Os Materiais Supercondutores em Sistemas Eléctricos de...

Universidade Nova de Lisboa - DEE ISEP – 29 de Novembro de 2006 1

Os Materiais Supercondutores em Sistemas Eléctricos de Potência

A. Leão Rodrigues


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


• 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



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 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


• Efeito de Meissner


Levitação magnética

Clique em cima da foto para visualizar o filme


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)


•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


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


Cabos eléctricos

Fita supercondutora em BSCCO


-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


Características de um transformador supercondutor de 500 kVA

Características

http://www.wtec.org/loyola/scpa/fh03_06.jpg


• Limitadores de corrente

Z ~ 0


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


Aspecto físico do limitador de corrente


Operação normal (baixa impedância)

Núcleo

PrimárioTubo SAT


Falta (alta impedância)


Projecto ABB (1996) de uma instalação protegida com um limitador



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


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


• Motores supercondutores de relutância


Lmax – Lmin = 331,5 mH

Lmin = 342,4 mH

Lmax = 673,9 mH


Lmin = 223,0 mH

Lmax = 655,2 mH


Lmin = 227,3 mH

Lmax = 708,9 mH



Lmin = 50,0 mH

Lmax = 665,8 mH


Lmin = 149,0 mH

Lmax = 669,3 mH


Lmin = 335,4 mH

Lmax = 721,4 mH


• Motor de relutância auto pilotado

Sentido horário Sentido anti-horário


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


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



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


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



Gerador síncrono supercondutor em disco

Parques eólicos

Circuito de azoto líquido

Parque eólico com geradores síncronos supercondutores

Azoto líquido


Levitação magnética em transportes (Maglev)

Sistema clássico

Sistema electromagnético

Verdugo

Peso

Reacção

Motor síncrono linear

Bobinas de sustentação

Sistema Maglev


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


Maglev - Exemplos

Maglev Chinês

Maglev americano Protótipo do Maglev germano chinês

Estação do Maglev Chinês


Maglev

Projecto NATO SfS do Maglev Russo


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