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. 8