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REVISÃO BIBLIOGRÁFICA SOBRE INVERSORES DE FREQUÊNCIA
Luana Souza da Conceição – 201751183742 Luis Felipe dos Santos de Santa Rita – 201751220664 Valmir Nepomuceno dos Santos Junior – 201651186571 Vitor Santana da Silva – 201651240353 RESUMO Esta revisão bibliográfica fornece uma visão geral da qualidade de energia, acionamentos de motores de indução trifásicos (MITs) e interferência de conversores de frequência no sistema eléctrico, com ênfase no problema das distorções de correntes harmônicas. O objetivo desta revisão de bibliografia é apresentar o comportamento de um barramento elétrico submetido à injeção de correntes harmônicas resultantes do acionamento de um motor de indução trifásico (MIT), através de um conversor de frequência e, compará-lo com o comportamento do mesmo MIT controlado por um circuito levando em consideração os níveis de curto- circuito presentes no barramento. Para este estudo bibliográfico é apresentado um discussões entre autores no qual cada autor analisa suas opiniões e suas formas de analisar as ondas para avaliar o nível de distorção harmônica total (DHT). Para referenciar os valores de teste, é usada a recomendação IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers ), IEEE-519 para práticas e pré-requisitos para controlar harmônicos no sistema de energia elétrica. Nos resultados deste trabalho, verifica-se que o variador de frequência se apresenta como uma carga não linear que gera distorções harmônicas de corrente com valores significativos em relação ao circuito de partida direta e a recomendação referenciada. PALAVRAS-CHAVES : Motor de Indução Trifásico, Qualidade de Energia, Inversores de Frequência, Distorções Harmônicas.
ABSTRACTS
This bibliographic review provides an overview of power quality, three-phase induction motor drives (MITs) and frequency converter interference in the electrical system, with emphasis on the problem of harmonic current distortions. The one of this spelling revision is behavior of an electrical bus the operation of bibliography with the objective of damage currents resulting from induction of a frequency converter and a conversion motor of a frequency converter and a motor of behavior of the same MIT controller by a circuit taking into account the short-circuit levels presented on the bus. For this bibliographic study, a study between authors is presented in which their analysis analyzes and their analysis analyzes as a way of evaluating the level of analysis of the total harmonic. For testing requirements, it is electrical power system installed and referenced IEEE (Institute of Electronic Engineers), IEEE-51 for electrical system damage pre-practices and control. The results of this frequency checker is presented as a non-linear load that generates harmonic working distortions with results in relation to the direct working relationship and the reference to the starting circuit. KEYWORDS : Three-Phase Induction Motor, Power Quality, Frequency Inverters, Harmonic Distortions. 1 INTRODUÇÃO Devido ao aumento da demanda por bens de consumo, com alto nível de competitividade no mercado industrial, a empresa precisa melhorar seus processos de produção. As novas tecnologias eletrônicas atualmente disponíveis no mercado permitem que as empresas invistam em recursos nas métricas certas, e essas métricas, confie na forma como seu trabalho é apresentado. Conforme mencionado por Martinho (2009), a automação de processos tem o equipamento eletrônico como seu grande facilitador, permite maior precisão de controle e maior confiabilidade de relatórios. Entre estes equipamentos podemos destacar os Controladores Lógicos Programáveis (CLPs), e controle do acionamento do motor através de um soft starter (arranque suavização), conversores de frequência e inversores.
equipamentos na rede elétrica. Para a detecção da presença, quantificação e qualificação dos ruídos, foi realizado um estudo experimental onde houve a montagem de um ensaio com um motor indutivo trifásico (MIT) sem nenhuma carga acoplada em seu eixo, sendo o mesmo acionado por um inversor de frequência e posteriormente por um circuito de partida direta. Os dados dos ensaios foram obtidos através do analisador de energia RE6000 e compilados no software ANL6000, ambos da Embrasul. 3 REVISÃO DE LITERATURA A energia elétrica, até chegar ao consumidor, passa por três principais fases: a geração, a transmissão e a distribuição. É nesta última etapa (distribuição) onde estão interligadas as cargas consumidoras, as quais são responsáveis pela inserção de grande parte dos distúrbios na rede elétrica bem como são também os mais afetados por estes fenômenos. Lopez (2001) menciona que a indústria, devido ao seu alto nível de potência instalada e seu elevado número de cargas não lineares, é uma grande geradora de ruídos na rede, em especial distorções harmônicas. 3.1 ENERGIA ELÉTRICA Na obra “Distúrbios da Energia Elétrica”, escrita por Edson Martinho (2009), a energia elétrica é definida como uma forma de energia, que ocorre através da geração de diferença de potencial entre dois pontos elétricos, que permitem estabelecer uma corrente elétrica entre ambos. 3.2 GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA No livro “Qualidade na Energia Elétrica”, Ricardo Aldabó Lopes (2001) menciona que as fontes de energia para geração podem ser provenientes de combustíveis fósseis (carvão, gás e óleo), nuclear (através da reação de urânio) ou de fontes limpas, como por exemplo: hidrelétrica, solar, eólica entre outras. A energia oriunda destas fontes é transformada nas usinas, através de geradores, em energia elétrica.
3.3 TRANMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Ainda segundo Lopez (2001), transmissão é o transporte de grande quantidade de energia em longas distâncias. O termo transmissão é usado para linhas de alta tensão que viajam entre a fonte geradora e a distribuidora. É caracterizado por linhas de transmissão em torres e condutores de grande capacidade, desde o ponto de geração até os centros de consumo de energia elétrica. 3.4 DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Edson Martinho (2009), na sua obra “Qualidade na Energia Elétrica” explica que na distribuição a tensão é rebaixada aos níveis de entrega para consumidor individualizado (residencial, industrial e comercial). Ela tem um papel fundamental na gestão de energia, pois ela interliga o consumidor, ou seja, aquele que precisa de energia. A distribuição de energia tem a obrigação de controlar certos parâmetros de qualidade de forma a garantir que os usuários tenham a sua disposição a energia necessária para utilização. 3.5 QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA Moraes (2002) afirma que o conceito de qualidade está mais ligado à solução do problema de quem compra do que a excelência técnica do produto. Segundo Oliver (1997), a satisfação ocorre quando o produto ou serviço recebido se iguala ou supera as expectativas do consumidor. Lopez (2001) menciona que quando se trata de energia elétrica não existe uma definição padrão para o termo qualidade. A disponibilidade, a instalação elétrica, a suscetibilidade dos equipamentos, o aterramento e as interferências são determinantes da qualidade. O conceito de qualidade na energia elétrica significa a busca por desenvolvimento de meios para erradicar ou minimizar problemas em dispositivos alimentados por fontes de energia. Está relacionado ao conjunto de alterações que pode ocorrer no sistema elétrico. (LOPES, 2001, p.13). Sendo assim, Lopes (2001) coloca que o problema na qualidade de energia poderia ser definido como qualquer problema de energia manifestado na tensão,
3.6 MOTOR INDUTIVO TRIFÁSICO
Mamede (2010) define motor elétrico como uma máquina que transforma energia elétrica em energia mecânica de utilização. Os motores elétricos são divididos em dois grandes grupos, tomando-se o valor da tensão como base: corrente contínua e alternada. Mamede (2010) ainda diz que motores trifásicos, são aqueles alimentados por um sistema a três fios, em que as tensões estão defasadas de 120° elétricos. Os motores de indução trifásicos (MIT) representam a grande maioria dos motores empregados em instalações industriais. Podem ser do tipo indução ou síncrono. Os motores de Indução são constituídos de duas partes básicas:
- Estator, formado por três principais elementos:
- Carcaça
- Núcleo de chapas
- Enrolamentos
- Rotor, também constituído de três principais partes:
- Eixo
- Núcleo de chapas
- Barra de anéis de curto-circuito As correntes retóricas são geradas eletromagneticamente pelo estator, único elemento ligado à linha de alimentação (MAMEDE, 201 1 , p.203). Na figura 2 são detalhados todos os componentes de um motor de indução trifásico.
Figura 2 – Componentes de um motor de indução trifásico Fonte: Santos (2016). 3.7 PARTIDA DIRETA Conforme Mamede (201 1 ), a partida direta é o método de partida mais simples em que não são empregados dispositivos especiais de acionamento de motores. Apenas são utilizados contatores, disjuntores ou chaves interruptoras. Neste tipo de acionamento o motor é simplesmente interligado a rede elétrica sem nenhum tipo de controle de velocidade ou torque, existe apenas a proteção de sobrecorrente através do disjuntor ou relé térmico. 3.8 INVERSOR DE FREQUÊNCIA De acordo com Rodrigues (2007), o inversor de frequência tem como função controlar a velocidade e torque do motor, conforme comando eletrônico. A velocidade de rotação de um motor CA (Corrente Alternada) depende da frequência da rede de alimentação, ou seja, quanto maior a frequência, maior a rotação. Para isso ele dispõe de um circuito que trabalha da seguinte forma: a primeira parte do circuito é formada por uma ponte retificadora, formando uma fonte de corrente contínua; a segunda se constitui de um conjunto de semicondutores que através de uma lógica de controle alternam o sentido da corrente que circula no motor.
características de projeto, velocidade de operação, conexão entre dispositivos, configuração da rede e densidade do dispositivo na instalação. Na construção do inversor, a síntese da tensão a corrente alternada é o mais próximo possível de uma onda senoidal. Inversor, no entanto, as formas de onda que eles fornecem são distorcidas. Essas reviravoltas indicam componentes harmônicos que podem implicar em perdas. (GONELLA, 2007, p.10). 3.9.1 Distorção Harmônicas Segundo por Moreno (2001), as distorções harmônicas são consideradas quão intensamente a sua autorização que obedece ao fator multiplicador da frequência básica. Essa frequência é resultante do produto em meio a resolução e a frequência fundamental, porque é verificado no gráfico oferecido na Figura 4, no qual contém a frequência fundamental, da segunda a quinta harmônica. Figura 4 – Influência da 5ª Harmônica Fonte: Mattede (2022). Moreno (2001) cita que as distorções harmônicas acontecem de tal maneira na onda de corrente quanto na onda de tensão, constituindo sua elevação denominadas
como distorção harmônica absoluta de curso (DHTi) ou distorção harmônica total de tensão (DHTv). Uma distorção de configuração de onda é dita harmônica quando a deformação se comparece de maneira idêntica em cada período da frequência básica. Com isso, sua aparição contém apenas frequências múltiplas inteiras da fundamental. Este caractere de deformação periódica geralmente é imposto pela relação não linear tensão/corrente característica de verificados elementos do circuito, como por modelo, transformadores e máquinas, cujos núcleos ferromagnéticos são contidos à saturação. Outra causa de não linearidades são as descontinuidades carecido ao chaveamento das correntes em conversores eletrônicos, pontes retificadoras e compensadores estáticos (POMILIO, 2010, p.1). Oliveira (2013) afirma ainda que têm estas distorções harmônicas na saída dos inversores de frequência que desfiguram a configuração de onda básica pensando na corrente que cerca nos rolos do motor de indução, provocando dificuldades/problemas no motor porque:
- Contrafazem a isolação de máquinas, transformadores e fio elétrico.
- Provocam máximo calefação dos elementos.
- Afetam a intervenção de aparelhamentos eletrônicos. Os conversores são fontes de harmônicos, mas também podem ter o funcionamento pretensioso carecido a outras fontes de harmônicos. 3.10 NORMAS Entre as cláusulas que regulamentam a característica de energia, pode-se destacar como as principais no âmbito global:
- IEC 61000- 3 - 2: perímetros para emissão de harmônicas de corrente (<16 A por fase).
- IEC 61000- 3 - 4: perímetros para emissão de harmônicas de corrente (>16 A por fase).
- IEEE-519: Para práticas e condições para influência de harmônicas no sistema elétrico de potência.
Limites de Distorção da Corrente para Sistemas de Distribuição (120V a 69kV) Máxima corrente harmônica em % da corrente de carga (Io – estimação do elemento básico). Figura 5 – Harmônicas Ímpares Fonte: Beuter (2018). 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS Com base na revisão bibliográfica foram levantados os conceitos acerca dos distúrbios gerados pelos inversores de frequência nas redes elétricas. A inserção de cargas não lineares como os inversores de frequência nas redes elétricas traz causas de propriedade de energia. Estes problemas se apresentam na forma de distorções harmônicas, as quais quando presente no sistema elétrico podem causar falhas de manutenção, aumento de consumo de energia, redução da eficiência de máquinas entre outras consequências.
Através de dessa revisão bibliográfica, foi possível compreender as distorções harmônicas geradas por um motor acionado por partida direta e esse mesmo motor, em outro momento, acionado por um inversor de frequência. No acionamento por partida direta, que se caracteriza como uma carga linear existe presença de harmônicas residuais, porém em menores escalas. REFERÊNCIA AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Centro de documentação. Disponível em: http://www.aneel.gov.br. Acesso em: 21 de mai. 2022. BEUTER, Carlos. DISTORÇÃO HARMÔICA - LAMQUEE. 2018. Disponível em: Xhttps://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/4449923/mod_resource/content/1/Aula_ _a.pdf. Acesso em: 21 maio 2021. DREHER, J. R. Comandos Industriais II: chaves de partida suave Soft-Starter e Inversor de frequência. Apostila. Mod. IV. Chapeco, SC. Instituto Federal de Educação, ciência e tecnologia de Santa Catarina, Campus Chapeco, 2009. Durán-Gómez, J.L. Enjeti, P.N., Woo, B.O. (1998). Effect of Voltage Sags on Adjustable Speed Drives - A Critical Evaluation and an Approach to Improve its Performance. Proceedings of the IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. GONELLA, Giovanni. Um estudo comparativo dos harmônicos de torque gerados pelos inversores de tensão de frequência variável. 2007. 54p. Dissertação (Mestrado em Automação e Controle) – Curso de pós-graduação de Engenharia Mecânica – Universidade Federal Fluminense. Niterói, RJ. IEEE (1991) Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power System. Project IEEE-519, out. 1991. LOPEZ, Ricardo Aldabó. Qualidade na Energia Elétrica: Efeitos dos distúrbios, diagnósticos e soluções. 2001. São Paulo, SP.
