os efeitos dos afundamentos de tensão em motores de

QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA: OS EFEITOS DOS AFUNDAMENTOS DE TENSÃO EM
MOTORES DE INDUÇÃO
Leonardo Artur Moreira Alves
[email protected]
Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Taubaté (UNITAU)
Rua Daniel Danelli, s/n – 12060-440 – Taubaté-SP – Brasil
Prof. Dr. Luiz Octávio Mattos dos Reis
[email protected]
Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Taubaté (UNITAU)
Rua Daniel Danelli, s/n – 12060-440 – Taubaté-SP – Brasil
Resumo. Diante do dinamismo do modelo socioeconômico atual, marcado nitidamente pelo
avanço tecnológico, pelo aumento da competitividade e, também, pelo desenvolvimento das
sensibilidades dos consumidores e dos equipamentos, tornam-se essenciais as práticas focadas
na otimização dos processos industriais, comerciais e residenciais. É neste cenário que a gestão
da qualidade da energia elétrica é abordada como ferramenta estratégica dentro das
organizações. Erroneamente, durante um longo período, a referida gestão esteve relacionada
somente a continuidade do fornecimento de energia elétrica, deixando de envolver fatores muito
mais criteriosos dentro do conceito da confiabilidade do sistema elétrico e os serviços
relacionados. Com isso, a análise dos efeitos da falta da qualidade da energia elétrica ainda não é
uma prática bem difundida pelos consumidores. No setor industrial, por exemplo, o motor de
indução trifásico é amplamente utilizado, mas seu funcionamento em condições adversas ainda
não foi devidamente estudado.
Palavras–chave: Qualidade da energia elétrica, confiabilidade, motor de indução, afundamento
de tensão.
Abstract. Considering the dynamism of the current socioeconomic model, clearly defined by
technological advancement, increased competitiveness, and also by the development of the
consumers and equipment sensitivities, practices focused on optimizing industrial, commercial and
residential processes become more essentials. The management of power quality is addressed in
this scenario as a strategic tool within organizations. Mistakenly, over a long period, this
management was related only to continuity of electricity supply, and it did not consider the whole
concept of the electrical system reliability and related services. Thus, the analysis of lack of power
quality effects is not yet a widespread practice by consumers. In the industrial sector, for example,
the three-phase induction motor is widely used, but their operation in adverse conditions has not
been well studied.
Keywords: Power quality, reliability, induction motor, voltage sag.
The 4th International Congress on University-Industry Cooperation – Taubate, SP – Brazil – December 5th through 7th, 2012
ISBN 978-85-62326-96-7
1.
INTRODUÇÃO
O avanço da tecnologia permitiu o desenvolvimento de equipamentos mais sofisticados, mas
ao mesmo tempo mais vulneráveis às variações do sistema elétrico, seja em regimes transitórios
ou permanentes. Estes equipamentos possuem características não lineares intrínsecas, que
geram distorções, perturbações, desligamentos, entre outros, na rede de energia elétrica. Da
mesma maneira que atuam como geradores destes distúrbios sofrem com os efeitos da
instabilidade nas instalações elétricas, geralmente caracterizada por: reduções na magnitude,
distorções e transitórios (oscilações) na forma de onda da tensão e/ou corrente. Já para os
consumidores, houve um aumento de sensibilidade na percepção da qualidade da energia
elétrica, ou na falta dela. Este amadurecimento não pode ser creditado somente às empresas
concessionárias de energia, mas também a um maior envolvimento e interesse dos consumidores,
aos agentes regulamentadores e fiscalizadores e às empresas fabricantes de equipamentos.
Visando atender este novo padrão de qualidade em fornecimento de energia elétrica, que é
impulsionado pelo aumento da expectativa dos consumidores e da sensibilidade dos
equipamentos, altíssimos níveis de confiabilidade devem ser fatores inerentes aos projetos. Além
disso, é fundamental o monitoramento das instalações elétricas através de atividades de
manutenções preventivas consistentes.
Dentre os diversos equipamentos conectados ao sistema elétrico, os motores de indução
merecem destaque por representar uma grande percentual da carga instalada total. Com isso,
este artigo tem como objetivo estudar os efeitos da falta da qualidade da energia elétrica nos
motores de indução.
2.
A QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA (QEE)
Durante certo tempo, os consumidores, principalmente industriais, relacionavam algumas de
suas perdas de produtividade única e exclusivamente às interrupções do fornecimento de energia
elétrica. Atualmente, estes consumidores são capazes de diagnosticar e mensurar as inúmeros
tipos de perturbações ocorridas no sistema elétrico.
Os distúrbios que afetam a rede elétrica podem ser originados por qualquer elemento do
circuito, incluindo unidades geradoras, linhas de transmissão e distribuição, instalações elétricas
em geral e equipamentos específicos. Considerando que todas as partes são responsáveis e
interessadas pela causa, concessionárias, consumidores, fabricantes de equipamentos, devem
atuem em conjunto na solução dos problemas. Somados a estes, tem-se ainda as instituições de
ensino e pesquisa e os agentes regulamentadores e fiscalizadores, tais como: Operador Nacional
do Sistema (ONS) e a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Estes dois últimos visam
definir e monitorar os padrões para o correto funcionamento do sistema elétrico.
São inúmeros os tipos de interferências que podem afetar a QEE. Erroneamente, atribui-se
grande parte das interrupções, ou até mesmo o mau funcionamento de equipamentos a surtos de
sobretensão, entretanto as faltas envolvendo afundamentos de tensão também são muito comuns.
2.1 Afundamentos de tensão
Os afundamentos de tensão podem causar danos irreparáveis aos consumidores. Os
equipamentos se tornaram muito mais intolerantes às oscilações da energia elétrica com o avanço
da tecnologia aplicada. O referido aumento da sensibilidade aos distúrbios provenientes das
instalações elétricas, não resulta somente em interrupções no funcionamento de equipamentos ou
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processos produtivos, isto é, a disponibilidade pode não ser afetada, mas o ciclo de trabalho não
será realizado conforme especificado. Isto significa que as condições básicas de funcionamento
não serão atendidas, ou seja, os afundamentos de tensão podem ocasionar perdas de sequência
nos processos produtivos, e no caso de motores de indução, podem causar redução nos valores
de torque e velocidade.
A Tabela 1 a seguir apresenta a classificação das possíveis variações de tensão as quais um
sistema elétrico pode estar sujeito. Dentre estes, os Afundamentos Momentâneos de Tensão
(AMT), ou voltage sag, ou ainda voltage dip, são os que mais afetam a confiabilidade dos
processos.
Tabela 1. Classificação das variações de tensão de curta duração – Fonte: Prodist (2012)
De acordo com Procedimento de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico
Nacional, o Prodist (2012), os afundamentos momentâneos de tensão são variações de curta
duração (igual ou superior a 1 ciclo e igual ou inferior a 3 segundos), que afetam o valor eficaz da
magnitude do sinal entre 0,1 e 0,9 pu.
Maia (2010) destaca que os afundamentos de tensão são caracterizados por sua amplitude,
tempo de duração, ângulo de defasagem, momento de início do surto, desequilíbrio entre fases e
capacidade de recuperação da tensão. A frequência com que ocorrem estes surtos também
merece ser evidenciada.
Um típico exemplo de afundamento de tensão é apresentado na Figura 1 com o objetivo de
ilustrar os conceitos apresentados.
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Figura 1. Exemplo de afundamento de tensão. Fonte: Luna (2005)
2.1.1 Principais causas dos afundamentos de tensão
Segundo Ross (2006), as principais causas dos afundamentos de tensão são:
 Manobras de chaves seccionadoras e dispositivos de proteção: ao conectar ou
desconectar um circuito integrante de um sistema elétrico, por exemplo, uma subestação,
os outros circuitos sofrerão os efeitos desta manobra. Estes efeitos apresentam, na
maioria das vezes, características de afundamentos de tensão;
 Condições climáticas: tempestades, descargas atmosféricas, ventos e neve também são
grandes causadores destes eventos;
 Poluição: em regiões litorâneas, a névoa salina pode se acumular nos isoladores das
linhas de transmissão, este acúmulo pode causar o rompimento do dielétrico do ar. Em
regiões áridas, a poeira pode causar o mesmo efeito;
 Animais: alguns animais adotam os painéis elétricos como abrigo e refúgio, já outros, como
pássaros de grande porte, podem se chocar contra as linhas de transmissão;
 Acidentes: os circuitos elétricos, principalmente de transmissão e distribuição, são alvos
constantes de acidentes de trânsito e de construção civil;
 Chaveamento de cargas: partidas de grandes motores também são causadores comuns de
afundamentos de tensão.
É importante mencionar que os curtocircuitos são os grandes geradores do fenômeno em
questão. O aumento excessivo da corrente gera grandes perdas de tensão nas impedâncias do
sistema. Se esta instabilidade for suficiente para sensibilizar os dispositivos de proteção, os
mesmos causarão a interrupção do fornecimento de energia. Caso contrário, conforme já
mencionado anteriormente, os equipamentos apresentarão funcionamento inadequado.
2.1.2 Tipos de afundamentos de tensão
Segundo Alipoor et al (2012), existem inúmeras propostas para classificação dos
afundamentos de tensão. O mesmo autor defende a proposta apresentada por Bollen (2000), que
depende do tipo de surto (monofásico, bifásico ou trifásico), do tipo de conexão da carga (estrela
ou triângulo), da magnitude e do ângulo de defasagem entre as fases.
Kanasiro et al (2010), também adota a classificação proposta por Bollen (2000), dividindo-a
em três grupos principais:
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 Monofásicos: Tipos B, D e F: caracterizam-se por curtocicuitos entre fase e terra (FT), e
representam 70% das faltas que afetam os sistemas elétricos. O valor da tensão durante
este tipo de afundamento pode chegar a 30% do valor nominal;
 Bifásicos: Tipos C, E e G: são causados pelo contato direto ou redução na isolação entre
duas fases (FF);
 Trifásico: Tipo A: geralmente provocado pela comutação de grandes cargas ou durante
manobras de chaves seccionadoras. O evento atinge as três fases do circuito elétrico e
não costuma causar reduções inferiores a 80% do valor nominal da tensão.
A Figura 2 a seguir sintetiza os afundamentos de tensão conforme o diagrama de fases de
cada tipo:
Figura 2. Tipos de afundamentos de tensão – Fonte: adapta de Alipoor et al (2012)
Alipoor et al (2012) ainda apresenta as equações das tensões, que abaixo estão numeradas
de (1) a (21). Segundo o autor, em afundamentos simétricos, a magnitude é a própria voltagem
remanescente, expressa por “s”. Quando assimétricos, “s” causará uma diferença na magnitude
ou no ângulo de fase.
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3.
EFEITOS DOS AFUNDAMENTOS DE TENSÃO EM MOTORES DE INDUÇÃO
Assim como qualquer outro equipamento, os motores de indução podem reagir de diversas
maneiras aos surtos aos quais estão expostos. Os efeitos sob estas condições podem refletir em
variações de torque, corrente e também de velocidade. As duas primeiras estão relacionadas à
duração do surto, e última, dependerá do tipo de evento, afirma Córcoles et al (2007).
Leborgne (2003) sugere que o comportamento dos motores depende de uma série de fatores:
 Características do afundamento: a intensidade, a duração e o tempo de recuperação de
um afundamento são influenciados pela localização e tipo da falta no sistema elétrico,
tempo de atuação da proteção de sobrecorrente e pela configuração do sistema;
 Perda de velocidade do motor: conforme a tensão de alimentação de um motor diminui,
ocorre um aumento no escorregamento e também no valor da corrente absorvida pelo
equipamento. A perda de velocidade será potencializada com cargas de baixa inércia.
Contudo, cargas de maior inércia têm maior tempo de resposta às variações de velocidade
do motor;
 Reaceleração do motor: em casos extremos de perda de velocidade, as condições para
reestabelecimento da tensão são inatingíveis e os dispositivos de proteção podem atuar
interrompendo o funcionamento do equipamento. Caso não atuem, o retorno ao regime de
operação normal dependerá dos valores mínimos de velocidade e tensão atingidos durante
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o afundamento. Da mesma maneira, a corrente elétrica de reaceleração está diretamente
relacionada à corrente de partida do motor e a velocidade no momento do surto;
 Comportamento do transitório: os motores agem como geradores durante os curtocircuitos,
contribuindo com a corrente de falta. Esta condição provoca um torque negativo no motor,
reproduzindo índices de desgaste equivalentes aos de uma partida direta;
4.
RESULTADOS
Conforme mencionado anteriormente, são inúmeros os efeitos dos afundamentos de tensão
nos motores de indução. Para melhor exemplifica-los, a Figura 3 representa um motor de indução
submetido a duas condições distintas. Na primeira, o mesmo opera sem ser influenciado por
qualquer tipo de distúrbio. O valor da magnitude da tensão é de 460 V e os ângulos de fase são
0°, -120° e 120°, respectivamente, para as fases A, B e C. Já na segunda, é afetado por uma
situação típica de afundamento de tensão do tipo C, em que a magnitude sofre uma diminuição de
5% e os ângulos de fase são 0°, -130° e 130°. A representação deste sistema e a aquisição de
dados foram possíveis a partir da utilização do MATLAB.
O motor de indução trifásico utilizado no estudo é do tipo gaiola de esquilo e apresenta as
seguintes características: 5 HP, 460 V, 60 Hz e 1750 rpm. No momento da partida, a carga está
desconectada e somente passa ser parte constituinte do sistema a partir do instante t = 5
segundos.
s
Iqr
rm s
s ignal
To Workspace
RMS 4
rm s
s ignal
Scope 2
Idr
To Workspace 1
rm s
s ignal
RMS 5
RMS 6
Out 1
MIT
Scope 5
rm s
s ignal
RMS 7
rm s
s ignal
RMS
rm s
s ignal
w
RMS 1
To Workspace 2
Scope 1
Tem
To Workspace 3
Out 1
MIT com DESBALANÇO
rm s
s ignal
Scope 4
RMS 2
rm s
s ignal
RMS 3
Figura 3. Simulação do sistema no MATLAB – Fonte: os autores
Dentre os parâmetros mais fortemente influenciados pelos surtos aqui estudados, a corrente
elétrica rotórica, o torque eletromagnético e a velocidade, certamente, são os mais afetados pela
instabilidade do sistema elétrico. A Figura 4 expõe um comparativo das correntes de eixo direto
(Idr) e de eixo em quadratura (Iqr) nas duas condições consideradas.
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Figura 4. Comportamento da corrente rotórica – Fonte: os autores
Ao analisar os gráficos torna-se nítido o aumento no valor das correntes (Idr e Iqr) na tentativa
de compensar a queda momentânea de tensão. A referida compensação se dá com o objetivo de
se manter o torque e a velocidade constantes. Isto provoca uma oscilação do torque
eletromagnético, que tem seu valor acrescido de algumas dezenas, conforme ilustra a Figura 5.
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Figura 5. Comportamento do torque eletromagnético – Fonte: os autores
Por sua vez, a velocidade também reage ao aumento da corrente elétrica e o resultado é
sintetizado na Figura 6.
Figura 6. Comportamento da velocidade – Fonte: os autores
Contudo, é de suma importância destacar que o tipo de carga aplicada definirá o tempo de
resposta do equipamento. No estudo realizado, a carga apresenta elevados valores de inércia, por
isso, as oscilações de velocidade não se apresentam bem definidas.
5. CONCLUSÃO
A busca constante pela melhoria dos processos por parte das organizações, estimulada pela
forte concorrência e pela satisfação dos consumidores, coloca a qualidade da energia no alvo dos
gestores. Na verdade, considerando todo o circuito, desde a geração até o consumidor final, cada
parte teve e tem papel fundamental no desenvolvimento deste novo cenário que rege o sistema
elétrico.
Durante muito tempo as interrupções no fornecimento de energia foram motivo de
preocupação, principalmente pelas indústrias, pois a indisponibilidade de determinados processos
produtivos pode causar danos incalculáveis a saúde das empresas. Esta preocupação cedeu
espaço a um novo conceito, mais amadurecido e adaptado a realidade. Neste momento a
confiabilidade do sistema elétrico passou a ser monitorada pelas partes interessadas. Diversos
parâmetros, índices de qualidade e procedimentos foram criados com a finalidade de robustecer e
manter a qualidade da energia elétrica. Afinal, os equipamentos precisam operar nas condições
para as quais foram projetados, e qualquer situação que difere desta, pode afetar os custos de um
processo produtivo.
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Os motores de indução representam um grande percentual da carga instalada total, por isso
tornaram-se foco deste estudo. Os efeitos da má qualidade da energia elétrica nestes
equipamentos são inúmeros, assim também como os causadores destes surtos. Basicamente,
quando expostos às condições de afundamentos de tensão, os motores apresentarão alteração
nos valores nominais de torque, corrente elétrica e velocidade.
REFERÊNCIAS
Alipoor, J., Doroudi, A. & Ghaseminezhad, M., 2012. Detection of the critical duration of different
types of voltage sags for synchronous machine torque oscillation. 8 p.
Bollen, M. H. J., 2000. Understanding Power Quality Problems; voltage sags and interruptions.
IEEE Press. New York.
Córcoles, F., Pedra, J. & Sainz, L., 2007. Effects of unsymmetrical voltage sag on squirrel-cage
induction motors. 7 p.
Kanasiro, P. S. & Araújo, M. R. C., 2010. Afundamentos de tensão: causas, consequências e
soluções.
Leborgne, R. C., 2003. Uma contribuição à caracterização da sensibilidade de processos
industriais frente a afundamentos de tensão. Universidade Federal de Itajubá. 163 p.
Luna, E. K., 2005. Uma Contribuição ao estudo de VTCD’s aplicado a equipamentos eletrônicos
alimentados por conversor CA-CC. Universidade estadual de Campinas.
Maia, R. M., 2010. Os impactos dos afundamentos de tensão em sistemas elétricos industriais,
www.moinhosveracruz.com.br, acesso em 19 de Novembro de 2012.
Prodist (Procedimentos de distribuição de energia elétrica no sistema elétrico nacional), 2012.
(ANEEL). Módulo 8 – Qualidade da energia elétrica. 72 p.
Ross, I. K. P., 2006. Voltage sags: an explanation, causes, effects and correction. 8 p.
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