Sistemas de Retificação

Segundo Pinto (2005) e Moraes (2008), a estrutura do sistema de retificação utilizado em processos industriais de eletrólise é composta por: barramento de alta ou média tensão, disjuntor de alta ou média tensão, transformador-retificador, conversor estático CA/CC, sistema de controle, sistema de medição de corrente, sistema de refrigeração, dispositivos de proteção e equipamentos CC. A Figura 5.1 apresenta o diagrama esquemático do circuito de todo o sistema de retificação considerando a utilização de tiristores como dispositivo semicondutor.

A instalação de um sistema de retificação, via de regra, inicia-se na subestação de distribuição, onde um disjuntor de alta ou média tensão (elemento B da Figura 5.1) é conectado ao transformador (elemento C da Figura 5.1), com o intuito de proteger o circuito primário do transformador e manobrar/desenergizar o equipamento para eventuais manutenções (PINTO, 2005; MORAES, 2008).

Figura 5.1: Diagrama esquemático do circuito completo de um sistema de retificação a tiristor.

Fonte: Adaptação de Pinto (2005).

Para que as perdas ativas e reativas sejam minimizadas, o layout da instalação de grandes sistemas de retificação deve ser concebido com a menor distância possível entre o transformador e o retificador (elemento D na Figura 5.1). Com este intuito, as buchas de baixa tensão do primário são construídas do mesmo lado e interligadas na entrada do retificador através de um barramento flexível, que além de garantir uma boa acomodação geométrica no alinhamento dos dois equipamentos, também absorve a vibração do transformador, impedindo que seja transferida para o resto da instalação (PINTO, 2005). A Figura 5.2 mostra a foto da conexão do transformador com o retificador.

Figura 5.2: Conexão entre o transformador e o retificador.

Fonte: Piedade (2009)

De acordo com Pinto (2005) e Moraes (2008), as topologias clássicas costumam ser classificadas em apenas duas: dupla-ponte (ou DB, Double-bridge) e dupla estrela com reator de interfase (ou DSS, Double-star with interphase reactor), ilustradas respectivamente pela Figura 5.3 e Figura 5.4. Observa-se que para o mesmo número de dispositivos e para um retificador de mesma potência, a topologia DB bloqueia o dobro de tensão, pois possui o dobro de dispositivos em série, enquanto a DSS fornece o dobro de corrente contínua, pois possui o dobro de dispositivos em paralelo. Desta forma, a escolha natural da topologia do sistema de retificação é determinada pelos níveis de tensão e corrente contínua demandadas pelo processo.

Em virtude da necessidade do reator de interfase, que tem como objetivo a limitação de correntes harmônicas entre as pontes retificadoras em paralelo, resultantes da diferença instantânea entre elas, a potência aparente de um transformador em DSS é maior – de 20% a 25% - que em DB. Especificamente, a potência do secundário é maior que a do primário para absorver integralmente a corrente do sistema pelo reator de interfase, pois o centro estrela do transformador atua como pólo negativo do retificador. Desta forma, o custo do transformador em DSS é mais elevado.

Figura 5.3: Diagrama trifilar de um retificador em configuração DB.

Fonte: Pinto (2005).

Figura 5.4: Diagrama trifilar de um retificador em configuração DSS.

Fonte: Pinto (2005).

Entretanto, pelo fato do dobro de corrente ser fornecido com o mesmo número de dispositivos para a mesma potência, o retificador em DSS tende a ter menor custo nos casos em que o nível de tensão não é crítico. Tipicamente, sistemas retificadores utilizam topologia DSS em unidades de até 600 V e 100 kA, enquanto a topologia DB é utilizada até 1.200 V, 50 kA (PINTO, 2005). Levando em conta que, para uma mesma potência, eletrolisadores bipolares

operam com tensões mais altas e correntes mais baixas, enquanto nos eletrolisadores unipolares a relação é inversa, tem-se que as configurações mais adequadas são, respectivamente, a DB e a DSS. A Figura 5.5 mostra um retificador tiristorizado de 12 pulsos na configuração DB da empresa ABB.

Figura 5.5: Retificador tiristorizado de 12 pulsos na configuração DB.

Fonte: Barucco (2009).

De acordo com Pinto (2005), o conversor CA/CC (elemento C da Figura 5.1) é construído a partir de unidades trifásicas básicas (retificador de ½ onda). O retificador de meia onda aproveita apenas uma alternância da tensão alternada; tem apenas um elemento retificador em cada fase, que permite passagem de corrente quando o semicondutor fica polarizado no sentido de condução (PINTO, 2005). Sistemas de múltiplos pulsos são construídos pela associação em paralelo de unidades trifásicas básicas com deslocamento angular entre os primários dos transformadores.

Além disso, segundo Pinto (2005), o barramento CA deve ser posicionado próximo do barramento CC (elemento I da Figura 5.1) de forma a obter o equilíbrio adequado de corrente

entre os dispositivos em paralelo, equalizando mecanicamente a distribuição de impedâncias pelo circuito. A Figura 5.6 apresenta um grupo de diodos em paralelo de um retificador de 45 kA. Pode-se perceber no centro a barra de saída CC e acima e abaixo os dissipadores refrigerados, identificados pelas mangueiras brancas.

Figura 5.6: Grupo de diodos em paralelo de um retificador de 45 kA.

Fonte: Pinto (2005).

Todo semicondutor do circuito retificador possui um fusível em série (PINTO, 2005; BARUCCO, 2009), os quais devem ser capazes de interromper uma falta fase-fase antes que o limite do esforço mecânico provocado pelo curto-circuito afete a estrutura física do conversor, e por isso devem ser de atuação ultra-rápida.

Para o adequado funcionamento do sistema de retificação é necessário ainda um sistema de controle (elemento F da Figura 5.1), que tem como objetivo regular o valor da corrente, mantendo-a constante ao longo da operação.

Uma vez que a regulação do sistema é realizada a partir dos dados de corrente medidos, a exatidão da medição da corrente do sistema de retificação (elemento H da Figura 5.1) é diretamente responsável pela correta atuação do sistema de controle. O valor da corrente do sistema é ainda fundamental para a operação do processo de eletrólise e para a avaliação da eficiência da produção.

Segundo Pinto (2005) e Barucco (2009), o sistema de refrigeração do retificador (elemento D da Figura 5.1) é composto basicamente por bombas, mangueiras, trocadores de calor, dissipadores e pelo fluido refrigerante, geralmente ar ou água. Por questões de segurança, sempre que possível, é preferível a utilização de água. Esta deve ser deionizada ou desmineralizada, de acordo com o nível de tensão CC do retificador; sendo mais comum o uso de água desmineralizada, já que em geral está disponível para alimentar os eletrolisadores da planta.

A Figura 5.7 mostra uma unidade de refrigeração água/ar e uma unidade refrigeração água/água. No primeiro tipo de sistema de refrigeração, o sistema como um todo é refrigerado a ar e os dispositivos internos são refrigerados a água. Já na unidade de refrigeração água/água, tanto o sistema como um todo quanto os dispositivos internos são refrigerados a água.

(a) (b)

Figura 5.7: Unidade de refrigeração (a) água/ar e (b) água/água de um retificador.

Fonte: Barucco (2009) e Pinto (2005).

A comutação dos dispositivos semicondutores envolve a manipulação de grandes quantidades de energia. Para evitar que a comutação provoque alguma falha por sobretensão são

instalados junto a cada fase do conversor um circuito de ajuda à comutação (snubber). Nos equipamentos comercialmente disponíveis o snubber RC é amplamente utilizado sem a necessidade de maiores sofisticações (PINTO, 2005). Na Figura 5.6, apresentada anteriormente, observa-se à esquerda o snubber do conjunto de diodos.

Além disso, existem varistores instalados em cada fase de forma a absorver as sobretensões que entram no retificador através do transformador e que são causadas pelo sistema de energia elétrica em consequência de operações de chaveamento, faltas para terra e descargas atmosféricas. Este circuito também favorece a comutação dos semicondutores e são conhecidos como snubber CA.

Existe ainda no sistema de retificador a proteção térmica, que consiste de sensores de temperatura associados com cada dissipador, em cada circuito de refrigeração, com a finalidade de sinalizar o limite de sobrecarga térmica para o sistema de controle, desligando o retificador até que o defeito seja identificado e sanado (BARUCCO, 2009; PINTO, 2005; MORAES, 2008).

Após os terminais da saída do retificador e antes do eletrolisador, fazem parte do sistema de retificação as chaves seccionadoras (elemento G da Figura 5.1) e os barramentos de corrente contínua. As seccionadoras são localizadas no início dos barramentos que conduzem a corrente até a eletrólise (BARUCCO, 2009). Somente são acionadas com o sistema desenergizado, podendo ser motorizadas ou manuais, e têm a função de isolar o equipamento elétrico do processo eletroquímico para manutenção (BARUCCO, 2009; PINTO, 2005). A Figura 5.8 exibe fotos de chaves seccionadoras.

Os barramentos de corrente contínua são construídos em cobre ou alumínio (BARUCCO, 2009). Geralmente, são necessárias várias barras por pólo do retificador. Os barramentos são dimensionados de forma a apresentar menor custo levando-se em conta a densidade de corrente, a capacidade térmica, a queda de tensão e a resistência mecânica em condições de curto-circuito (PINTO, 2005). A Figura 5.9 apresenta um retificador e seus barramentos CC e CA. Observa-se o barramento CA na parte frontal e o barramento CC na parte superior do retificador.

(a) (b)

Figura 5.8: Seccionadora de corrente contínua de (a) 35 kA e (b) 45 kA.

Fonte: Barucco (2009) e Pinto (2005).

Figura 5.9: Barramentos CC e CA de um retificador.