ride through system-rts método de mitigação de problemas na tensão

TRABALHO DE CONDICIONAMENTO DE ENERGIA
AGOSTO/2010
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
ENGENHARIA ELÉTRICA
RIDE THROUGH SYSTEM-RTS
MÉTODO DE MITIGAÇÃO DE PROBLEMAS NA TENSÃO
César Sampaio 14483
Ferdinand Freitas 14491
Marco Aurélio 14515
Mauricio Teixeira 14508
Leandro Magalhães 14518
Renan Faenza 14528
Professor: Prof. Ph.D. José Maria de C. Filho
Grupo de Estudos da Qualidade da Energia Elétrica (GQEE)
qualquer problema manifestado na tensão,
corrente ou frequência, que pode levar a
falhas
ou
operação
indevida
de
equipamentos (DUGAN et al., 19961).
Enfim, a “Qualidade da Energia Elétrica”
está associada a um conjunto de alterações
que levam o sistema elétrico a operar longe
de sua condição ideal [1].
Resumo - Este artigo tem como objetivo
apresentar o funcionamento e a aplicação
do método de mitigação de Afundamentos
de Tensão, conhecido como Ride Through
System .
Palavras-Chave: Métodos Mitigação,
Complemento RTS, Condicionamento de
Energia, Qualidade da Energia, Ride
Through System e Variações de Tensão
de Curta Duração (VTCDs).
Os Fenômenos da Qualidade de Energia
Elétrica
As alterações, ou fenômenos, podem
ocorrer em várias partes do sistema de
energia, seja nas instalações dos
consumidores ou no sistema supridor das
concessionárias. As causas mais comuns
são: perda de linha de transmissão, saída de
unidades geradoras, chaveamentos de
bancos de capacitores, curto-circuito nos
sistemas elétricos, operação de cargas com
características não-lineares, etc.
1. Introdução
A Qualidade da Energia Elétrica
(QEE) se apresenta como uma área de
grande interesse para os consumidores e
concessionárias de energia. A busca de
estudos, análises e soluções dos problemas
comumente encontrados no setor elétrico
levam ao desenvolvimento de novas, e cada
vez mais avançadas, tecnologias.
A preocupação, bem como os
estudos da “Qualidade da Energia Elétrica”
são relativamente recentes. Por isso, e
também pela constante alteração dos
conceitos de QEE não existe um concenso
nem mesmo uma convenção em relação a
sua correta definição. Na literatura, é muito
usual referir-se ao tema como sendo
A QEE refere-se a uma ampla
variedade de fenômenos eletromagnéticos.
Os principais distúrbios em qualidade da
energia são: transitórios (impulsivos e
oscilatórios), VTCD - variações de curta
duração
(interrupções
transitórias,
afundamentos de tensão e saltos de tensão),
VTLD - variações de longa duração
1
(interrupções sustentadas, subtensões e
sobretensões), desequilíbrios, distorção de
forma de onda (harmônicos, corte de
tensão, ruído, etc.), flutuações de tensão e
variações de freqüência.
2.
Distúrbio
Afundamento
Categorias
Duração
Interesse:
O
Perdas de produção nas indústrias
ocasionadas por problemas de qualidade da
energia possuem um impacto significativo
na economia comercial, representando
prejuízos anuais em torno de bilhões de
dólares somente nos Estados Unidos.
Os eventos típicos de qualidade da
energia responsáveis por estes prejuízos
residem basicamente em eventos que
acontecem em períodos de tempos da
ordem de 6 a 10 ciclos e queda de tensão na
ordem de 50% da tensão nominal. Tais
eventos na sua maioria são classificados
como afundamentos de tensão e interrupção
momentânea de tensão.
Para definir melhor estes fenômenos
de
qualidade,
deve-se
levar
em
consideração o seu tempo de duração e
também a sua intensidade.
Assim,
buscando
facilitar
a
compreenção destes eventos apresenta-se na
Figura1 como um sinal elétrico senoidal se
comporta na presença deste conjunto de
alterações. Bem como a Tabela 1 tras uma
classificação resumida mostrando o
intervalo para classificar um evento quando
a intensidade e duração.
Transitórios
Impulsivos
50[ns] a 1[ms]
Oscilatórios
5[ns] a 50[ms]
Variações de Curta Duração
Interrupção Transitória
0.5[ciclos] a 1 [min]
Afundamento de Tensão 0.5[ciclos] a 1 [min]
Salto de Tensão
0.5[ciclos] a 1 [min]
Variações de Longa Duração
Interrupção Sustentada
> 1[min]
Subtensões
> 1[min]
Sobretensões
> 1[min]
Desequilíbrios
Regime Permanente
Distorção de Forma de Onda
Harmônicos
Regime Permanente
Recorte de Tensão
Regime Permanente
Ruído
Regime Permanente
Flutuação de Tensão
Intermitente
Variações de Frequência < 10[s]
de
Magnitudes [pu]
O afundamento de tensão pode ser
melhor compreendido observando o
histograma tridimensional da figura 2 que
caracteriza os principais tipos de
afundamentos de tensão durante uma
amostragem anual de eventos.
Na grande maioria das vezes o
trabalho para eliminar as ocorrências dos
afundamentos de tensão requer grandes
investimentos no setor elétrico, o que
direciona a solução para a forma da
mitigação destes afundamentos nas
principais cargas utilizando tecnologias
apropriadas que serão abordadas na
seqüência de desenvolvimento deste
trabalho.
0a8
< 0.1
0.1 a 0.9
1.1 a 1.8
0
0.8 a 0.9
1.1 a 1.2
0.05 - 0.02
0 a 0.2
0.01
0.001 a 0.007
-
Tabela1 – Fenômenos da Qualidade de Energia
Figura 1 – Principais Distúrbios de Tensão
2
3. Forma de Mitigação: utilização do
RTS
Princípio de Funcionamento do
ADS
Solução utilizada para mitigar
distúrbios
de
tensão de curta duração, principalmente
afundamentos e interrupções.
A
utilização do RTS garante continuidade
e nível tensão adequada à carga.
Utilizando as estatísticas de
eventos anuais, pode-se estimar os
custos de interrupções nos processos e
comparar com o custo adicional para
implementação do sistema ride-through,
muito utilizado para aumentar a
confiabilidade dos ASDs (Adjustable
Speed Drive).
A fonte AC é retificada e forma
um link DC. Ali se encontra um
capacitor eletrolítico que se carrega
quando o valor instantâneo da tensão no
link AC é maior que do link DC. A
corrente então flui do link AC para o
capacitor, aumentando a tensão no link
DC. Quando as tensões AC e DC se
igualam, a corrente vai a zero e a carga
é alimentada pelo capacitor diminuindo
a tensão DC até que a tensão do link AC
seja maior que a remanescente DC,
recomeçando o processo.
Os principais aspectos que
determinam o desempenho do ASD são:
variação da magnitude do afundamento,
duração do afundamento, assimetria das
fases e formas de onda distorcidas. As
distorções do lado AC provem de
fatores como: sub ou sobre tensão do
lado DC, queda da velocidade do motor,
diminuição da corrente AC durante o
afundamento e finalmente uma sobre
corrente alimentando o capacitor do link
DC.
4. Definição de ASD
Os afundamentos de tensão
afetam
muitos
equipamentos
elétricos/eletrônicos, principalmente os
equipamentos sensíveis, como, por
exemplo, o Adjustable Speed Drive . É
um equipamento usado no controle da
velocidade de motores. A velocidade do
motor é variada através da variação de
freqüência da tensão aplicada ao
mesmo.
Os afundamentos, mesmo com
pouca duração, podem causar diversos
danos aos processos industriais,
paralisando-os e acarretando em perdas
de tempo, material e dinheiro. Dessa
forma os ASDs são feitos de modo a
tolerar essa faixa de variação da tensão
e operam normalmente em condições
estabelecidas de variações. A Figura 3
mostra a tipologia desse equipamento:
5. Efeitos sobre o ASD frente a
diferentes tipos de afundamentos
Durante o afundamento de
tensão, o nível do link AC cai e,
dependendo da intensidade e da duração
do distúrbio, o nível de tensão do link
DC muda também.
As faltas no sistema elétrico
geralmente causam os afundamentos, e
os efeitos sobre o ASD:

Figura 3- Esquemático AS
3
Faltas Trifásicas Simétricas,
afetam o link DC de forma
proporcional ao efeito sobre o
lado AC. Trata-se de um
fenômeno raro, porém o efeito
de sobre corrente ou sub tensão
no lado DC pode danificar o
ASD.

A habilidade e eficácia do Ride
Through System aliado ao ASD
depende de alguns fatores, a saber:
capacidade de armazenamento de
energia do link DC, velocidade e inércia
da carga e a potência consumida pela
carga. Para melhorar o desempenho do
sistema, algumas providências podem
ser tomadas no sentido de melhorar a
eficiência e a confiabilidade do
equipamento. Fazem-se modificações
na tipologia do ASD garantindo melhor
performance frente aos distúrbios. As
mais comuns são:
 Adição de capacitores no
barramento DC;
 Utilização da inércia da carga.
 Redução da velocidade e/ou
carga do motor;
 Utilização de motores de menor
tensão.
Faltas Fase-Fase, o circuito
passa a se comportar como um
retificador de única fase de um
retificador a diodo trifásico.
Para um afundamento de 50%,
o link DC não cai alem de 70%
de seu valor original. Isso pois a
ultima fase restante possui
100% de sua magnitude a ajuda
a estabilizar a tensão.
De forma geral, a tensão entre duas
fases não faltosas não são afetadas por
afundamentos implicando em dano
algum ao link DC. A sensibilidade dos
ASDs devido aos diferentes tipos de
afundamentos, está presente na Curva
de Tolerância mostrada a seguir:
Figura 4-Curva de Tolerância de um ASD
4
5.1. Adição de
barramento DC
capacitores
Por necessitar de simples ajustes
no software e por existir inversores
comerciais disponíveis no mercado com
até 2 s de ride-through para
afundamentos de 80%, é o que faz essa
topologia ser viável, porém, apresenta
pontos negativos por depender da
inércia da carga e por fazer com que a
velocidade do motor diminua.
no
Ao adicionar os capacitores do
barramento CC, pode-se fornecer ao
motor a energia adicional necessária
para a plena potência ride-through
durante um afundamento de tensão.
5.3. Operação do ASD
velocidade/carga reduzida
com
Neste tipo de topologia, o
inversor trabalha com freqüência
ligeiramente inferior à do motor, o que
o faz reduzir a velocidade, portanto a
corrente no link DC é reduzida.
Uma bomba ou ventilador
operando em menor freqüência drena
uma menor corrente do que em
freqüência nominal, o que o possibilita
trabalhar em um maior período durante
o afundamento.
Se mostra viável, pois não
necessita de instalação de um outro tipo
de hardware e com 50% da velocidade e
carga, é aumentado em 4 vezes o tempo
de ride-through de uma unidade
comum, porém, a aplicação pode não
aceitar operar com velocidade reduzida
e só é aplicável à cargas com torque
variado (bombas e ventiladores).
Figura 5 – Adição de capacitores no
barramento DC
Estes capacitores armazenam
energia durante a operação normal da
rede e quando algum tipo de defeito
ocorre, podendo ser um afundamento ou
uma interrupção momentânea, os
capacitores agem mitigando o defeito
protegendo a carga.
A energia armazenada no
capacitor do barramento DC é
relativamente
pequena.
Havendo
interrupções ou afundamentos de maior
duração, em poucos milissegundos o
motor absorve a energia armazenada.
Para esta topologia, mesmo
sendo robusta e simples ainda apresenta
um elevado custo e sua instalação
necessita de um aumento no espaço da
obra devido a circuitos adicionais para
seu carregamento.
5.4. Utilização de motores com menor
tensão
5.2. Uso da Inércia de Carga
A utilização de um motor de
menor tensão ligado à um sistema de
tensão superior permite um maior
afundamento, afinal o inversor PWM
define a tensão de saída, que será
significativamente menor que a tensão
da entrada. Portanto, mesmo que
aconteça um grande afundamento, será
possível manter a tensão do motor, pois
ela é muito menor que a da rede. Em
operação normal, o inversor controla a
O software de controle do
inversor pode ser modificado de tal
forma que quando uma perturbação de
energia ocorra, levando a tensão para
níveis abaixo do especificado este
interfira na freqüência do motor,
fazendo-o operar como gerador,
absorvendo uma pequena quantidade de
energia a partir da rotação do eixo ao
qual se encontra acoplado.
5
tensão de forma a mantê-la no nível do
motor.
Por exemplo, se um motor AC
de 230 V for usado com uma unidade
Ride-Through de 460 V, a tensão no
link DC (normalmente 620 V) poderia
cair para um valor tão baixo quanto
45% (280 V) e ainda assim será
fornecido 230 V ao motor AC. A
máxima tensão AC na saída para o
motor é 0,83 Vdc. Então, enquanto a
tensão cai, o inversor muda seu ciclo de
operação para manter uma tensão
constante de 230 V alternada para o
motor.
Mostra-se vantajoso uma vez
que não necessita da instalação de
nenhum outro hardware e apresenta um
aumento de aproximadamente 2,8 vezes
o tempo de ride-through de uma
unidade comum.
6. Modificações
hardware
avançadas
Figura 6 – Representação de um Boost
Converter Ride-Through
A tensão no link DC pode ser
regulada conforme exigido pelo
inversor, e é ajustada pelo usuário o que
pode ser vantajoso, outro adicional é
poder oferecer ride-through para
afundamentos de até 50%.
Contudo, é necessário hardware
adicional, que deverá ser devidamente
avaliado devido à corrente adicional
drenada durante o afundamento e em
caso de interrupção o conversor de
impulsos não será capaz de oferecer
ride-through, e a unidade irá dar trip.
de
6.1 Boost Converter Ride-Through
Durante um afundamento de
tensão, o conversor de impulsos será
sensibilizado pelo afundamento e
começará a regular a tensão no link DC
para um valor mínimo exigido pelo
inversor
Um conversor de impulsos pode
ser usado para manter a tensão do link
DC durante o afundamento de tensão
No caso de uma adaptação onde
o módulo de impulso é adicionado a um
existente ASD, é necessária uma
coordenação adequada de lógica de
proteção contra faltas.
6.2. Active Rectifier ASD Front End
Nesta configuração o retificador
e inversor à diodo são substituidos por
PWM. O RTS é fornecido para
afundamentos de até 10%com carga
total, podendo ser expandido para 40%.
Figura 7 – Configuração Active
Rectifier ASD Front End
Como
vantagens
podemos
apontar o fato de que o retificador
6
oferece tensão controlada no link DC
fazendo com que ele se auto corrija em
afundamentos de tensão, e também que
o fluxo de potencia em ambos os
sentidos proporcionam a frenagem
regenerativa.
Esta
configuração
apresenta uma baixa introdução de
harmonicos à rede. Porém, o custo é
bem elevado e além disso o pacote é
maior já que necessita 3 indutores antes
do retificador.
6.4. Paralelo das Topologias de ASDs
A figura a seguir mostra as
características de cada alternativa de
ride-through, como o custo, tempo de
proteção à carga e faixa de potência.
6.3. ASD Ride Through utilizando
armazenadores de energia
A variedade de meios de
armazenar energia são importantes para
oferecer
o
necessário
para
o
funcionamento das cargas durante
afundamento e interrupções.
Encontra-se hoje como meios de
armazenar energia em Ride-Through:
É notável que um baixo custo é
compensado por uma baixa duração de
ride-through. A utilização da inércia da
carga, redução da velocidade/carga,
motor de menor tensão não oferecem
custos, pois são modificações de
software que são realizadas. Pode-se ver
que as soluções que oferecem grandes
potências são principalmente os
supercondutores e volantes de inércia.
É interessante comentar que a
utilização da inércia da carga tem custo
zero, duração razoável de ride-through
(2 s) e elevada potência, se tornando um
bom
meio
de
mitigação
de
afundamentos.
-Volante de inercia
-Baterias
- Supercapacitores
-Supercondutores
-Supercondutores Magnéticos
-Células Combustível
Para todas as soluções acima
utiliza-se um retificador ligado à rede e
um inversor ligado à carga. Entre o
retificador e o inversor é colocado o
meio armazenador de energia.
Cada uma das soluções é
utilizada para uma aplicação diferente e
possui suas particularidades, como
deixa claro a tabela a seguir:
6.5. Conclusões
Através do RTS pode-se
aumentar a eficiência e confiabilidade
dos ASDs, como também de um
processo inteiro, afinal o sistema fica
imune a distúrbios de tensão de curta
duração,
como
principalmente
afundamentos e interrupções.
Existem diversas alternativas de
Ride-Through cada uma com um custo
7
e uma aplicação diferente. Deve-se
fazer estudos para se avaliar a melhor
solução com Ride-through em cada
caso. Na maioria das vezes, um custo
elevado proporciona ao usuário maior
potência e duração de ride-through,
como no caso das células combustíveis,
em que seu preço é maior que os
demais, porém a potência disponível e o
tempo de ride through é igual ou
superior aos demais.
Existem
metodologias
que
podem melhorar e modificar o sistema
sem que haja custo monetário, como por
exemplo utilizar a inércia da carga,
redução da velocidade da carga, e
utilizar um motor de menor tensão.
Nestas configurações, só é mudado a
maneira de funcionamento do software.
Os sistemas RTS reduzem
perdas e podem economizar valores
significativos ao longo de um ano,
tornado-o atrativo e cada vez mais
utilizável em todo o mundo.
7. Referências Bibliográficas
[1] J. L. R. e Silva e L. C. de Moura,
“Alternativas
Tecnológicas
para
Mitigação
de
Afundamento
e
Interrupção Momentâneas de Tensão
em Cargas Sensíveis do Sistema
Elétrico de Potência”, Centralmat.
[2] A. von Jouanne , B. Banerjee e P.
Enjeti, “Assessment of Ride-Through
Alternatives
for
Adjustable-Speed
Drives”, IEEE Transactions on Industry
Applications, Vol. 35, No 4,
Julho/Agosto 1999” .
[2] S. S. Deswal, Ratna Dahiya, D. K.
Jain, “Ride-Through Topology for
Adjustable Speed Drives (ASDs) During
Power System Faults” , Journal of
Computer Science, Informatics &
Electrical Engineering, Vol. 2, Issue 1,
2008.
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