MELHORIA DA QUALIDADE DE ENERGIA EM MOTOR TRIFÁSICO ACIONADO POR INVERSOR DE FREQUÊNCIA.
Alessander Rodrigues De Souza 1
Anderson Duarte Betiol
2
Resumo: A qualidade
da energia elétrica
ocorre quando o sinal elétrico
de tensão e corrente permite
que equipamentos e máquinas
industriais funcionem de forma satisfatória. Os motores elétricos de indução foram projetados para terem o seu melhor
rendimento quando a forma da onda é puramente senoidal, porém, com a presença de inversores de frequência em máquinas
industriais, a qualidade da energia elétrica deixou de ser a mesma da qual foi
originada. Esta nova forma de onda que passou a surgir na rede elétrica é o que chamamos de harmônicos.
Esses distúrbios comprometem a qualidade da energia elétrica trazendo muitos malefícios a uma
planta industrial. O artigo visa a abordar a melhoria da qualidade da energia
em uma máquina de fabricação de cigarros, no qual possui um motor de indução
trifásico acionado por um inversor de frequência. O ensaio de campo foi realizado em uma indústria
localizada no município
de Araraquara-SP, e buscou-se a melhoria da qualidade de energia através
de indutores tipo choke, esse
tipo de indutor
faz o bloqueio parcial das frequências dos harmônicos. A medição dos componentes dos harmônicos
foi feita em um analisador e multimedidor elétrico DMI-T50T. O estudo mostrou
que os reatores tipo choke reduziram
a distorção dos componentes dos harmônicos de corrente de 7a ordem, porém não foi suficiente
para atenuar de forma satisfatória os componentes dos harmônicos de corrente de 5a ordem.
Palavras-chave: Máquinas
Industriais. Qualidade de energia. Harmônicos.
0 1 Graduando do Curso de Engenharia Elétrica da Universidade de Araraquara-UNIARA, Araraquara-SP. E-mail
2 Orientador, Docente
do Curso de Engenharia Elétrica
da UNIARA. Email:
adbetiol@yahoo.com
IMPROVEMENT OF ENERGY QUALITY
IN THREE-PHASE MOTOR DRIVEN BY FREQUENCY INVERTER.
Abstract: the quality
of the eletric energy occurs
when the electrical signal of voltage
and current allows
industrial equipment and machines to function satisfactorily. Electric
inducion motors are designed to have their
best performance when the waveform
is purely sinusiodal, but, with the presence of frequency inverters in industrial machines, the
quality of the electric power is no longer the same from which it originated. this new waveform that came to
appear in the electric grid is what we call harmonics. these disturbances compromise the quality of
electric power bringing many curses to an industrial plant. the article aims to address the improvement of
the quality of electric power in a cigarette making machine, in which it has a three-phase motor
driven by a frequency inverter. The field test was performed in an industry
located in the minicipality of Araraquara-SP, and sought to improve the quality
of energy through choke inductors,
this type of inductor makes partial blocking of harmonic frequencies.the
measurement of the components of the
harmonics was done on a DMI-T50T energy analyzer and electric multimeter. The study showed that the choke-type
reactors reduced the current components harmonics distortion of 7a, but it was not sufficient to satisfactorily attenuate
components harmonics currents
of 5a.
Kewword:
Industrial machinery. Power quality. Harmonics.
1
INTRODUÇÃO
No Brasil, o orgão responsável por
regulamentar e fiscalizar a distribuição no sistema elétrico é a Agência Nacional
de Energia Elétrica(ANEEL) e ela o faz através dos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica
no Sistema Elétrico Nacional(PRODIST) que determinam quais os parâmetros a serem seguidos.
O PRODIST é dividido em módulos e o que faz referência
a qualidade da energia elétrica é o módulo 8. De acordo com o
Procedimentos de Distribuição de
Energia Elétrica no Sistema Nacional (PRODIST, 2018, p.13) distorção harmônicas
são fenômenos associados a
deformações na forma de onda das tensões e correntes em relação à onda senoidal da frequência fundamental.
Com os avanços tecnológicos da
eletrônica de potência, os inversores de frequência foram se tornando algo comum dentro das indústrias. Atualmente a
maioria das máquinas industriais
possuem inversor de frequência para ajuste de velocidade. Estes aparelhos
trazem muitos benefícios à máquina,
como, rampa de partida e parada mais suave, melhoria
do fator de potência e facilidade na partida com vários tipos de
velocidades. O problema é que o chaveamento eletrônico
nesses aparelhos produz uma distorção na forma da onda trazendo malefícios a
rede elétrica. Um desses malefícios são os harmônicos de tensão e corrente.
O estudo visa a pesquisar o grau de
intensidade dos distúrbios harmônicos que são
gerados em um equipamento do ambiente
industrial, e se é possível fazer a melhoria da qualidade da
energia através de um filtro
tipo choke.
Com a realização de estudos foi feita
uma análise das vantagens e desvantagens em se
por na máquina um filtro tipo choke, pois dependendo da carga em que o filtro for instalado, o custo pode sobressair-se em relação a
outros tipos de filtros mais eficientes, como os filtros ativos e os filtros híbridos. Foram realizadas medições
via software do analisador de energia, em
que buscou-se mostrar os harmônicos e as demais grandezas
elétricas, como tensão, corrente, potência ativa e com isso tirar
uma conclusão se o filtro
tipo choke é satisfatório para atenuar os harmônicos conforme
normas internacionais.
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A eletrônica de potência tem
disponibilizado uma vasta gama de equipamentos, porém, segundo Magalhães(2010), os inversores de frequência são
cargas não lineares cada vez mais relevante na indústria. A eficiência desses
aparelhos são inegáveis para a otimização dos processos industriais e faz com que o investimento em inversores seja comprovado. Entretanto por ser uma carga não linear, os inversores possui
a desvantagem de contribuir para a injeção
de harmônicos na rede elétrica.
Segundo Alexander e Sadiku(2013) Fourier
descobriu que uma função periódica não senoidal
podia ser descrita como a soma infinita de funções senoidais. Uma função
periódica pode ser descrita por.
f (t) = f (t + nT )
onde n é um número inteiro e T, o período fa função.
Conforme descrito por Alexandre e
Sadiku(2013) de acordo com o teorema de Fourier, qualquer função periódica contendo a frequência ω0 pode ser definida na forma
de uma soma infinita de funções seno
ou cosseno que são múltiplos inteiros de ω0
. Então, f (t) pode ser descrito
conforme a fórmula
abaixo.
f (t) = a0
+ a1
cos ω0t + b1 sin ω0t + a2 cos 2ω0t + b2 sin 2ω0t + a3 cos 3ω0t + b3 sin 3ω0t + · · ·
(1)
onde ω0 = 2π/T é chamada de
frequência fundamental, medida em radianos por segundo. A senoide sin ω0t ou
cos ω0t é designada como a n-ésima harmônica de f (t). A
harmônica pode ser
ímpar se n for ímpar, ou, par se n for par. A equação acima é chamada de série
de Fourier trigonométrica de f (t).
O sinal senoidal mantém suas
características de frequência única para tensão e cor- rente quando observada por meio de componentes passivos, como
resistores, capacitores e indutores(KLUMPER,2012).
O tipo de onda senoidal é invariável em relação à derivação e à integração, porém, uma forma de onda desse
tipo é algo perfeito e, na prática algo geralmente não encontrado( LEÃO, SAMPAIO e ANTUNES,2014).
No Brasil, segundo Oliveira, Macedo
Junior, Delaiba(2014) a regulamentação da quali- dade do produto pode ser dividida
em duas partes, uma mostrando
os indicadores de desempenho da rede básica e outro relacionado
ao sistema de distribuição de energia elétrica. A regulamen- tação da rede básica existentes no país
refere-se aos submódulos 2.8 e 3.6 da ONS(Operador Nacional do Sistema Elétrico). Já em relação ao segmento de
distribuição de energia elétrica, a regulamentação
existente esta disponível nos módulos 3 e 8 dos procedimentos de distribuição da ANEEL(Agência Nacional
de Energia Elétrical).
Conforme Oliveira, Macedo Junior,
Delaiba(2014) nos procedimentos de distribuição, não existem limites publicados para os diversos indicadores
associados com a qualidade da energia. O quadro 1 apresenta uma síntese do procedimento de distribuição.
Quadro 1 - Procedimentos de Distribuição
|
Documento |
Indicador |
Valores |
Limites |
Penalidades |
|
Distribuição |
Distorção
Harmônicas |
Sim |
Não |
Não |
|
Desequilíbrio Tensão |
Sim |
Não |
Não |
|
|
Flutuações
de Tensão |
Sim |
Não |
Não |
|
|
Variações de Tensão |
Não |
Não |
Não |
Fonte: OLIVEIRA,
MACEDO JUNIOR e DELAIBA (2014,
p.9)
Diferente dos procedimentos de distribuição que não possuem
limites, os procedimentos de rede declaram os limites
estabelecidos, porém sem penalidades diretas, são estabelecidos ape- nas obrigações para a correção
das divergências encontradas em relação aos diversos indicadores. O quadro 2 apresenta uma síntese do procedimento de rede.
Quadro 2 - Procedimentos de Rede
|
Documento |
Indicador |
Valores |
Limites |
Penalidades |
|
Rede |
Distorção
Harmônicas |
Sim |
Não |
Indiretas |
|
Desequilíbrio Tensão |
Sim |
Não |
Indiretas |
|
|
Flutuações
de Tensão |
Sim |
Não |
Indiretas |
|
|
Variações de Tensão |
Não |
Não |
Indiretas |
Fonte: OLIVEIRA,
MACEDO JUNIOR e DELAIBA (2014,
p.9)
A IEC(International Electrotechincal Comission)segundo Oliveira, Macedo Junior, De- laiba(2014)
é uma organização mundial de normatização, cujo objetivo é colocar em evidência as questões relativas a normas,
recomendações e orientações no contexto elétrico e eletrônico. Com este propósito, a IEC publica
documentos para uso internacional, os quais se encontram no formato
de normas, relatórios técnicos e manuais. No que diz respeito a aspectos
relacionados à qualidade de energia
elétrica, esta entidade disponibiliza uma série de documentos que dis- cute a definição dos fenômenos e seus
respectivos indicadores, proposição de valores limites e apresentação de procedimentos e protocolos para a medição
e avaliação de desempenho.
Conforme a norma IEC 61000-3-2 de 2009 -
Limits for harmonics current emissions (equipament input current ≤ 16 A per phase) esta parte da norma trata
da limitação de correntes harmônicas injetadas na rede pública do
sistema de abastecimento, como também especifica limites de componentes harmônicos da corrente
de entrada. Esta norma é aplicável a equipamen- tos elétricos e eletrônicos com corrente
de entrada de até 16A por fase e destina-se a ser ligado ao sistema de distribuição de baixa tensão.
Segundo Furtado, Saraiva e Antunes(2014) a IEC
61000-3-4 de 1998 - Limitation of emission
of harmonics currents
in low-voltage power supply systems
for equipament with rated current
greater than 16A:
É uma recomendação técnica direcionada a equipamentos elétricos
e eletrônicos que se caracterizam por ter uma corrente
nominal superior a 16 A por fase e são alimentados por sistemas de distribuição em corrente alternada
com as seguintes características: tensão nominal de até 240 V, monofásica, dois ou três fios; tensão nominal de até 600 V, trifásico, a três ou quatro fios: frequência nominal
de 50 HZ ou 60 HZ.
A norma IEC 61000 -3-4 de 1998 (Tabela 1) foi substituída pela norma IEC 61000 -3-12
de 2011, porém a parte referente a
porcentagem do máximo de harmônicos em circuitos trifásicos balanceados com corrente passante
entre 16A até 75A, continuam a mesma. Esta norma será utilizada como referência na parte prática
do projeto.
Tabela 1 – Norma IEC 61000-3-4 Harmônicas Máxima Porcentagem
3o 21,6%
5o 10,7%
7o 7,2%
9o 3,8%
11o 3,1%
13o 2%
15o 0,7 %
Fonte: NASCIMENTO (2014,
p.27)
Os harmônicos são injetados na rede por
dispositivos eletrônicos chamados de não lineares
e dependendo do nível destes distúrbios podem aparecer problemas, como fator de potência baixo, ruídos na rede elétrica.
Por isso a importância de estudar e avaliar o filtro tipo choke, pois cada projeto será único e cada
planta industrial possui um determinado tipo de intensidade dos harmônicos.
Deste modo, podemos considerar que todos os fenômenos que deformam a onda senoidal
fazem parte do objeto de estudo sobre qualidade de energia. "A qualidade de energia elétrica
é um conceito
guarda-chuva, que abrange
uma variedade de fenômenos eletromagnéticos que levam ao desvio na forma de onda da tensão e corrente"(LEÃO, SAMPAIO
e ANTUNES, 2014,p.1). Segundo Ribeiro(2017)os harmônicos não são distúrbios exclusivos
só da indústria, mas também das residenciais e dos estabelecimentos comerciais, pois os distúrbios harmônicos são o resultado da interação entre a carga e a fonte. Foi visto anteriormente que independente do setor em que se trabalhe, os distúrbios harmônicos
resultam em custos aos consumidores, pois estes
alteram o valor do fator de potência.
O conceito de filtros tem tido um parte fundamental na evolução da engenharia elétrica, pois várias realizações tecnológicas não seriam possíveis sem a
existência dos filtros elétricos. Um circuito
é um filtro passivo se for formado
apenas por elementos passivos R, L e C, e diz-se
que um filtro é ativo se ele for formado
por elementos ativos como transistores e amplificadores operacionais, além dos elementos
passivos R, L e C (ALEXANDER, SADIKU,2013).
O primeiro
tipo a ser analisado são os filtros passivos que podem ser classificados quanto ao modo de ser ligado a rede elétrica,
pois podem ser ligados em série ou paralelo. O filtro série
atua como um circuito de bloqueio para uma determinada
frequência, cujo o maior desejo é de impedir que certas frequências possam passar para o equipamento ou rede elétrica.
Conforme Leão, Sampaio e Antunes (2014)
o filtro paralelo ou shunt pode ter um dos seus terminais aterrado, com o objetivo de orientar parte
da corrente de harmônico da carga para o filtro
e assim reduzir
a corrente de harmônico que circula pela rede elétrica.
Ou seja, neste tipo de filtro já não há a preocupação com a
corrente passante, pois as correntes de harmônicos são desviadas para terra
e se tornam algo bem mais atrativo
para qualquer tipo planta industrial.
Segundo (Leão, Sampaio
e Antunes, 2014,p.290) "O filtro é formado por uma indutância e capacitância em paralelo,
com ação semelhante a uma bobina de bloqueio. Essa é uma solução cara e raramente
utilizada, tendo como principal fator
negativo o fato de o filtro transportar toda a corrente
passante no ponto
do sistema em que é instalado ."
O indutor é
uma bobina de fio que permite que um campo magnético se forme ao redor da bobina quando a corrente
flui por meio dela. Quando
energizado, é um imã elétrico
com a força do campo sendo
proporcional ao fluxo de corrente e ao número de espiras. Um determinado valor de indutância terá uma impedância maior em frequências mais elevadas. Assim,
podemos relatar que os
reatores limitam a taxa de aumento da corrente (ROCKWEEL AUTOMOTION, 2018).
Segundo
Ortamnn(2008), uma forma de limitar
os elevados picos de corrente
e a conse- quente distorção dos harmônicos é a inserção de um
indutor após o conversor. Este procedimento diminui consideravelmente os picos de corrente e, assim, diminui
a taxa de distorção das corren- tes e aumenta
o fator de potência. As principais desvantagens desta técnica são, grande volume
do indutor, em função da componente que circula pelo mesmo, objeção ou
impossibilidade de instalação e possibilidade de ressonância entre o indutor
e o banco de capacitores.
Uma outra alternativa, de acordo com
Ortmann(2008), é a colocação de indutores na
entrada do conversor, um indutor em cada fase da ligação. Os picos da
corrente passante são igualmente diminuídos e também reduz a distorção
das correntes dos harmônicos, sendo que há perdas em função deste
tipo de ligação,
como valores elevados
de indutância que podem defasar
bastante as correntes
das tensões especificas e ao mesmo
tempo provocam a diminuição do fator de potência.
Como descrito anteriormente o filtro com ligação em série possui algumas vantagens
e desvantagens, mas como o projeto em questão refere-se a um motor de
baixa potência, a viabilidade e a facilidade em executar este tipo de
projeto pode ser um atrativo a parte. Pressupõe- se que em um sistema mais complexo este filtro não seria
o mais adequado, em função da corrente passante
ser elevada.
Segundo Furtado, Saraiva e
Antunes(2014,p.261)"Distorção harmônica está presente, em maior ou menor proporção,
em todos os sistemas de potência. Em geral, os harmônicos de
tensão e corrente devem ser
mitigados somente quando ultrapassam os limites normatizados e se tornam um problema."
A medição de
grandezas elétricas é de grande valor para as concessionárias e consumido- res, a partir dela indicadores são apurados para permitir o acompanhamento do desempenho e da conformidade das funções dos equipamentos elétricos. As harmônicas são caracterizados como
fenômenos de estado permanente à semelhança do desequilíbrio de tensão e
da flutuação de tensão,
já que estão presentes enquanto
o equipamento que gera as harmônicas esta em operação.
A questão da geração, propagação e efeitos
de harmônicas nas redes elétricas de potência, tem na atualidade se firmado como um dos mais expressivos fatores responsáveis
pela perda de qualidade da energia elétrica. O assunto cresce em importância à medida que os dispositivos
não lineares ocupam cada vez mais espaços no setor elétrico. Neste contexto, a
preservação da qualidade de energia se faz necessário (APOLÔNIO, et al, 2003).
3
METODOLOGIA
Foi realizada uma pesquisa bibliográfica
e um estudo pautado na leitura das grandezas
elétricas e dos distúrbios harmônicos a
fim de escolher a potência e a indutância do transformador tipo choke correto. A medição foi
feita em um analisador e multimedidor elétrico DMI-T50T, desenvolvido e fabricado pela ISSO telecom LTDA. O aparelho
constitui de uma plataforma completa
de telemetria elétrica e informações de consumo. Este DMI-T50T possui uma web embarcada, ou seja, um supervisório
integrado via conexão ethernet nativa. Basta ligar os medidores e ter acesso a internet para que seja feita à análise
da máquina. Na Figura 1 são apresentados os valores das grandezas elétricas, como, tensão, corrente, potência ativa, potência
reativa e os valores do fator de potência de cada fase. Estas grandezas elétricas são importantes, pois determinam qual a condição
real de consumo
da máquina.
Tensão Corrente P. Aparente FP. Total FP. Fase 1 FP. Fase
2 FP. Fase 3
Figura 1 - Valores das grandezas elétricas.
|
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|
|
|
||||
|
|
Potência |
Potência aparente |
Potência reativa |
||||
|
|
Tensão Corrente ativa |
||||||
Fonte: própria,
2018
A Figura 2 visa mostrar como é a forma
de onda feita pelo analisador de energia DMI-
T50T. A telemetria do gráfico
abaixo mostra como deve ser a forma
de onda de um motor
ou de uma rede elétrica sem a presença de distúrbios harmônicos. Este
formato de onda senoidal é o tipo ideal para uma rede elétrica
e para um motor de indução.
Figura 2 - Gráfico
da corrente da fase sem harmônicos.
Fonte: própria,
2018.
A Figura 3 visa mostrar que o analisador
de energia faz uma telemetria totalmente diferente da figura acima.
A nova aparência de onda é formada
quando o inversor
de frequência da máquina aciona o motor principal. A presença de distúrbios na forma de onda faz com que o formato
de onda não seja mais senoidal, podendo
prejudicar a planta
industrial.
Figura 3 - Gráfico
da corrente de fase 1 com harmônicos.
Fonte: própria,
2018
O analisador DMI-T50T
registrou o valor
dos harmônicos de 5a e 7a
acima do permitido pela norma
IEC 61000-3-12 de 2011, e são esses harmônicos que devem ser atenuados, pois possuem a maior intensidade de corrente
elétrica. A Tabela 2 demonstra a intensidade dos harmônicos de corrente e a porcentagem de cada harmônico do
gráfico acima. O estudo visa a atenuar
as intensidades dos harmônicos registrados em vermelho(5o e 7o
harmônicos), pois a corrente desses
harmônicos são maiores
que as demais correntes e estão acima do que determina a norma IEC-61000-3-12 de 2011.
1o 100% 32,42A 3o 1,41% 0,303A 5o 16,48% 5,354A 7o 14,92% 4,847A 9o 0,84% 0,272A 11o 6,08% 1,975A 13o 4,22% 1,371A 15o 0,37% 0,120A 17o 0,38% 0,123A 19o 1,24% 0,402A
Tabela 2 – Valores dos harmônicos do gráfico acima Harmônicas Valor Porcentagem Valor da Corrente
Fonte: própia,
2018.
A pesquisa
visa demonstrar a tentativa de atenuação desses harmônicos conforme os índi- ces de porcentagem da norma IEC 61000 3-12
de 2011, esta norma faz referência a equipamentos que possuem uma corrente passante entre 16A
e 75A. A Distorção Harmônica Total(DHT) é a
medida do grau de distorção de uma onda em relação
a uma senoide pura, sendo seu valor nulo quando
o sinal não apresenta componentes harmônicos.
O cálculo da distorção total
para tensão em % é obtido através
da equação (2).
q∑∞ V 2
DHTv
= i/=1 h x 100% (2)
V1
DHTv = Distorção Harmônica Total da Tensão
Vh = amplitude dos componentes harmônicos individuais (Valores eficazes)[V] h = ordem
harmônica
V1 = Valor eficaz
da tensão fundamental[V]
Uma vez que esses dados são analisados é
possível obter outros valores, como, o valor
eficaz verdadeiro da corrente da fase 1, a corrente residual e a
distorção harmônica total da corrente de fase 1. Os cálculos
abaixo foram reescritos segundo a norma
IEEE. Std. 1459, 2010 e visa a demostrar como os dados
da figura 2 foram obtidos
pelo analisador de energia.
Utilizando os dados da Tabela 3 é
possível calcular a distorção harmônica total da cor- rente através da equação(3):
DHTi = 1 x r+I2
+ I2 + ∑ I2
(3)
Onde,
Irms, 1
rms,5
rms,7
3,9,13,15,17,19
rms
DHTi = Distorção Harmônica Total da Corrente
Irms,1 = Valor da corrente eficaz ou fundamental Irms,5 = Valor da corrente eficaz do harmônico de
5a Irms,7 = Valor da corrente eficaz
do harmônico de 7a
∑h I
2
rms
= Somatório
das correntes eficazes
dos harmônicos
Com os dados da Tabela 2, o valor do DHTi é dado em porcentagem
DHTi = 26,
29%
Uma vez calculado
o valor da distorção total harmônica de corrente. Pode-se
calcular o valor da corrente
verdadeira em função da distorção total harmônica. Este valor é necessário para que se possa ter uma ideia da corrente
total do circuito. O analisador de energia não efetua este tipo de cálculo. Abaixo
é apresentada a equação segundo
a norma IEEE Std. 1459, 2010.
Valor da corrente total em função
do DHTi é definida de acordo com a equação
(4):
rms,1
Irms = qI2
Irms = q32, 492
x (1 + DHT 2) (4)
1
x (1 + 0, 26292)
rms,1
Sendo
Irms,1 a corrente eficaz
obtida pelo analisador e DHTi o valor da distorção total da harmônica de corrente.
Irms = 33, 59A
Uma vez que o valor verdadeiro da corrente do circuito é obtido, pode-se
calcular o valor da
corrente residual. Com este valor também pode-se calcular o valor da Distorção
Total da Harmônica de Corrente(DHTi).
abaixo é apresentada a equação segundo a norma IEEE Std. 1459, 2010.
O valor da corrente
residual é definida
de acordo com a equação
(5):
rms
IH = qI2
Irms = q33, 592
2
— I
rms,1
— 32, 492
(5)
rms
Irms,H = 8, 406A
rms,1
Segundo
a Rockwell Automation em seu artigo
line Reactors and AC Drives,
um reator ligado na entrada do inversor conforme o
diagrama elétrica da Figura 4, reduz os picos da corrente de linha. Isso torna a forma de onda da corrente mais
senoidal, diminuindo o nível harmônicos em 35% quando
um reator de tamanho adequado
é instalado. Este resultado é bom para os capacitores de filtro DC. Já um
reator instalado na saída do inversor de frequência deve-se atentar para certas
condições, pois segundo a Rockwell Automotion, um reator é às vezes instalado para evitar um pico de
tensão de onda refletida quando for necessários longos cabos até a ligação
do motor. Isso nem sempre é uma boa prática,
pois mesmo que o reator
diminua o tempo de subida da tensão,
proporcionando algum benefício, não é provável que isso limite a tensão de pico do motor.
O estudo
consiste em ligar os dois indutores a fim de verificar com o analisador de
energia se houve
uma diminuição nos harmônicos mais prejudiciais a qualidade da energia
elétrica. A figura 4 representada abaixo
visa mostrar como será feita a ligação
entre os filtros
tipo choke e o inversor de frequência.
Figura 4 - Diagrama
elétrico.
220V
0,8mH
250VA
Fonte: própria,
2018.
Segundo
Leão, Sampaio e Antunes (2014)
há várias formas
para a mitigação dos harmô-
nicos,
mas nem todas são adequadas
para um determinado problema. Cada segmento da indústria ou
rede elétrica necessita de uma maneira
para que o resultado final seja satisfatório. Uma vez analisada a
intensidade da corrente dos harmônicos através do analisador de energia DMI- T50T. O objetivo é calcular a impedância
do indutor tipo choke tanto da entrada quanto da saída do inversor. Para isso será verificada a corrente
transitória da entrada do inversor de frequência e a corrente do motor. A Tabela 3 mostra os dados do inversor
de frequência, este mo- delo não é mais fabricado e as informações foram retiradas da página 38 do manual do fabricante.
Tabela 3 – Dados do inversor
de frequência da Telemecanique
|
Modelo Inversor |
Corrente de Corrente de linha-200V linha-240V |
Corrente de saída
(In) |
Corrente Transitória |
Potência do inversor |
|
ATV18U72M2 |
20,4A% 18,8A |
16,4A |
24,6A |
4KW |
O cálculo da indutância dos reatores
serão obtidos por meios dos dados acima e terão como referência a intensidade da corrente transitória de saída do inversor de frequência. Segundo
a (Rockwell Automotion) a experiência mostra que um choke de 3%
(três por cento) é normal- mente
suficiente para reduzir os harmônicos no motor, e o de 5% para reduzir os
harmônicos no inversor de frequência. A impedância entre o inversor
e o motor, é determinado pela divisão entre o quadrado
da tensão de linha da máquina e a potência
aparente do inversor
de frequência. A parte referente a potência aparente S,
é determinada pelo produto da tensão de linha pela corrente transitária do inversor de frequência, que no caso é 21A e pela raiz quadrada
de três por se tratar
de um sistema trifásico. O valor obtido
da tensão de linha foi de 220 volts e o valor da
corrente elétrica
foi determinado pelo manual do inversor de frequência.
A impedância de referência para calcular a reatância do reator do motor é definida de acordo com a equação
(6):
=
Z V 2 (6)
S
Onde V e S são respectivamente a tensão
de linha da máquina e a potência aparente do inversor de frequência.
Z = √
2202
3 x 220 x 21
O valor da impedância obtido foi de 6,048 ohms.
Z = 6, 048 Ω
Uma vez que esta informação é obtida,
pode-se calcular a reatância do indutor que será ligado ao motor. O valor da impedância percentual é determinado
pelo produto da impedância obtido
anteriormente pela porcentagem de três por cento, que foi determinado pela
Rockweel Automotion segundo experiências capaz de reduzir os harmônicos de corrente
entre o inversor e o motor. A reatância do indutor é determinada pela divisão entre o valor da impedância percentual e frequência angular.
Reatância do indutor que será ligado
ao motor é definida de acordo com a equação
(7):
Onde:
Z = impedância do reator
2π = uma constante dada em radianos
f = frequência da rede elétrica
em 60Hz
L = 0, 03 x Z
2π f
(7)
L =
0,03 x 6,048
2π x 60
O valor obtido
da reatância do indutor que será ligado
entre o inversor de frequência e o motor foi de 0,480 mH.
O resultado obtido da impedância do
inversor, que foi de 6,048 ohms, será usado nova- mente para calcular a
reatância do indutor que será ligado na entrada do inversor. A porcentagem usada para o calculo
do indutor será de 5% (cinco por cento). O valor da impedância percentual da entrada do inversor é determinado pelo produto da
impedância, que foi de 6,048 ohms pela porcentagem de cinco por cento, que foi determinado pela Rockweel Automotion segundo
experiências capaz de reduzir
os harmônicos de corrente na entrada do inversor de frequência. A reatância
do indutor que será usada na entrada do inversor é determinada pela divisão
entre o valor da impedância percentual e frequência angular, onde 2pi é uma
constante, e f é a frequência da rede elétrica, que no caso é de 60Hz.
Reatância do indutor
que será ligado
ao inversor de frequência é definida de acordo com a equação
(8):
Onde:
Z = impedância do reator
2π = uma constante dada em radianos
f = frequência da rede elétrica
em 60Hz
L = 0,
05 x Z
2π f
(8)
L =
0,05 x 6,048
2π x 60
O valor
obtido da reatância do indutor que será ligado na entrada do inversor de
frequência foi de 0,80 mH.
Uma vez que
os cálculos dos indutores foram obtidos é importante salientar que segundo a Rockwell Automotion, um reator não é
projetado para resolver todos os distúrbios de harmônicos, mas pode evitar
certos problemas quando aplicado de forma eficaz. Na maioria das vezes, um reator na entrada ou saída não é algo
requerido. Os reatores podem ser úteis para fornecer algum buffer de linha ou adicionar impedância, especialmente para inversores sem bloqueio de barramento
CC. Para unidades pequenas, elas podem ser necessárias para impedir os picos de corrente
ou reduzir os harmônicos de corrente quando várias unidades pequenas estão
localizadas em uma única instalação.
Na saída, eles devem ser usados apenas para corrigir a baixa indutância do
motor e não servir como dispositivo de proteção do motor.
4
ENSAIO DE CAMPO
O estudo foi
realizado em uma indústria situada no município de Araraquara - SP, e visa contemplar se é possível
a melhoria da qualidade de energia em uma máquina
de fabricação de cigarros.
A máquina possui alguns motores que são acionados por partida direta, sendo que
o motor principal de 3,7KW/220V é acionado via inversor de frequência.
Figura 5 -Painel
da máquina em estudo.
Fonte: própria,
2018.
Conforme a figura 5, devido a falta de espaço físico
foi instalado um painel a parte para os reatores
tanto da entrada
quanto da saída do inversor
de frequência.
A Tabela 4 visa demonstrar que os reatores
tipo choke reduziram a distorção dos harmô- nicos de corrente de 7a, porém
não foi suficiente para atenuar de forma satisfatória as corrente dos harmônicos de 5a, pois como
a carga da máquina é desbalanceada, a correção da distorção do harmônica de 5a variava
também, tanto para mais quanto para menos de 10%. A pesquisa visou demonstrar que é possível atenuar os
harmônicos de forma que a porcentagem ficasse
abaixo do permitido
pela norma da IEC 61000-3-12 de 2011, que é de 10%.
Tabela 4 – Comparativo dos dados obtidos
pelo analisador de energia
|
Referência DHTi |
Corrente dos harmônicos
5a |
Corrente dos harmônicos
7a |
|
Sem Reator 23,58% |
16,48% |
14,92% |
|
Com Reator 13,45% |
11,76% |
5,71% |
A figura 6 visa a demonstrar que o
formato da onda de corrente da máquina melhorou, porém ainda esta longe de ser uma onda em forma mais senoidal.
Figura 6 - Gráfico da corrente de fase 1 com indutores ligados ao circuito.
Fonte: própria,
2018
5
CONCLUSÃO
O estudo revelou que o reator tipo choke
atende a certos requisitos, como a diminuição
dos componentes harmônicos de 7a, e a corrente de pico do
motor, porém, como a carga é desbalanceada, a mitigação com indutores tipo choke não é tão eficaz ao ponto de reduzir as componentes dos harmônicos de 5a
abaixo do que exige a norma da IEC 61000-3-12 de 2011. A correção da forma da onda da corrente dos componentes
harmônicos de 5a deixou um pouco
a desejar. Diante disto, conclui-se que as análises dos componentes dos
harmônicos de corrente de 5a ordem,
apresentou valores um pouco acima,
justificando assim, a necessidade de implementação de filtros para que a mitigação seja mais eficiente.
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