Modelagem e otimização de transformadores levando em conta sua vida útil

Abstract

O estudo dos transformadores é assunto de diversos trabalhos científicos. Utiliza-se muito o método dos elementos finitos para este fim, pois é uma ferramenta eficaz e precisa para a representação dos fenômenos eletromagnéticos. Porém em uma etapa de pré-dimensionamento este método pode ser considerado demorado em questões de tempo de cálculo. Assim, neste trabalho, utiliza-se um software chamado CADES, que a partir de um modelo analítico tem-se uma solução otima após um determinado número de iterações. O principal atrativo na utilização deste software foi sua facilidade de implementação matemática e exploração de variáveis. O modelo analítico apresenta um grande número de variáveis permitindo ter uma grande variedade de opções para o dimensionamento de transformadores, dependendo dos parâmetros de construção impostos pelos fabricantes. Uma das contribuições desta pesquisa é que parâmetros de custo de fabricação e custo capitalizado são partes da otimização e assim aspectos econômicos serão estudados dentro de um cenário de corte de gastos. O custo capitalizado do transformador é a soma do custo de fabricação com o custo das perdas sobre sua vida útil. Inicialmente o estudo consistirá na proposta de um modelo analítico de um transformador trifásico. Este modelo é validado através do método dos elementos finitos utilizando o software EFCAD e através do método em rede de relutâncias utilizando o software Reluctool, para as variáveis de indutância de magnetização e dispersão. Após a inserção dos modelos por rede de relutâncias no modelo analítico a otimização é implementada no CADES para diversos parâmetros de entrada impostos pelos fabricantes, e diferentes parâmetros de estudo como: permeabilidade relativa do ferro linear e saturada, bobinagem feita com cobre ou alumínio, etc. Alguns resultados são mostrados utilizando a metodologia de Pareto.<br>

Abstract : The study of transformers is the matter of many scientific studies. The finite element analysis is very used for this purpose because it is an efficient and accurate tool for electromagnetic phenomena representation. However in a stage of pre-dimensioning this method can be considered very time-consuming. Therefore, we will use a software called CADES, that from an analytical model, gives an optimal solution after a certain number of iterations. The main advantage of utilizing this software is the mathematical implementation and variables exploration ease. The analytical model shows a large number of variables and it allows a great variety of options for dimensioning transformers, depending on the construction parameters imposed by manufacturers. One of the contributions of this research is that parameters such as manufacturing cost and capitalized cost are parts of the optimization and thus economics aspects will be studied in a cost-cutting scenario. The capitalized cost of the transformer is the sum of the manufacturing cost and cost resulting from the losses on its service life. The study will initially consist of the suggestion of an analytical model of a three- phase transformer. This model is validated by the finite elements method using the software EFCAD and through the reluctance network method using the software Reluctool, for variables like magnetizing and dispersion inductance. After inserting the reluctance network models in the analytical model, the optimization is implemented on CADES for many input parameters imposed by manufacturers and different study parameters such as relative permeability of the iron, linear and non-linear, winding made of copper or aluminum, etc. Some results are shown using Pareto methodology.