Utilização de Resistência de Sacrifício para Minimização da Potência Dissipada

UTILIZAÇÃO DE RESISTÊNCIA DE SACRIFÍCIO PARA MINIMIZAÇÃO DA POTÊNCIA DISSIPADA NO SUPERCONDUTOR HgRe-1223 QUANDO APLICADO COMO LIMITADOR DE CORRENTE: ESTUDO CONCEITUAL E POR SIMULAÇÃO

MARINA P RAMALHETE, DOMINGOS S L SIMONETTI, JUSSARA F FARDIN, FLÁVIO B B SILVA

Laboratório de Supercondutividade Aplicada - SUPERA, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Espírito Santo
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Marina P Ramalhete1, Domingos S. L. Simonetti1 , Jussara F. Fardin1, FLÁVIO B. B. SILVA2

1Laboratório de Supercondutividade Aplicada - SUPERA, Depto. de Engenharia Elétrica, Universidade de Federal do Espírito Santo
CEP 29075-910,Vitória, ES, Avenida Fernando Ferrari, 514, Brasil

2Coordenadoria de Automação Industrial, Campus Serra, Ifes - Instituto Federal do Espírito Santo

CEP 29173-087, Rodovia Es-010 Km 6,5, Manguinhos, Serra, ES, Brasil

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Abstract⎯ This paper presents a methodology for minimizing the dissipated power in a resistive superconducting ceramic high critical temperature (HTSC) HgRe-1223, when it is in the conducting state  acting as a current limiter starting induction motor or a fault current limiter. In order to reduce the dissipated power by the superconductor, a resistor is placed in parallel with the HgRe-1223 ceramic, acting as a sacrifice impedance. It is presented a method for minimizing superconductor power in case that loss of superconductor state is due only to current intensity, without significant temperature change. The calculus of sacrifice impedance and superconductor resistance is proposed, and analytical and simulation results are compared. Simulations encompassed fault current limiter as well as inrush current limiter of induction motor.

Keywords⎯ Superconductivity, Current limiter, Induction motor, Short circuit, HgRe-1223 superconducting ceramic

Resumo⎯ Este trabalho apresenta uma metodologia para minimização de potência dissipada em um supercondutor cerâmico resistivo de alta temperatura crítica (HTSC) HgRe-1223, quando este está no estado condutor. A fim de reduzir a potência dissipada pelo supercondutor, utiliza-se uma resistência como impedância de sacrifício, inserida no circuito em paralelo com a cerâmica HgRe-1223. É apresentado um método de minimização de potência no supercondutor para o caso em que a mudança de fase ocorre apenas por corrente, sem alteração significativa da temperatura de operação. É proposto o dimensionamento da impedância de sacrifício e da resistência do supercondutor, e comparados os resultados com os obtidos a partir de simulação computacional. As simulações contemplaram duas aplicações, uma como limitador de corrente de falta e outra como limitador de corrente de partida de motor de indução.

Palavras-chave⎯ supercondutividade, limitador de corrente, motor de indução, curto-circuito, cerâmica supercondutora HgRe-1223

1    Introdução

Com os últimos avanços nas pesquisas sobre supercondutores cerâmicos de alta temperatura crítica, High Temperature Superconductors-HTSC, novas aplicações vem sendo estudadas, dentre as quais pode-se citar: limitadores de corrente de partida de motor de indução e limitador de corrente de falta. (Silva, 2010)

Limitadores de corrente baseados em supercondutores apresentam baixíssima resistência em condições normais de operação e por isso sua dissipação de potência é praticamente nula, características que os tornam interessantes na aplicação de sistemas elétricos. Entretanto, quando a corrente que atravessa o supercondutor é superior à corrente crítica, prevalece o comportamento condutor resistivo normal do material, uma vez que uma das condições para haver supercondutividade foi desrespeitada.

Dependendo do valor de corrente que se deseja limitar, a dissipação de potência pelo limitador, no estado condutor, pode ser elevada, comprometendo assim sua eficiência e o sistema de refrigeração do supercondutor, dado que o calor gerado no fio que ao ser transferido para o fluido criogênico provoca a evaporação desse. (Homrich,2001).

Posto isto, este trabalho propõe-se a discutir os efeitos na redução de potência dissipada quando uma resistência é inserida em paralelo com o elemento supercondutor para limitação de corrente, seja na partida de um motor de indução ou durante um curto circuito.

Os estudos realizados baseiam-se na cerâmica supercondutora Hg0,82Re0,18Ba2Ca2Cu3O8+δ, cuja temperatura crítica é de 132,5 K, e é fabricada no Laboratório de Supercondutividade Aplicada - SUPERA, do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Espírito Santo. Para essa amostra, a temperatura de operação é a de liquefação do nitrogênio a pressão de 1 atm, 77K, e a densidade de corrente crítica é de  e resistividade 0,001Ω.m (Oliveira, 2005; Freitas, 2009). [pic 1]

2   Modelo de Resistência versus Corrente do Supercondutor

O modelo matemático que vem sendo utilizado para simular o funcionamento das cerâmicas supercondutoras HgRe-1223 no Laboratório SUPERA, foi empregado nesse trabalho. Esse modelo aproxima a transição de estado normal para supercondutor por três retas. Os principais parâmetros RF, IC e IF são mostrados na Figura 1, juntamente com a representação do comportamento real (Freitas, 2009), como pode ser visto a resistência varia linearmente com a corrente

[pic 2]

Figura 1. Modelo de supercondutor com transição representada por retas

O valor de IC é a corrente em que o supercondutor muda de fase (deixa o estado supercondutor – resistência zero). A resistência RF é aquela que se deseja inserir representando o supercondutor no estado de condução normal. A corrente final IF é aquela em que a resistência alcança o valor de regime (RF) à temperatura de operação do dispositivo. Assim, segundo este modelo, matematicamente, o limitador de corrente pode ser representado como mostrado na Equação 1 (Freitas, 2009).

[pic 3]

(1)

Como pode ser notado na Figura 1 a resistência varia linearmente com o aumento da corrente até alcançar o valor constante RF. A estabilização da resistência ocorre quando a corrente alcança o valor IF, tipicamente dado, para esta cerâmica, por (Freitas, 2009):