho
local.contributor.advisor1Thales Alexandre Carvalho Maia
local.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8637504941507702
local.contributor.referee1Alberto Resende De Conti
local.contributor.referee1Ivan José da Silva Lopes
local.contributor.referee1Leonardo Adolpho Rodrigues da Silva
local.contributor.referee1Antônio Cezar Faria Vilela
local.contributor.referee1Nelson Jhoe Batistela
local.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/7459402202480825
local.description.resumoNeste 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.
local.publisher.countryBrasil
local.publisher.departmentENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
local.publisher.initialsUFMG
local.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

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