Sensibilidade de Processos Eletromecânicos
Industriais Submetidos a Distúrbios da Tensão
Mateus D. Teixeira, Arthur F. Bonelli, Alexandre R. Aoki, Arthur G. O. Inacio e Bruna K. Matos
LATEC, Centro Politécnico da UFPR, s/n, Jardim das Américas, Curitiba-PR
Rodrigo A. Peniche e Ivandro A. Bacca
COPEL, Av. Padre Agostinho, 2600, Bigorrilho , Curitiba-PR
Sergio Ferreira e Antonio C. Delaiba
UFU, Av. João Naves de Ávila, 2121, Campus Santa Mônica, Uberlândia-MG
Resumo Este artigo apresenta de maneira objetiva a concepção e os resultados de uma série de ensaios laboratoriais realizados em processos industriais típicos, vislumbrando obter a sensibilidade de processos industriais a distúrbios de Qualidade da Energia Elétrica (QEE). Para se atingir este propósito, foram ensaiados três processos industriais completos, a saber: sistema de ventilação, sistema de transporte por esteira e sistema de bombeamento. Assim, de posse destes resultados, associados a dados estatísticos sobre a ocorrência de eventos de QEE em redes elétricas de distribuição poder-se-á avaliar com maior propriedade a real extensão destes fenômenos sobre consumidores industriais.
Palavras-chaves Processos Industriais, Afundamentos de Tensão, Qualidade da Energia Elétrica, Curvas de Sensibilidade.
I.INTRODUÇÃO
Conforme vasta literatura existente e experiências de campo, para assegurar a operação adequada de qualquer equipamento eletroeletrônico que compõe um processo industrial é imperativo que a energia elétrica fornecida pelo sistema supridor tenha um bom nível de qualidade em seu fornecimento. Contudo, devido a uma série de fatores, a qualidade da energia, sobretudo sob o ponto de vista da qualidade da tensão, tem apresentado apreciáveis desvios em relação ao padrão almejado.
Assim, equipamentos de automação industrial, do tipo controladores lógicos programáveis, fontes, sensores, atuadores, dentre outros, já foram extensamente analisados de forma individual frente a distúrbios associados à Qualidade da Energia Elétrica [1]-[8], e comprovadamente tiveram seus desempenhos afetados em testes laboratoriais, especialmente no que concerne às Variações de Tensão de Curta Duração (VTCDs). Todavia, o comportamento de processos
Mateus D. Teixeira, [email protected], Arthur F. Bonelli,
[email protected], Alexandre R. Aoki, [email protected], Arthur G. O. Inácio, [email protected], Bruna K. Matos,
[email protected], Tel. +55-41-3361-6172, Fax +55-41-3361-6007; Rodrigo A. Peniche, [email protected], Ivandro A. Bacca,
[email protected], Tel. +55-41-3331-2660, Sérgio Ferreira,
[email protected], Antônio C. Delaiba, [email protected], TEL +55-34-3239-4769.
Este trabalho foi financiado pelo programa de P&D da COPEL.
industriais complexos que envolvam diversos equipamentos trabalhando de forma conjunta (sistemas elétricos e mecânicos), ainda possui escassa literatura, no que diz respeito a ensaios elétricos, pode-se citar [9]-[13]. Da mesma forma, há muito poucos dados sobre variáveis mecânicas que sejam capazes de traduzir o efeito final dos fenômenos eletromagnéticos, e consequentemente, possíveis impactos econômicos que estes possam repercutir.
Diante do exposto, este trabalho procurou preencher parte desta lacuna através da realização de ensaios elétricos em três processos industriais distintos: sistema de bombeamento de água, sistema de ventilação e sistema de transporte por esteira.
Os resultados dos ensaios são confrontados com a curva de sensibilidade ITIC [14] no intuito de estimar a sensibilidade destes processos. Tal curva é clássica quando se aborda a tolerância de equipamentos elétricos frente às VTCDs. Nesta curva, a qual está apresentada na Fig. 1, o eixo da ordenada representa a intensidade e o da abscissa o da duração das variações de tensão.
Da mesma forma, são utilizados dados de medições em campo de afundamentos momentâneos de tensão para se conhecer o real impacto destes para as indústrias, onde tais sistemas eletromecânicos sejam predominantes.
II.ESTRUTURA LABORATORIAL
Para representar as instalações tipicamente industriais, o Laboratório de Eficiência Energética (LEFE) pertencente à Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT) da Universidade Federal de Uberlândia (UFU) disponibilizou três estações de trabalho, representando os sistemas industriais supracitados. O LEFE emprega uma estrutura laboratorial que reflete com grande fidelidade o comportamento de processos industriais eletromecânicos, bem como uma fonte de alimentação que possibilita a reprodução de distúrbios de QEE, como: VTCDs, desequilíbrios de tensão, distorção harmônica, entre outros. As características destas estações de trabalho estão descritas na sequencia.
A. Sistema de Ventilação
Esta bancada objetiva simular um sistema de ventilação, totalmente automatizado, típico do setor industrial. Basicamente, possui um módulo de carga composto por um
damper elétrico, permitindo o controle da vazão de ar, um
transmissor de vazão de ar instalado no ventilador que possibilita a verificação deste parâmetro e a atuação do
damper visando diminuir, aumentar ou mesmo bloquear o
fluxo, sendo todas estas ações visualizadas e controladas via supervisório. A Fig. 2 apresenta o diagrama esquemático desta bancada.
Em Fig. 2, as siglas PD, PS e INV indicam os sistemas de acionamento do motor elétrico instalados na bancada, representando respectivamente: partida direta; partida suave com a utilização de um soft-starter e inversor de frequência. O diagrama esquemático apresentado é comum a todas as estações de trabalho (bombeamento e transporte), alterando somente o módulo de carga. A Fig. 3 ilustra a estrutura montada no LEFE.
Fig. 2. Diagrama esquemático da estação de trabalho de ventilação.
Fig. 3. Estação de trabalho de ventilação.
Naturalmente, todo este processo necessita de elementos auxiliares de controle, manobra, proteção, medição e supervisão. Estes componentes estão presentes em um painel acoplado à bancada. O CLP responsável por todo o controle também está localizado neste painel. Tal painel é comum a todas as estações de trabalho. Através de um sistema supervisório instalado em um microcomputador é possível gerenciar e comandar todo o processo remotamente.
B. Sistema de Bombeamento
O sistema é formado por um módulo de carga que é composto de dois reservatórios com capacidade de 100 litros cada, sendo que o primeiro foi instado na parte inferior da bancada e o segundo a uma altura de 2 metros. Na saída da bomba centrífuga estão presentes uma válvula de retenção, uma válvula elétrica proporcional de estrangulamento e os transmissores analógicos de pressão e vazão. No reservatório superior instalou-se um transmissor de nível. Todos os sensores mencionados têm seus indicativos monitorados (histórico, curvas e valores instantâneos) através do supervisório. A Fig. 4 apresenta a bancada montada.
C. Sistema de Transporte
Por fim, a estação de trabalho de transporte compreende um módulo de carga composto por uma correia transportadora com possibilidade de ajuste de angulação para até 30 graus. Além disso, dispõe de um sistema de deslocamento linear responsável pela simulação de carga sobre a correia transportadora. A Fig. 5 mostra o sistema montado.
O processo apresentado, apesar de ser simplificado aos processos encontrados nas indústrias, apresenta todos os módulos existentes nos processos industriais, ou seja, módulo de força ou conversão, módulo de controle, proteção e medição e, finalmente, o módulo de supervisão.
Fig. 4. Bancada de bomba centrífuga.
Fig. 5. Bancada de correia transportadora.
III.METODOLOGIA DE ENSAIO
A definição da metodologia empregada nos ensaios
laboratoriais para conhecimento da sensibilidade aos distúrbios de QEE de processos industriais foi baseada especialmente na utilização da norma IEC 61000-4-11 –
Testing and Measurement Techniques – Voltage Dips, Short Interruptions and Voltage Variations Immunity Tests, devido
ao fato de que as variações de tensão de curta duração são os distúrbios mais prejudiciais aos equipamentos elétricos [15]-[18].
Muito embora se reconheça que esta afirmação é verídica, decidiu-se por ampliar a gama de ensaios proposto pelo documento IEC e realizar outros ensaios além de VTCDs, como distorções harmônicas de tensão, variações de tensão de longa duração (VTLD), desequilíbrio de tensão e flutuações de tensão, baseados nos ensaios propostos em [18].
Desta forma, os seguintes eventos foram realizados: Variação de Tesão de Curta Duração;
Variação de Longa de Curta Duração; Distorções Harmônicas;
Desequilíbrios; Flutuação de tensão.
IV.ENSAIOS LABORATORIAIS
Na sequência, têm-se os resultados dos ensaios citados anteriormente.
A. Variação de Tensão de Curta Duração
Os VTCD’s aplicados foram: 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10% e 0% da tensão nominal, para diferentes intervalos de duração, com o distúrbio sendo iniciado quando da passagem da tensão por zero (0°) e, também, quando da passagem pelo máximo (90°). Estes ensaios foram realizados nas três estações de trabalho: ventilação, bombeamento e transporte.
Em todos os ensaios o acionamento dos motores contemplou inversores de frequência. Em complemento, também foram realizados ensaios com acionamento via soft-starter na estação de trabalho de ventilação, onde os resultados foram coerentes com aqueles obtidos com o inversor.
Assim, os resultados foram anotados em planilhas, as quais subsidiaram a confecção das curvas de sensibilidade dos processos industriais. Para cada tipo de processo, foi traçado 3 curvas, sendo: a primeira delimitando um região designada por má operação, outra por possibilidade de falha e, por fim, uma dita de falha do processo.
De posse de tais curvas, foram geradas as Figs. 6, 7 e 8 onde as mesmas representam, respectivamente, o sistema de ventilação, bombeamento e transporte. Para fim de comparação, foi também plotado a curva ITIC.
Fig. 6. Curvas de sensibilidade do sistema de ventilação comparadas com a curva ITIC.
Fig. 7. Curvas de sensibilidade do sistema de bombeamento comparadas com a curva ITIC.
Fig. 8. Curvas de sensibilidade do sistema de transporte comparadas com a curva ITIC.
A partir dos gráficos apresentados, fica evidente que para todos os sistemas industriais, salvo uma pequena região do sistema de ventilação, a região de má operação encontra-se superior à curva ITIC. Constatando assim que o nível de sensibilidade dos processos industriais são mais críticos que os da curva ITIC, a qual, como já descrito, é considerada a
principal referência quando se trata de sensibilidade/suportabilidade de equipamentos elétricos.
B. Variação de Tensão de Longa Duração
Aplicou-se para os ensaios de VTLD’s: 100%, 95%, 90%, 85% e 80% da tensão nominal durante 16 minutos nos três sistemas industriais supraditos. Este ensaio também foi realizado nas três bancadas via inversor de frequência. A sequência utilizada foi invertida de modo a evitar aquecimento excessivo dos componentes das bancada.
Observou que todos os processos sofreram alteração com a tensão de alimentação nos níveis de 80% e 85% do valor nominal, não sendo nada constatado para os níveis de 90% e 95%.
C. Distorção Harmônica
Para as distorções harmônicas, optou-se por ensaios contendo (alimentação via inversor): 4% de distorção de 2ª ordem (120 Hz); 10% de 3ª; 10% de 5ª; 10% de 7ª; 6% de 11ª e 12% de distorção harmônica total (DHT). Realizou-se também o ensaio de 12% de DHT com o motor sendo acionado através do dispositivo de partida suave (soft-starter). Estes ensaios somente foram realizados na bancada de ventilação.
De forma geral, a inserção de distorções harmônicas na tensão de alimentação da bancada não trouxe prejuízos para os parâmetros mecânicos. No entanto, o fator de potência e as correntes foram bastante afetados por algumas ordens.
D. Desequilíbrio
Neste caso, as bancadas foram energizadas com tensões contendo os seguintes níveis de desequilíbrio, 1%, 2% e 3% de desequilíbrio nas tensões com duração de 30 minutos cada via inversor de frequência e 3% via soft-starter. Tais ensaios foram realizados apenas na bancada de ventilação.
Apesar de ficarem claras alterações nas variáveis elétricas quando o sistema foi alimentado com desequilíbrio de 1% e 2%, não houve aparente alteração nas variáveis mecânicas. No entanto, quando se deparou com alimentação de tensão com desequilíbrio de 3% via inversor, foi atuado o dispositivo de proteção contra sobrecarga da bancada, quando a mesma estava em 15 minutos de operação. Para a aplicação com o soft-starter não houve atuação da proteção.
E. Flutuação de Tensão
A condição aplicada para flutuação de tensão foi de 5% de Pst durante 30 minutos, também na bancada do ventilador e servindo-se tanto do inversor de frequência, quanto do soft-starter.
Para o ensaio via inversor, não houve qualquer alteração perceptível nas variáveis mecânicas. No entanto, quanto a bancada foi alimentada através do soft-starter, percebeu-se oscilações no ruído do ventilador.
V.DISCUSSÕES
A fim de se verificar a correlação entre afundamentos momentâneos de tensão ocorridos em sistemas de distribuição, foi desenvolvido um trabalho de campo, onde se obteve medições de 408 afundamentos de tensão em 11 subestações de distribuição da COPEL, bem como de indústrias paranaenses ao longo do período de Janeiro a Maio de 2010. A partir de tais dados, realizou-se uma análise estatística, tais quais subsidiaram a geração das Figs. 9 e 10. A primeira figura contempla um gráfico box-plot, apresentando a concentração dos afundamentos. Por sua vez, a Fig. 10 relata a amplitude percentual dos afundamentos de tensão em um histograma.
Fig. 9. Box-plot da duração dos afundamentos de tensão.
Fig. 10. Histograma da amplitude dos afundamentos de tensão.
O gráfico da duração dos afundamentos evidencia que a maioria dos afundamentos de tensão se situa na faixa de 4 a 23 ciclos, e que afundamentos com duração superiores são mais raros.
Em relação ao histograma de severidade dos VTCDs, constata-se que a maioria dos afundamentos de tensão é de 80 a 90% de severidade, e quanto mais severo é o afundamento, menor é a probabilidade de ocorrência.
Voltando às curvas de sensibilidade, pode-se afirmar que os afundamentos com maior índice de registro, ou seja, de 4 a 23 ciclos de duração e severidade de 80 a 90%, são capazes de afetar ao menos os processos de transporte e bombeamento, sendo que pela curva ITIC, os mesmos seriam imperceptíveis.
Com o intuito de se obter uma melhor visualização deste fato, voltou-se para a comparação das curvas de sensibilidade com as medições de uma subestação em específico da COPEL. A subestação utilizada, denominada por FZI, situa-se na zona metropolitana de Curitiba. Tais resultados estão na Fig. 11.
Fig. 11. Curvas de sensibilidades relacionadas com medições em campo de afundamentos de tensão.
A figura superior apresenta com grande clareza que se for considerado somente a curva ITIC, os processos não deveriam sofrer qualquer influência de tais afundamentos. No entanto, fica evidente que cerca de dois terços de tais eventos afetam pelo menos um dos sistemas industriais. É válido também ressaltar que em dois eventos todos os sistemas industriais seriam influenciados pelos afundamentos.
VI.CONCLUSÕES
O presente artigo iniciou-se com a apresentação de ensaios realizados em três processos industriais típicos: ventilação, bombeamento e transporte. Foram aplicados nestes processos, diversos distúrbios de qualidade da energia elétrica: VTCDs, VTLDs, distorções harmônicas, desequilíbrios e flutuações de tensão. Como, para as indústrias, o problema de qualidade da energia elétrica mais dispendioso é o afundamentos de tensão, foi levantado a curva de sensibilidade dos processos.
Tais curvas são, a princípio, comparadas com a ITIC, onde se constatou que todos os processos industriais delinearam curvas mais sensíveis que a da ITIC. Um ponto justificador de tais resultados é que a sensibilidade do processo como um todo é dada através dos pontos mais sensíveis de todos os equipamentos que o constitui (contatores, conversores de frequência, etc), fazendo assim com que a curva se tome naturalmente mais sensível. Deve-se ressaltar que, entre todos os equipamentos, o contator foi o que causou a maior parte das falhas, merecendo, assim, um estudo mais aprofundado na melhoria de sua sensibilidade.
Na sequência voltou-se para uma análise estatística de afundamentos registrados em diversas subestações da COPEL e indústrias paranaenses. A partir de tal análise, ficou evidente que a maioria dos afundamentos de tensão tem duração de 4 a 23 ciclos e severidade de 80 a 90%. Assim,
análises destes VTCDs com base na curva ITIC resultariam em laudos onde não seria constatado nenhum problema. No entanto, estes afundamentos podem causar alterações nos processos de bombeamento e transporte, como pode ser averiguado nas suas curvas de sensibilidade.
Por fim, com o intuito se ter uma melhor visualização das informações apresentadas, foi confeccionado um gráfico onde se comparou afundamentos de tensão de uma determinada subestação da COPEL com as curvas dos processos e a ITIC. A partir deste, observou-se que nenhum dos 12 afundamentos apresentados influencia a curva ITIC, sendo que dois terços destes afetam dois processos e dois VTCDs afetaram todos os processos.
Os resultados discutidos levantam uma dúvida de até que ponto é plausível a utilização da curva ITIC para análises técnicas de afundamentos de tensão no que diz respeito a sistemas industriais.
Pode-se também concluir que as indústrias estão muito susceptíveis aos afundamentos de tensão, por menor que sejam suas amplitudes e durações, mostrando uma necessidade de melhorias na sensibilidade dos seus processos, as quais podem ser obtidas via equipamentos compensadores de tensão (no-break, UPS, Statcom, DVR, etc), ou diretamente na suportabilidade dos equipamentos constituintes do processo.
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