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Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 1
Os Materiais Supercondutores em Sistemas Eléctricos de Potência
A. Leão Rodrigues
Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 2
1 Propriedades dos Materiais Supercondutores
2 Aplicações em Sistemas de Potência
Cabos Eléctricos
Transformadores de Potência
Limitadores de Corrente (Disjuntores)
Sistemas de Armazenamento de Energia
Motores Eléctricos de Relutância e de Histerese
Chumaceiras magnéticas
Parques Eólicos
Levitação Electromagnética em Transportes (Maglev)
1995 2000 2010 2020
ElectrónicaEnergiaTransportesIndustriaMedicina
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• Descoberta da supercondutividade
Heike Kammerling Onnes no seu laboratório de criogenia
na Universidade de Leiden, Holanda, em 1911
Aiu
TV
Mercúrio
Termómetro
Hélio líquido
Experiência de Onnes
iuR =
Hg
0,025
0,00
0,05
0,075
0,10
0,125
0,15 Ω
4o00 4o10 4o20 4o30 4o40T (K)
10-5 Ω
Resultado
O mercúrio perde a resistência à temperatura de 4,2 graus Kelvin, tornando-se num supercondutor.
• Efeito do campo magnético e da corrente
Ai
u
Hélio líquido
T
Mercúrio
V
H 12
24
36
0 2 4 6 8
Hc (kA/m)
Chumbo (Pb)
Mercúrio (Hg)
Selénio(Sn)Índio(In)
Tálio (Tl)
T(K)
Supercondutores de baixa temperatura (LTS) ou de 1ª geração descobertos até à década de 70
Estado supercondutor
Estado normal
0 Tc T
Hc
H(T) Campo magnético
( ) ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
2
1c
c TTHTH
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Jc
Tc
Hc
Densidade de Corrente, J
Campo magnético, H
Temperatura, T
0
Região de supercondutividade
Superfície crítica
Região de não supercondutividade
(estado normal)
• O estado de supercondutividade de um material é destruído se um dos três parâmetros seguintes estiver fora da superfície crítica:
• Temperatura crítica (TC)
• Campo magnético crítico (HC)
• Densidade de corrente crítica (JC)
Destruição da supercondutividade
SupercondutorI S
SIJ =
Estado supercondutor
Estado normal
0 Tc T
Jc
J(T) Densidade de corrente
( ) ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
2
1c
c TTJTJ
Ferromagnético
Magneto
oI
Metal( ) τ
−=
t
oeIti
t0
ospicosegundRL
≈=τ
Supercondutor
Magneto
∞≈=τRLSupercondutor
∞≈τCorrente
persistente
• Em 1933, Walter Meissner e Robert Ochsenfeld observaram que o fluxo magnético era expelido do interior de um supercondutor.
Walter Meissner
HM
=χ−Um supercondutor é um material diamagnético
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• Efeito de Meissner
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Levitação magnética
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Bednorz e Alex Muller, nos laboratóriosda IBM, perto de Zurique, em 1986.
• Em 1986, no laboratório de investigação da IBM, em Rüschliko(Suíça), os investigadores GeorgBednorz e Alex Müller descobriramum composto cerâmico à base de lantânio que se tornava supercon-dutor abaixo da temperatura de transição de cerca de 20 K.
Curvas de transição do La2CuO4
Estrutura cristalina do La2CuO4
Tc = 20 K
•Supercondutores Cerâmicos de Alta Temperatura (HTS)
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•Supercondutor YBCO (Ítrio, bário e óxido de cobre)
Blocos cerâmicos de YBCO
Anéis cerâmicos de YBCOBolachas cerâmicas de YBCO
YBa2Cu3O7
Estrutura cristalina do YBCO
Paul Chu no laboratório de materiais da Universidade de Huston, em 1987
Tc = 86 K
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Hidrogéniolíquido 23 K
1910 1930 1950 1970 1990 2010
140
Ano
120
100
80
60
40
20
0
Temperaturacrítica Tc (K)
Azoto líquido 77 K
• Evolução dos supercondutores ao longo do tempo
Dieléctrico –azoto líquido
Isolante
Supercondutor
Devido à necessidade de refrigeração estes cabos são subterrâneos e o azoto é utilizado como elemento refrigerador e isolante. Não contaminam os solos como os de óleo
Os cabos supercondutores podem transmitir 3 a 5 vezes maior energia do que os cabos convencionais em cobre, sem qualquer perda de energia.
FilamentosSupercondutores Prata
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Cabos eléctricos
Fita supercondutora em BSCCO
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-1.0
-0.5
0.5
1.0
-0.20 -0.15 -0.10 0 0.05 0.10 0.15 0.20
ψ1(t) (Wb)
pH = 43 kW./mpH = 40 kW/m
i1(t) (A)
77 K298 K
-0.05
Perdas no ferro à temperatura ambiente(298 K) e a azoto líquido ( 77 K)
Os enrolamentos são construídos de material cerãmico BSCCO (pronuncia-se 'bisko'). arrefecidos a 196 oC , usandoazoto líquido é isolante e não inflamável Os isolantes deverão no entanto resistir a esta baixa temperatura.A vantagem do transformador supercondutor é o aumento da sua potência específica e a redução drástica de perdas.
Transformador de potência Supercondutor
Constituição da parte activa de um transformador trifásico supercondutor
Depósito de azoto líquidoAzoto líquido
Enrolamento AT
Núcleo de ferro
Enrolamento AT
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Características de um transformador supercondutor de 500 kVA
Características
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• Limitadores de corrente
Z ~ 0
Estado supercondutor
0 Tc T
Hc
H(T) Campo magnético
Quando o secundário está no estado supercondutor o trans-formador está em curto circui-to e portanto a impedância vista do primário é nula.
Circuitomagnético
FerroPrimário(cobre)
Cilindro supercondutor
Anel de cobre de controlo
HI
Arlíquido
LCS
Carga
LCS
Carga
LCS
Carga
I
LCSSe a corrente aumentar exageradamente o campo Haumenta e provoca a passagem ao estado normal do secundário, aumentando a impedância e limitando a cor-rente de curto circuito
Estado normal
Z >> 0
Aspecto de um limitador de corrente
Limitadores de Corrente Indutivos
Limitador de núcleo fechado
Tubo SAT Crióstato
Limitador de núcleo aberto
Primário
Núcleo
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Aspecto físico do limitador de corrente
Limitadores de Corrente Indutivos
Operação normal (baixa impedância)
Núcleo
PrimárioTubo SAT
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Falta (alta impedância)
Limitadores de Corrente Indutivos
Projecto ABB (1996) de uma instalação protegida com um limitador
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Sistemas para armazenamento de energia (SMES)
Primário SecundárioNeutro
ca
cc
ca
cc
ca
Transformador
Linha de transmissão de energia
GTO c
L
R=0
Rectificador Inversor
PJoule = 0
Bobina supercondutora
230/400 V
221 LIWmag =
I
I
CARGA
CARGA I
Com bobina supercondutora
Tempo
cc ccGTO c
PJoule = 0
I
Tempo
Tensão Duração da falta ~ 0,1 s
Sem bobina supercondutora< 5 períodos
I
I
Bobina armazenadora de energia magnéticaL = 4 HI = 100 AW =(1/2)LI2 =20 kJ5 periodos = 0,1 sP = 200 kW
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Princípio do binário de relutância( ) ( ) ( ) θ−++=θ 2cos
21
21
minmaxminmax LLLLL
Variação de L(θ) eT(θ)
0 π/2 π 3π/2 2π θ
L (θ)
L med
L max
L min
Variação T(θ)
Variação L(θ)
0 π/2 π 3π/2 2π θ
T maxT (θ)
-T max
II rms - Constant
( ) ( ) ( ) θ−−=θθ
=θ 2sin23
23
minmax22 LLI
ddLIT rms
IU rms - Constant
( ) ( ) θ−ω
=θ 2sin.23
minmaxminmax
2
2LL
LLUT rms
Variação de L(θ) em função da posição rotórica
Eixo magnético do estator Eixo directo do rotorθ
Fluxo dedispersão
Rotor de Relutância Convencional
Veio
Rotor do tipo saliente
Estator convencional
Pequeno fluxo de dispersão
Rotor saliente
Fluxo no Motor de Relutância Supercondutor
Rotor do tipo saliente
Veio
Bloco HTS
Malhete
Rotor de Relutância Supercondutor
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• Motores supercondutores de relutância
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Lmax – Lmin = 331,5 mH
Lmin = 342,4 mH
Lmax = 673,9 mH
Lmax – Lmin = 432,2 mH
Lmin = 223,0 mH
Lmax = 655,2 mH
Lmax – Lmin = 481,6 mH
Lmin = 227,3 mH
Lmax = 708,9 mH
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Lmax – Lmin = 615,8 mH
Lmin = 50,0 mH
Lmax = 665,8 mH
Lmax – Lmin = 550,4 mH
Lmin = 149,0 mH
Lmax = 669,3 mH
Lmax – Lmin = 386,1 mH
Lmin = 335,4 mH
Lmax = 721,4 mH
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• Motor de relutância auto pilotado
Sentido horário Sentido anti-horário
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Geração do Binário de Histerese Motor de Histerese com 4 sectores
Campo girante
Estator
Sectores circulares
Topologia do Motor de Histerese
Anelsupercondutor
. Motores eléctricos de histerese
Bomba para trasfegar hidrogénio (motor de histerese)
Avião criogénico (Tupolev)
Aspecto do Rotor do Motor de Histerese
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EntradaAzoto líquidoSaída
Máquina síncrona com o rotor pré magnetizado (trapped flux)
Estator bifásico e bipolar supercondutor Rotor em disco supercondutor
Chumaceiras para máquinas rotativas
a) Chumaceira horizontal
b) Chumaceira vertical ou de impulso
Azoto líquido
Veio
Força de levitação
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Shaft
Cilindro de HTS
Magneto permanente de NdFeB
f = 9.7 N/cm2
Distribuição da densidade de força ao longo da chumaceira horizontal
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
μ≈
rDB
AF
o
s24
3 2
Chumaceira magnética comercial
• Chumaceira horizontal
Corte da chumaceira horizontal
Veio
Anel supercondutor
g
Magneto permanente
Anel de cobre
Magneto permanente
Anel supercondutor
Anel de cobre
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a) Lower part (HTS)
b)Upper part (PM) Esquema da chumaceira vertical
HTS blocks Stabilization
NdFeB blocksAir gaps
300
Fluxo na chumaceira vertical
NdFeB NdFeB NdFeB
YBCO YBCO Liquid nitrogen
LevitadorChumaceira vertical comercial
Liquidnitrogen
• Chumaceira vertical ou de impulso
• O aspecto mais importante no emprego de materiais supercondutores em máquinas eléctricas é:
• Redução das suas dimensões;
• Redução do peso;
• Aumento da sua eficiência.
• Os motores que empreguem supercondutores podem ter apenas 30% dotamanho de um motor convencional com a mesma potência.
É estimado que os motores supercondutores estejam no mercado em 2010
a) Máquina clássica b) Máquina supercondutora
Potência/volume = 1
Potência/volume = 0.5 to 0.3
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Gerador síncrono supercondutor em disco
Parques eólicos
Circuito de azoto líquido
Parque eólico com geradores síncronos supercondutores
Azoto líquido
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Levitação magnética em transportes (Maglev)
Sistema clássico
Sistema electromagnético
Verdugo
Peso
Reacção
Motor síncrono linear
Bobinas de sustentação
Sistema Maglev
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Levitação magnética em transportes (Maglev)
• 10 mm do solo
• 600 passageiros
• 443 km/h (TGV 257 km/h)
• 30 km – 7 min
Bobinas laterais
Guias
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Maglev - Exemplos
Maglev Chinês
Maglev americano Protótipo do Maglev germano chinês
Estação do Maglev Chinês
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Maglev
Projecto NATO SfS do Maglev Russo