Poupança de energia versus preço de compra.

Contrariamente aos conceitos de poupança de energia de todos os grandes países, começa a surgir uma tendência no mercado de produtos de enrolamento indutivo – enrolamentos feitos de alumínio em vez de cobre. A grande vantagem, para além do menor peso, é o preço de compra do alumínio, comparativamente muito mais baixo do que o do cobre.

Especialmente em tempos de franco forte, muitos fabricantes de máquinas e instalações só têm em mente o preço. A eficiência energética não deve interessar sob a pressão dos preços, caso contrário, as poupanças serão feitas no lado errado. Em muitos sectores, como os meios de comunicação social privados e os electrodomésticos, a batalha é travada em prol de uma elevada eficiência e de perdas mínimas em standby. No sector industrial, porém, a “gestão da energia” é muitas vezes ignorada. Exemplos disso são as cablagens com uma secção transversal demasiado pequena, interruptores/contactos baratos ou produtos de enrolamento indutivo “baratos”, como transformadores, bobinas e motores. Muitas vezes, vale a pena olhar mais de perto para as perdas aqui.

Perdas de calor mais baixas reduzem o design
Isto porque as poupanças diretas de energia compensam frequentemente o preço inicial mais elevado no prazo de 12 a 24 meses. A poupança indireta de energia também é possível em salas ou armários de distribuição, se estes tiverem de ser ventilados ou climatizados. Graças à redução das perdas de calor, é possível poupar volume de construção e custos adicionais. Em princípio, as perdas dos produtos de enrolamento indutivo “baratos” podem agora ser reduzidas para metade por meios economicamente “normais”, sem ter de duplicar o preço.

Com exceção da prata, o cobre tem o melhor valor de condutividade com γ = 56, enquanto o alumínio tem apenas γ = 36. O alumínio segue-se com uma diferença de cerca de 35 por cento. O cobre é, portanto, o melhor metal precioso e o alumínio “apenas” o segundo melhor dos materiais condutores técnica e economicamente utilizáveis. Nada vem depois disso. Todos os outros metais estão fora de questão como condutores, e as ligas têm geralmente uma condutividade consideravelmente mais baixa do que os metais puros. A prata ou o ouro estão completamente excluídos devido ao seu elevado preço. O alumínio é um metal leve com apenas cerca de 35% da densidade do cobre.

O alumínio requer densidades de corrente mais baixas
Para enrolar um transformador com alumínio que seja equivalente em termos de eficiência, as densidades de corrente devem ser reduzidas em cerca de 35 por cento em comparação com o cobre. Isto pode ser conseguido aumentando as secções transversais dos condutores em conformidade. Isto significa que os núcleos laminados e todos os componentes mecânicos têm de ser aumentados. O volume, o peso e a utilização de material de todo o transformador aumentam em conformidade. Esta situação também pode resultar num aumento de preço. As poupanças no material condutor são parcialmente anuladas por este facto. No entanto, para poupar custos, os transformadores são construídos com muitos canais de arrefecimento para manter a temperatura sob controlo. Atualmente, muitos transformadores de alumínio têm de ter uma classe de isolamento F, H ou superior porque o calor é um problema. Tal como se quanto mais elevada for a classe de isolamento, melhor será o transformador.

Material condutor alumínio comparado com cobre
O alumínio é bastante dúctil, mas não tão dúctil como o cobre. A carga magneto-mecânica nos enrolamentos individuais de uma bobina aumenta enormemente com a densidade da corrente e a quantidade de corrente. Imagine que a bobina é carregada com um ciclo de 100 Hz numa rede de tensão alternada de 50 Hz. Isto faz com que o enrolamento expluda literalmente. A tensão máxima de compressão no condutor pode ser de vários N/mm2 , mesmo em transformadores pequenos. Isto deforma a secção transversal do fio e, no pior dos casos, pode mesmo provocar a sua rutura em caso de curto-circuito prolongado. Este facto não é frequentemente tido em conta no dimensionamento dos transformadores. Este problema aumenta com o alumínio em comparação com o cobre. Além disso, os enrolamentos individuais começam a roçar uns nos outros a 100 Hz, o que danifica o isolamento. A avaria passa despercebida até que o enrolamento sofra um curto-circuito, o que pode demorar anos.

A fricção mecânica tem influência no enrolamento
Em caso de curto-circuito, a constrição derrete, o que, por sua vez, pode ocorrer muito mais facilmente do que com o cobre devido ao ponto de fusão mais baixo e à condutividade térmica mais baixa do alumínio, para não mencionar a tendência para formar tais constrições, e forma-se um arco, o que significa um risco agudo de incêndio. Em relação ao volume, a capacidade térmica também é menor. Com α = 23,1, o alumínio tem um coeficiente de expansão térmica que é cerca de 30 por cento mais elevado do que o cobre com α = 16,5. Isto significa que o alumínio se expande mais quando aquecido, o que significa que o enrolamento pode perder mais força e que a fricção mecânica tem uma maior influência. No entanto, existe aqui uma pequena vantagem: nos transformadores de resina epóxi totalmente encapsulados, o alumínio tem aproximadamente o mesmo coeficiente de expansão que a própria resina epóxi. Isto pode resultar em menos tensões internas no enrolamento no caso de enormes flutuações de temperatura e carga no sistema de isolamento F ou H. Quando exposto ao ar, o alumínio fica rapidamente revestido por uma camada de óxido dura e resistente que não conduz eletricidade e, por isso, dificulta o contacto. Pode ocorrer resistência ao contacto, o que, por sua vez, pode resultar num risco de incêndio.

O alumínio é “mecanicamente” problemático
O alumínio tem tendência a fluir com o tempo. O material cede com o tempo sob alta pressão. Isto significa que as ligações inicialmente apertadas podem afrouxar gradualmente. Por esta razão, as extremidades dos condutores de alumínio devem ser sempre contactadas com contactos de parafuso bem apertados e anilhas de mola, mas estes não são frequentemente permanentes. Em princípio, os contactos de mola oferecem uma solução, mas depois as camadas de óxido voltam a ser um problema. Em ambos os casos, isto leva a um aumento lento das resistências de contacto e, consequentemente, a um risco de incêndio. Neste caso, só a soldadura em grande escala ou a soldadura podem ajudar. No entanto, a corrosão por contacto eletroquímico entre o alumínio e o cobre não deve ser negligenciada. Os transformadores de alumínio são frequentemente ligados incorretamente a cabos de cobre por ignorância. O único domínio puramente técnico do alumínio seria o seu peso, com uma densidade de ~2,7 g/cm³ em contraste com o cobre com ~8,93 g/cm³, onde a necessidade de espaço não é um critério, mas o peso sim. Este facto é relevante para linhas aéreas ou transformadores, por exemplo, que têm de ser muito leves.

Conclusão
Quem quiser ter em conta não só o preço dominante, mas também os custos ao longo da vida, deve prestar mais atenção a este tópico. A eficiência de todo o sistema em termos da escolha dos materiais será decisiva para a eficiência energética no futuro, se não forem necessárias soluções especiais apenas devido a restrições económicas, geométricas ou funcionais. ”

Autor:
Frank Hanisch, licenciado em engenharia eletrotécnica,
Chefe do departamento de tecnologia e desenvolvimento da Bächli AG