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11 a 14 de dezembro de 2012 – Campus de Palmas
ANÁLISE DA QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA EM
CONVERSORES DE FREQUENCIA
Nome dos autores:
Halison Helder Falcão Lopes1; Sergio Manuel Rivera Sanhueza2;
1
Aluno do Curso de Engenharia Elétrica; Campus de Palmas; e-mail: [email protected]
“PIBIC/CNPq”
2
Orientador(a) do Curso de Engenharia Elétrica; Campus de Palmas; e-mail: [email protected]
RESUMO
As máquinas elétricas têm sido a força motriz das atividades industriais por mais de um
século, sendo atualmente responsáveis por aproximadamente 80% da energia elétrica total
consumida. Novas tecnologias se apresentam como soluções para o controle de processos, as mesmas
aparecem também como problemas, pois ajudam a degradar a qualidade da energia, sendo muitas
vezes alvo da própria degradação. Diante disso, este trabalho tem por objetivos apresentar uma
análise da qualidade da energia elétrica através de procedimentos e simulações computacionais,
levantando os modelos matemáticos no domínio do tempo do motor de indução trifásico e do
conversor de frequência para a realização de simulações computacionais. Será analisado o problema
de variação de tensão de curta duração devido à partida de motores e a realização de simulação de
funcionamento corresponde à operação do motor quando o mesmo é alimentado pelo inversor PWM,
analisando o seu comportamento em regime transitório e sem carga acoplada ao eixo, a fim de
verificar os afundamentos de tensão provenientes da alta corrente solicitada pelo motor durante a
partida.
Palavras-chave: Qualidade da energia elétrica, afundamentos de tensão, máquinas elétricas
INTRODUÇÃO
O motor de indução é uma máquina destinada a transformar energia elétrica em mecânica. É o
mais usado de todos os tipos de motores, pois combina às vantagens da energia elétrica o seu baixo
custo, facilidade de transporte, limpeza, simplicidade de comando, construção simples, grande
versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos.
Devido às suas vantagens em relação aos motores CC, muito se tem utilizado o motor de
indução também em aplicações que demandam controle de velocidade. Isto vem acontecendo graças
ao avanço das técnicas e dos dispositivos eletrônicos para acionamentos destas máquinas,
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possibilitando enormes progressos, tanto na automação dos processos quanto na conservação da
energia elétrica.
Embora as novas tecnologias se apresentem como soluções para o controle de processos, as
mesmas aparecem também como problemas, pois ajudam a degradar a qualidade da energia,
distorcendo a forma de onda da tensão e corrente do sistema, devido ao alto índice de harmônicos
inseridos, sendo muitas vezes alvos da própria degradação. Diante desta realidade, a qualidade da
energia elétrica tem adquirido grande relevância onde vários estudos, pesquisas e desenvolvimentos
têm sido realizados com o intuito de identificar, assegurar e aperfeiçoar os padrões necessários ao
bom funcionamento dos sistemas elétricos atuais, bem como atribuir às partes envolvidas neste
universo suas devidas parcelas de responsabilidade sobre a qualidade da energia elétrica.
MATERIAL E MÉTODOS
Materiais utilizados para a parte prática:
 Inversor PWM WEG (CFW 08);
 Analisador de energia (Minipa ET – 5060C);
 Variador de tensão trifásico (6kVA, 0 - 450V – JNG);
 Bancada didática para laboratório de máquinas (Minipa SD – 2100B);
 Alicate Amperímetro Minipa.
Para a realização das simulações foi utilizado o software Octave (Software Livre) onde foram
inseridas as características elétricas e mecânicas do motor. Foi utilizado um modelo para a obtenção
da tensão de saída do inversor PWM senoidal de 2 níveis, com frequência de chaveamento de 1,3
khz, analisando assim, o comportamento da partida do motor em regime transitório e sem carga
acoplada ao eixo.
Para o motor, adotou-se a modelagem matemática por fase, onde a equação diferencial foi
resolvida utilizando os métodos numéricos de Runge Kutta de 4ª ordem e Trapezoidal Implícito. Vale
ressaltar que apenas um dos métodos numéricos utilizados para a resolução da EDO já seria
aceitável, no entanto, adotaram-se os dois métodos com o propósito de comparar os resultados
obtidos na solução da equação diferencial, minimizando assim possíveis erros.
Para a parte prática, foi ligado o variador de tensão à tensão da rede com o propósito de
variar-se a tensão até o nível desejado. Em seguida, foi conectado o inversor PWM à saída do
variador de tensão. Com o inversor PWM ligado, foi conectado então o motor de indução trifásico e o
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analisador de energia juntamente com os demais equipamentos de medição para a coleta das
grandezas envolvidas no teste.
Figura 01: Configuração para a realização dos ensaios em laboratório.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Após serem realizadas as simulações computacionais com alimentação do motor pelo inversor
PWM e sem carga acoplada ao eixo, foram obtidos os seguintes resultados:
Figura02: Corrente na fase “a” do estator.
Figura 03: Torque em função do Tempo.
Figura 04: Velocidade desenvolvida pelo motor em função do tempo.
A figura 02 retrata a forma de onda da corrente de uma fase do estator. Pode-se observar que,
é solicitado pelo motor uma corrente elevada durante a partida e logo em seguida estabiliza-se
chegando a seu valor nominal.
A figura 03 traz a curva de torque produzido pelo motor em função do tempo. Pode ser
observado claramente o comportamento oscilatório do torque do motor na partida, o qual perdura por
mais algum período de tempo dando origem a um conjugado pulsante, como pode ser observado na
figura em questão.
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A figura 04 nos mostra a curva da velocidade desenvolvida pelo motor, em sua fase de
aceleração. Nota-se que, devido à baixa inércia das massas girantes do sistema simulado, que neste
caso inclui apenas a do rotor do motor de indução, o motor acelerou rapidamente.
As condições de operação utilizadas para as simulações computacionais foram também
implementadas nos ensaios de laboratório. A análise dos resultados experimentais confirmam a
qualidade do modelo desenvolvido. A forma de onda da corrente de entrada, seu espectro harmônico
e a forma de onda de tensão no elo CC deste ensaio, são mostradas a seguir.
Figura 05: Tensão e Corrente do MIT durante a partida.
Observa-se na figura 05 os níveis da tensão e corrente na fase L1, obtidas através da
instalação do analisador de energia no circuito que alimenta o motor. No instante em que é solicitada
a corrente para sua partida, é verificada uma queda de tensão acentuada que logo em seguida
estabiliza-se. O afundamento de tensão medido chegou a 0,9 pu durante 3 ciclos.
Figura 06: Corrente na entrada do inversor trifásico.
Figura 07: Espectro Harmônico do inversor.
Figura 08: Tensão no elo CC do Inversor.
A figura 06 ilustra a forma de onda das correntes que circulam pelas impedâncias da rede de
alimentação. As mesmas dependem dos valores das impedâncias presentes no circuito de
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entrada/saída do retificador provocando quedas de tensão e distorcendo a corrente de alimentação do
próprio inversor ou de outros equipamentos ligados à rede.
A configuração motor + inversor de frequência é visto pela fonte de alimentação como uma
carga não linear, cuja corrente possui harmônicas. Desta forma, considera-se que o retificador produz
harmônicas características no lado CA, ou seja, na rede. Assim, no caso da ponte retificadora, as
principais harmônicas geradas são a 5ª e a 7ª, como é verificado na figura 07.
A forma de onda apresentada na figura 08 é devido aos diodos, que possuem como
característica própria, retificar a onda de tensão em pulsos contínuos de amplitude constante.
CONCLUSÃO
Analisando os resultados das simulações, pode-se observar a validação da teoria verificada
nas literaturas. As modelagens desenvolvidas para o motor e inversor de frequência, representaram
com boa precisão as características do controle escalar desenvolvido pelo inversor, onde pode ser
verificado o comportamento das correntes, conjugados, velocidade e afundamentos de tensão durante
a partida do motor de indução. Além das harmônicas geradas pelo chaveamento dos semicondutores
de potência, no inversor.
LITERATURA CITADA
[1] ANDRADE, D. A. Dynamic Control of Inverter-Fed Cage Induction Motors. Tese de Doutorado,
University of Leeds, Abril de 1994.
[2] BOSE, B. K. Power Electronics and Variable Frequency Drives – Technology and Applications. IEEE
Press, 1997.
[3] TAJIMA, H., HORI, Y. Speed Sensorless Field-Orientation Control of the Induction Machine. IEEE
Transactions on Industry Applications, vol. 29, January/February 1993.
[4] STOPA, M. M., LUIZ, A. S. A., MOREIRA, A. F., CORTIZO, P. C., SILVA, S. R. Controlador
Universal de Orientação pelo Campo: Uma Implementação.Universidade Federal de Minas Gerais –
Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Engenharia Elétrica.
[5] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (ANEEL), “Procedimentos de distribuição de
Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST) Módulo 8.” Fevereiro – 2006.
AGRADECIMENTOS
"O presente trabalho foi realizado com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento
Científico e Tecnológico – CNPq – Brasil"