LIMITADOR DE CORRENTE DE PARTIDA DE MIT UTILIZANDO SUPERCONDUTOR HTSC RESISTIVO
FLAVIO B. B. SILVA1, DOMINGOS S. L. SIMONETTI2, JUSSARA F. FARDIN2, ISMAEL D. L. V. URTUBI2, MARCOS T. D. ORLANDO2
1 Coordenadoria de Automação Industrial, Campus Serra, Ifes - Instituto Federal do Espírito Santo
Rodovia ES-010 Km 6,5 Manguinhos, Serra, ES 29173-087, Brasil
2 Laboratório de Supercondutividade Aplicada – SUPERA, Departamento de Engenharia Elétrica,
Universidade Federal do Espírito Santo, Av. Fernando Ferrari, 514 Vitória, ES 29075-910, Brasil E-mails: flaviobarcelos@ifes.edu.br, d.simonetti@ele.ufes.br,
jussara@ele.ufes.br, idlvu@ig.com.br,mtdorlando@pq.cnpq.br
Abstract With the growing demand for efficient electric power, more attention is required in order that transient starting
current don’t introduce significant voltage drops in the mains without overestimate the power system. This paper presents a method to limit the starting current of three phase induction motor based on a resistive high critical temperature superconductor (HTSC) HgRe-1223. Shows the design of the electrical parameters of the superconductor and a comparison, by computer simulation, among the proposed method and the usual techniques to limit the starting current of electric induction motors.
Keywords Superconductivity, Induction motor, Current limiter, Power quality.
Resumo Com a crescente demanda por energia elétrica eficiente e de qualidade deve-se cuidar para que os transitórios de
par-tida de motores elétricos não introduzam significativas quedas de tensão na rede de alimentação sem, contudo, superdimensionar o sistema elétrico. Este trabalho apresenta um método de limitação de corrente de partida de motor de indução trifásico (MIT) baseado em um supercondutor cerâmico resistivo de alta temperatura crítica (HTSC) HgRe-1223. A metodologia de projeto dos parâmetros elétricos do supercondutor é mostrada juntamente com uma comparação, via simulação computacional, entre o mé-todo proposto e as principais técnicas de limitação de corrente de partida de MIT existentes.
Palavras-chave Supercondutividade, Motor de indução, Limitador de corrente, Qualidade de energia.
1 Introdução
O atual cenário energético mundial caminha para adequações entre uma maior demanda da sociedade por energia elétrica e um menor impacto ambiental que proporcione sustentabilidade às gerações futuras.
Este compromisso é o desafio de todo profissio-nal ligado a engenharia elétrica, o que leva à busca de maior eficiência na produção, manuseio e utilização da energia elétrica.
Dentre os consumidores de energia elétrica no Brasil, o setor industrial é o maior agente e, em se tratando de consumo industrial, os motores de indu-ção trifásicos (MIT) são responsáveis pela maior parte da energia elétrica consumida. Justifica-se, portanto todos os esforços em pesquisas que apontem alguma melhoria na operação de tais máquinas.
Este trabalho irá tratar de um problema inerente ao MIT: sua elevada corrente durante a partida e con-seqüente queda de tensão nos circuitos alimentado-res.
Todo motor é projetado para suportar a partida direta, quando lhe é aplicado um degrau de 1,0 pu de tensão. Como é sabido, durante a partida de um MIT a corrente drenada da rede pode alcançar 5,0 a 10,0 pu de corrente, independente da carga acionada (Ko-sow, 1996). Esse pico inicial de corrente pode ainda ser aumentado devido à assimetria da forma de onda
da corrente, uma vez que se trata de circuito forte-mente indutivo.
Como os circuitos alimentadores são dimensio-nados para o funcionamento em regime, a partida direta de um MIT provoca solicitações muito severas durante os instantes iniciais. Dentre as principais conseqüências destacam-se:
Elevada queda de tensão no sistema de ali-mentação da rede;
Interferência no funcionamento dos demais equipamentos instalados no mesmo sistema; Os equipamentos da instalação (cabos,
con-tatores, transformadores) deverão ser super-dimensionados, provocando um custo eleva-do;
A norma de instalações elétricas em baixa tensão restringe a queda de tensão máxima em 4% e 7% respectivamente, quando alimentadas diretamente da rede pública ou com subestação própria (ABNT, 2004). Quando tais limites são ultrapassados deve ser empregada alguma forma de limitar a corrente de partida do motor, não sendo possível utilizar a parti-da direta.
Na próxima seção serão comentados alguns dos principais métodos de limitação de corrente de parti-da utilizados atualmente, a saber:
Partida com Impedância em Série; Partida Estrela-triângulo;
Um novo método de partida é proposto na seção 4. Denominado “Partida com limitador Supercondu-tor HTSC resistivo”, este método utiliza as caracte-rísticas dos supercondutores de alta temperatura críti-ca (High Temperature Superconductors - HTSC) HgRe-1223 com o objetivo de restringir o aumento da corrente durante a partida do MIT e não interferir na corrente de operação em regime permanente. Para melhor comparação entre os diversos métodos de partida foram realizadas simulações nas quais cada um dos métodos aciona um mesmo MIT acoplado a uma carga com conjugado resistente do tipo quadrá-tico.
2 Métodos de Partida Usuais
Os motores de indução são projetados para partida direta, sendo essa a forma de acionamento mais indi-cada do ponto de vista do motor, contanto que não ultrapasse o número máximo de partidas por hora. A Figura 1 mostra o circuito equivalente por fase de um MIT (Fitzgerald, 2006), na qual V1 representa o
fa-sor da tensão de fase aplicada ao motor, com valor eficaz V1. Ainda na Figura 1, R1 e R2 representam respectivamente as resistências do estator e do rotor referida ao estator e finalmente X1 e X2 são as reatân-cias de dispersão do estator e do rotor referida ao estator.
No instante da partida, o escorregamento “s” é igual a um, eliminando assim a componente de carga mecânica da resistência do rotor refletida ao estator. Em termos práticos, a corrente de partida Ip será li-mitada apenas pelos parâmetros elétricos do estator e do rotor referidos ao estator. A partir da equação (1) obtém se o valor eficaz máximo alcançado durante a partida do motor. 1 2 2 1 2 1 2 ( ) ( ) p V I R R X X (1) A seguir serão listadas as vantagens e
desvanta-gens de alguns métodos de limitação da corrente par-tida comumente utilizados na indústria.
2.1 Partida com Impedância em Série
Esta solução propõe a limitação da corrente de parti-da por meio parti-da inserção de uma impedância em série com a corrente de linha que alimenta o MIT.
A impedância utilizada pode ter natureza resisti-va ou indutiresisti-va. A impedância resistiresisti-va aumenta o fator de potência (FP) durante a partida, entretanto produzirá maiores perdas ôhmicas. Já a reatância indutiva diminui as perdas, porém piora o FP na par-tida e apresenta custo mais elevado ficando reservado a motores de maior potência.
Vantagens:
Aumento do FP na partida (se resistivo); Flexibilidade na redução da corrente com a
variação da impedância;
O motor não necessita ter os seis terminais acessíveis;
Desvantagens:
Aumento das perdas ôhmicas durante a par-tida (resistivo);
Maior custo comparado ao método estrela-triângulo.
Limitação do número de partidas.
2.2 Partida Estrela-triângulo
Nesse método a idéia é fazer o acionamento do motor ligando-o inicialmente na configuração estrela até alcançar uma velocidade de aproximadamente 90% da nominal, em seguida a ligação estrela é desfeita e é executada a ligação triângulo.
É sabido, da teoria de circuitos elétricos que du-rante a ligação dos enrolamentos do motor em estrela a tensão aplicada será reduzida em √3 vezes. Portan-to, funciona como se fosse aplicada uma tensão redu-zida ao estator e, após o motor acelerar, passa a ser aplicada tensão plena.
Durante a partida na ligação estrela o máximo valor da corrente de linha é 1/3 do máximo valor da corrente de partida direta, porém o conjugado de partida também é reduzido na mesma proporção.
A comutação de estrela para triângulo provoca um novo pico de corrente, fazendo com que as vanta-gens de sua redução desapareçam caso a comutação para triângulo ocorra antes da hora.
Vantagens:
Custo reduzido;
Elevado número de manobras; Dimensão compacta.
Desvantagens:
Aplicação específica em motores de seis terminais acessíveis;
A tensão na rede deve ser a mesma do motor em triângulo;
O motor deve alcançar ao menos 90% da ve-locidade nominal antes da comutação estrela para triângulo.
2.3 Partida com Chave Compensadora
Também conhecida como autotransformador de par-tida e também utiliza a redução da tensão aplicada ao estator para diminuir a corrente na partida.
Consiste em um autotransformador com vários
taps de saída, tipicamente 50%, 65% e 80% da
ten-são nominal. Por começar com uma tenten-são menor e ter um maior número de etapas intermediárias apre-senta picos de corrente menos intensos do que na chave estrela-triângulo. Devido ao seu melhor de-sempenho este método é recomendado para motores de maior potência ou que exijam um maior conjuga-do de partida quanconjuga-do comparaconjuga-do com a chave estre-la-triângulo.
Vantagens:
Variação gradual da tensão devido ao nume-ro de taps;
Não é limitada pelo tipo de ligação ou nú-meros de terminais acessíveis do motor; O autotransformador ajuda a limitar os picos
de corrente durante as comutações devido à sua reatância interna.
Desvantagens:
Limitação do numero de partidas; Dimensão volumosa;
Custo maior que a chave estrela-triângulo; Perdas maiores que a chave estrela-triângulo
devido a dissipação de energia no autotrans-formador.
2.4 Partida com Chave Soft-Starter
A chave soft-starter, ou partida suave, é um equipa-mento eletrônico baseado em semicondutores de po-tência, tipicamente SCR’s, que varia o valor eficaz da tensão aplicada ao motor.
0s dispositivos eletrônicos e a tecnologia envol-vida nesta chave resultam em um maior custo de im-plementação comparada aos métodos mais antigos.
O circuito de controle, microprocessado, é res-ponsável pelo ajuste adequado do ângulo de disparo dos SCR’s podendo, além de limitar a corrente de partida, controlar a aceleração, desaceleração e pro-teção do MIT.
Esses recursos adicionais em muitos casos justi-ficam o custo elevado do equipamento por trazer economia na operação e manutenção do motor. Uma aceleração e uma desaceleração suaves, minimizam impactos mecânicos na carga e a proteção elétrica do motor embutida no driver, flexibiliza e reduz compo-nentes na instalação elétrica do motor.
As não linearidades conseqüentes dos recortes nas formas de onda da tensão e da corrente de saída da chave introduzem componentes harmônicas na corrente absorvida da rede, poluindo a instalação elétrica, e gerando harmônicos de torque eletromag-nético no motor.
Vantagens:
Corrente de partida com valor ajustável en-tre a nominal do motor e corrente de partida direta;
Número de partidas ilimitado;
Longa vida útil devido à inexistência de par-tes eletromecânicas móveis;
Torque de partida ajustável em função da carga;
Controla a aceleração do motor; Controla a desaceleração do motor; Realiza a proteção elétrica do motor. Desvantagens:
Maior custo dentre aos métodos convencio-nais;
Acrescenta componentes ao sistema diminu-indo a confiabilidade do acionamento quan-do comparaquan-do à partida direta (Kardec, 1999);
Geração de torques harmônicos na carga; Geração de correntes harmônicas na rede.
3 Supercondutores HTSC
A supercondutividade foi experimentalmente desco-berta pela primeira vez em 1911 por H. Kamerlingh Ones em seu laboratório em Leiden, Holanda en-quanto analisava o comportamento de uma amostra de mercúrio resfriada em hélio líquido.
Onnes surpreendeu-se ao notar que a resistivida-de da amostra resistivida-de mercúrio caia abruptamente a zero em temperaturas inferiores a 4,2K. Desde sua desco-berta verificse que além da temperatura (Tc) ou-tras duas condições determinam o estado supercondu-tor: densidade de corrente (Jc) e campo magnético (Hc). Tais parâmetros são conhecidos como parâme-tros críticos.
Durante a primeira metade do século XX, as pesquisas em supercondutividade evoluíram em dire-ção à compreensão deste fenômeno e os materiais empregados eram basicamente de natureza metálica, também conhecidos como supercondutores do tipo I. Nos anos seguintes, ocorreram avanços na obtenção de uma teoria definitiva e em novas aplicações para a supercondutividade (Orlando, 1990).
Ao longo da década de 80 apareceram os primei-ros supercondutores do tipo II, cerâmicos. Este novo tipo de supercondutor abriu a possibilidade de obten-ção de supercondutividade em temperaturas cada vez mais altas, quiçá sob temperatura ambiente. Isto mo-tivou a busca por novos materiais. Surgiram então os chamados supercondutores de alta temperatura crítica – High Temperature Superconductors HTSC’s, rom-pendo a barreira dos 77K e permitindo que os super-condutores sejam resfriados com nitrogênio líquido. A mudança do sistema criogênico de hélio para ni-trogênio revigorou o interesse em pesquisas de dife-rentes aplicações, desde microeletrônica até sistemas elétricos de potência (Burns, 1992).
Atualmente o laboratório SUPERA da Universi-dade Federal do Espírito Santo produz superconduto-res cerâmicos do tipo II com temperaturas críticas, sob pressão atmosférica, de até 134K. A resistência elétrica dessas cerâmicas no estado normal é ajustada durante a fabricação para atender às especificações do projeto do limitador.
4 Limitador de Corrente de Partida de MIT Su-percondutor HTSC Resistivo
O método de partida proposto utiliza um limitador supercondutor cuja característica é apresentar impe-dância nula quando operado no estado supercondutor e uma impedância puramente resistiva e constante quando operado no estado normal, ou seja, quando algum dos parâmetros temperatura, campo magnético ou densidade de corrente for superior aos valores de Tc, Hc ou Jc, ver Figura 2.
O limitador supercondutor deverá ser refrigera-do por um sistema criogênico que manterá a tempera-tura do limitador abaixo de 134K. Além disso, a montagem deverá estar imune a campos magnéticos para que não haja possibilidade de perda da super-condutividade por Hc. Portanto, a única variável que provocará a transição entre os estados normal e su-percondutor será a densidade de corrente crítica, ou ainda a corrente crítica, após definida a área de seção transversal do limitador supercondutor.
Este trabalho inicialmente apresenta a análise da limitação de corrente empregando uma pastilha su-percondutora genérica, e posteriormente exemplifica o método utilizando a cerâmica supercondutora Hg0,82Re0,18Ba2Ca2Cu3O8+δ ou simplesmente HgRe-1223 que possui temperatura crítica Tc= 132,5K.
4.1 Principio de funcionamento
A idéia básica deste método de partida é similar à partida com impedância em série, exceto pelo fato de dispensar o uso de contatores ou chaves para inserir e retirar a resistência série no circuito que alimenta o motor, bem como qualquer circuito de controle para comandar tal ação.
Para a limitação da corrente de partida, é inseri-do um elemento supercondutor trifásico entre a ali-mentação elétrica fonte) e o estator do MIT, como está mostrado no diagrama unifilar da Figura 3.
Limitador Supercondutor
HTSC
Figura 3. Diagrama unifilar do método proposto.
O limitador de corrente de partida é projetado para operar no estado supercondutor durante o fun-cionamento em regime do motor e somente comutar para o estado normal quando a corrente ultrapassar 2 vezes o valor de pico da corrente nominal (Inom) do MIT:
2 2 nom
Ic I (2)
A consideração acima visa minimizar a distorção da corrente durante a partida.
Uma vez definido o valor de Ic, e sendo a densi-dade de corrente crítica Jc conhecida para o material em questão, calcula-se a área de seção transversal do supercondutor:
Ic S
Jc
(3)
O limitador fica o tempo todo em série com o motor, mas somente atua durante a partida quando os picos na forma de onda da corrente são maiores que o valor de Ic, fazendo com que o limitador deixe de ser um supercondutor e imponha uma resistência elétrica ao circuito.
O valor da resistência é calculado em função de quanto da corrente de partida se deseja reduzir e de quanto torque de partida se necessita para acelerar a carga. O fator de redução K é calculado como:
, , p pk pSC pk I K I (4)
Sendo Ip,pk o valor de pico corrente de partida direta e IpSC,pko valor de pico da corrente de partida com o limitador supercondutor incluído no circuito. Assim, considerando Rlim a resistência do limitador, quando esta é acrescentada em série com o circuito do motor, a corrente de partida passa a ser:
Portanto a partir das equações (1) e (4) é possí-vel escrever Rlim da forma:
2 2 2 2 lim [ ] R K a b b a (6) Sendo: 1 2 1 2 a R R b X X (7) 4.2 O modelo de simulação
O modelo matemático que vem sendo utilizado para simular o funcionamento das cerâmicas super-condutoras HgRe-1223 no laboratório SUPERA (Freitas, 2009), foi empregado nesse trabalho. Esse modelo aproxima a transição de estado normal para supercondutor por três retas. Os principais parâme-tros Rlim, Ic e Ireg são mostrados na Figura 4, jun-tamente com a representação do comportamento real (Oliveira, 2005).
Figura 4. Variação da resistência segundo o modelo mate-mático utilizado e obtida a partir de medição
Como pode ser notado na Figura 4 a resistência varia linearmente com o aumento da corrente até al-cançar o valor constante Rlim. A estabilização da resistência ocorre quando a corrente alcança o valor Ireg, tipicamente dado, para esta cerâmica, por (Frei-tas, 2009):
102,95 103
reg
I Jc S (8)
4.3 O projeto do limitador
Será utilizado o software Matlab/Simulink para simu-lar o funcionamento do supercondutor como limita-dor de corrente de partida acionando um MIT gaiola de 3 HP, 4 pólos, 1710 RPM, 220V, 60 Hz com os seguintes parâmetros: 1 1 2 2 1 2 0, 435 0,004 0,002 0,816 1,508 0,754 R L H L H R X X
Um conjugado resistente que varia com o qua-drado da velocidade do rotor (ωr), usual em cargas do tipo ventilador ou bomba centrífuga, é acoplado ao motor, simulando a carga mecânica. A expressão do conjugado resistente adotado, em N.m, é:
2 0,0004
r r
C (9)
que resultará em potência nominal quando operando sob escorregamento nominal de 5%, com corrente nominal de 8,43A.
Para esse motor o valor de pico da corrente de partida direta será:
, 2 2 127 2 69,48 0,435 0,816 1,508 0,754 pk Ip A O sistema simulado apresenta ainda, para esta corrente, um fator de assimetria em torno de 1,25 o que provoca um primeiro pico da corrente de mais de 86 A.
Segundo a expressão (2) a corrente crítica das pastilhas supercondutoras deverá ser de aproxima-damente:
2 2 8, 43 23,84
Ic A
Como critério de projeto será admitido uma cor-rente limitada de partida igual à metade da corcor-rente de partida direta do motor, portanto, K=2.
Substituindo os valores dos parâmetros do motor nas equações (6) e (7), a resistência do limitador quando estiver operando no estado normal (não su-percondutor), será:
lim 3, 40
R
Segundo Oliveira (2005), a densidade de corren-te crítica e a resistividade para a cerâmica supercon-dutora HgRe-1223 são:
5 2 3,1885 10 A 0,001 Jc m m
Obtêm-se então a área da seção transversal e o comprimento da pastilha supercondutora:
2 5 20 62,7250 213, 27 3,1885.10 S mm l mm
A corrente de regime, Ireg, calculada a partir da equação (8) e com os valores acima obtidos é:
26, 4576
reg
I A
Tais critérios de projetos são inseridos no mode-lo computacional do limitador supercondutor HTSC resistivo de corrente de partida .
5 Resultados de Simulação
Uma comparação entre o método supercondutor HTSC proposto e os outros métodos já existentes é mostrada a seguir. Em todas as simulações a carga mecânica é a mesma descrita anteriormente.
Em seguida, foram obtidas por simulação as cor-rentes de partida com chave estrela-triângulo, com inserção de resistência série, com chave compensado-ra, com chave soft-starter e com o limitador super-condutor HTSC resistivo. A Figura 6 mostra as cur-vas dessas correntes durante a partida com duração de dez segundos para a partida estrela-triângulo e três segundos para os demais métodos. Para facilitar a comparação entre os métodos de partida simulados, buscou-se projetá-los para limitar Ippk(valor de pico da corrente de partida) em aproximadamente ½ do seu valor quando acionado com partida direta, exceto para o caso da chave estrela-triângulo que reduz na-turalmente a corrente para ⅓ do valor de partida dire-ta. Além do projeto do limitador HTSC já detalhado, as demais especificações são:
Estrela-triângulo: Tempo de simulação de 10s com comutação Y-Δ em t=5s;
Impedância série: Resistor série de 3Ω reti-rado do circuito em t=1.4s;
Chave compensadora: Partida com 50% e comutação entre os tap’s de 65%, 80% e 100% em, respectivamente, t= 1.3s, 1.8s e 2.3s;
Soft-starter: Partida com 50% da tensão nominal e aumento linear em rampa com du-ração de 1,0s.
Especificamente no caso da chave estrela-triângulo além de um maior tempo de partida, a con-dição imposta de partida com carga inviabiliza este método devido ao elevado pico de corrente que ocor-re na transição de estocor-rela para triângulo.
Pode-se observar que, com exceção da chave es-trela-triângulo, todos os métodos alcançam seu prin-cipal objetivo que é limitar a corrente durante a par-tida, mesmo que para isso alguns apresentem um se-gundo ou terceiro pico de corrente como, por exem-plo, a impedância série e a chave compensadora.
O limitador supercondutor projetado é compara-do mantencompara-do as mesmas escalas de tempo e corrente. A partir dos resultados mostrados na Figura 6 pode-se concluir que o novo método pode-se destaca por possuir uma envoltória de corrente bem comportada dentro dos limites projetados, sem picos ou variações abrup-tas. -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Estrela-Triângulo Tempo [seg] C o rr e n te [ A ] 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Tempo [seg] C o rr e n te [ A ] Impedância Série 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Tempo [seg] C o rr e n te [ A ] Chave Compensadora 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Tempo [seg] Soft Starter C o rr e n te [ A ] 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Supercondutor HTSC Resistivo Tempo [seg] C o rr e n te [ A ]
Figura 6. Comparação entre as correntes de partida nos diferen-tes métodos de limitação
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
O soft-starter e o limitador supercondutor resis-tivo apresentam correntes que iniciam e se mantém constantes ou aumentando suavemente, sem varia-ções bruscas. Devido a essas características, foram realizadas simulações comparando esses dois méto-dos quanto à velocidade de resposta e componentes harmônicas da forma de onda da corrente durante os primeiros ciclos.
O tempo de aceleração e a tensão inicial da cha-ve soft-starter foram dimensionados para manter a corrente limitada na metade do valor da partida direta a fim de se ter uma comparação coerente com o pro-jeto do limitador supercondutor HTSC resistivo.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -100 -80 -40 0 40 80 100 Partida Direta Tempo [seg] C o rr e n te [ A ]
A Figura 7 apresenta a curva de velocidade do motor quando acionado com soft-starter e com o limitador supercondutor resistivo. Observa-se, para esse tipo de carga mecânica e para a limitação de corrente definida, que os acionamentos têm compor-tamentos semelhantes, alcançando a velocidade de regime em aproximadamente 1,5 segundos.
O soft-starter, por utilizar chaves semiconduto-ras de potência, introduz um maior conteúdo harmô-nico durante a partida como pode ser verificado na formas de onda dos ciclos iniciais mostrado na Figura 8. Nesta mesma figura é apresentada a forma de onda com menor distorção produzida pelo limitador super-condutor HTSC resistivo. 0.605 0.61 0.615 0.62 0.625 0.63 0.635 0.64 0.645 0.65 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Tempo [seg] C or rent e [A ]
Corrente no Limitador Supercondutor HTSC Resistivo
0.605 0.61 0.615 0.62 0.625 0.63 0.635 0.64 0.645 0.65 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Tempo [seg] Corrente no Soft Starter
C o rr e n te [ A ]
Figura 8. Forma de onda da corrente nos primeiros ciclos – Com-paração entre o soft-starter e o limitador supercondutor HTSC
Uma análise quantitativa sobre a distorção har-mônica total ou Total Harmonic Distortion THD nas duas formas de onda é apresentada na figura 9, que mostra a variação do THD durante os três segundos iniciais da partida. Verifica-se que também nesse aspecto o limitador supercondutor HTSC resistivo é superior ao soft-starter pois seu THD fica em torno de 0,041 (4,1%) enquanto o THD da corrente do
soft-starter é de 0,35 (35%) inicialmente, permanecendo
acima de 0,2 (20%) durante a maior parte do tempo de partida.
Após a velocidade de regime permanente ser al-cançada, nenhum dos métodos provoca distorção na corrente do motor.
Há que se destacar ainda que a chave
soft-starter, exceto pelas perdas de comutação e condução
dos SCR’s, não dissipa potência durante seu funcio-namento, diferentemente do limitador supercondutor HTSC resistivo. As perdas ôhmicas provocadas pela circulação de corrente durante a partida com o super-condutor no estado normal resistivo são as únicas levadas em consideração neste estudo.
Segundo (Orlando, 1999) as perdas AC para a cerâmica supercondutora HgRe-1223 podem ser des-prezadas devido aos baixos valores de temperatura e intensidade de campo magnético durante a operação do dispositivo.
6 Uma vantagem adicional do novo método Todo motor elétrico que esteja operando em uma instalação funcionará como fonte de corrente de curto circuito na ocorrência de uma falta.
A inércia do sistema motor/carga mecânica irá manter o movimento de rotação do eixo e o MIT fun-cionará como um gerador contribuindo com uma corrente de falta de magnitude igual à corrente de partida durante alguns ciclos de rede.
A característica intrínseca do supercondutor de inserir automaticamente uma resistência no circuito quando percorrido por uma corrente superior à sua corrente crítica Ic, não depende do sentido de circu-lação da corrente, e faz com que o limitador HTSC funcione restringindo também a contribuição de cor-rente do MIT, para qualquer falta ocorrida na instala-ção elétrica.
Os métodos tradicionais de limitação de corrente de partida não atuam durante a ocorrência de uma falta, diferentemente do limitador supercondutor HTSC resistivo que irá limitar a corrente que passar por ele a qualquer momento, independente da direção do fluxo de potência, assim o mesmo dispositivo
li-0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
THD Supercondutor x Soft Starter
Tempo [seg] T H D Soft Starte r Supercondutor
Figura 9. Variação do THD durante a partida do motor - Compa-ração entre o soft-starter e o limitador supercondutor HTSC
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Velocidade Supercondutor x S. Starter Tempo [seg] V e lo ci d a d e [ R P M ] Soft Starter Supercondutor
mitador de corrente de partida irá funcionar também como limitador da contribuição do MIT para corren-tes de falta, ajudando assim a diminuir a corrente de curto circuito total da instalação elétrica.
7 Conclusão
Nesse trabalho foi desenvolvida uma metodologia de projeto de um limitador de corrente de partida de MIT baseado em supercondutor HTSC resistivo. Esta metodologia ofereceu uma primeira abordagem na qual se buscou definir parâmetros e valores de proje-to que direcionarão a fabricação das cerâmicas su-percondutoras que proporcionarão os primeiros en-saios.
O funcionamento do sistema proposto foi verifi-cado por simulação e apresentou bons resultados justificando a continuidade do trabalho na montagem de um protótipo experimental.
Um levantamento rigoroso dos custos de produ-ção, operação e manutenção do dispositivo limitador supercondutor encontra-se em andamento, contudo estimativas iniciais apontam para um custo de fabri-cação das cerâmicas supercondutoras em torno de $600/Cm3.
O modelo utilizado reproduz adequadamente as transições para os estados normal e supercondutor por ultrapassagem da corrente crítica. Como não há aumento da temperatura do supercondutor, não existe a ocorrência de quench durante a operação do limita-dor (Dias, 2010).
Os resultados de simulação se mostraram coeren-tes com a análise teórica e apontam vários benefícios em uma limitação de corrente de partida de MIT uti-lizando tecnologia supercondutora. Algumas vanta-gens que foram imediatamente observadas:
Dispensa mecanismos de controle para in-serir/retirar a impedância série;
Dispensa o uso de chaves ou contatores pa-ra comutar a impedância série;
Apresenta menor distorção na forma de on-da on-da corrente comparado ao soft-starter; Reduz a corrente de curto-circuito da
insta-lação elétrica.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao Conselho Nacional de De-senvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq e à Fundação de Amparo à Pesquisa do Espírito Santo -FAPES pelo apoio financeiro recebido.
Referências Bibliográficas
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas (2004). NBR 5410.
Burns. G. (1992). High-Temperature
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