VI SBQEE. 21 a 24 de agosto de 2005 Belém Pará Brasil

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1 VI SBQEE 21 a 24 de agosto de 2005 Belém Pará Brasil Código: BEL Tópico: Aplicação de Novas Tecnologias UMA ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS PRINCIPAIS TECNOLOGIAS EXISTENTES E A NOVA TECNOLOGIA DYSC PARA CORREÇÃO DE PROBLEMAS CAUSADOS PELOS AFUNDAMENTOS DE TENSÃO EM PROCESSOS INDUSTRIAIS DEEPAK DIVAN GEORGIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY USA FLÁVIO RESENDE GARCIA IESA ALEXANDRE CARVALHO NAVES IESA RESUMO Este artigo contempla uma comparação entre os principais tipos de tecnologia para solução de problemas de qualidade de energia, com foco nos afundamentos de tensão, que estão hoje comercialmente disponíveis no mercado, tais como: UPS com baterias, Dynamic Voltage Restorer (DVR ) flywheels, supercondutores magnéticos e uma nova tecnologia chamada Dynamic Sag Corrector ou DySC a qual será discutida em detalhe neste artigo. Mostrar-se-ão também casos reais de aplicação deste dispositivo em processos industriais críticos alimentados ou não por sistemas elétricos especiais, bem como a influência do porte da carga a ser protegida e do ponto de aplicação destas soluções de QEE. PALAVRAS-CHAVE Afundamentos de Tensão Produção Cargas Confiabilidade Sensibilidade Qualidade de Energia. 1.0 INTRODUÇÃO É cada vez mais visível que os diversos sistemas de fabricação com cargas críticas tais como semicondutores, eletrônica, automóveis, plásticos, máquina com CNC (controle numérico computadorizado), e outros envolvendo processos automatizados como o processamento de alimentos, estão muito suscetíveis a distúrbios que ocorrem na rede elétrica. Até mesmo a variação brusca na tensão por um período de até 01 quarto de segundo pode causar o desligamento de uma máquina ou de todo um processo fabril por horas, causando perda de material e de produtividade, e longos tempos para se reinicializar tal processo. Reconhecendo a susceptibilidade destas cargas a distúrbios na rede elétrica, muitos fabricantes de alta tecnologia têm obtido conexões especiais (também chamadas premium ) nas concessionárias de energia elétrica usando alimentadores duplos e independentes de distribuição, conexão direta à rede de transmissão em alta tensão, ou mesmo uma rede elétrica bem malhada e com alto grau de confiabilidade. Tais tipos de conexão ao sistema elétrico praticamente eliminam desligamentos por falta de energia e normalmente atingem níveis muito altos de confiabilidade e disponibilidade. Porém, variações de tensão de curta duração (VTCD), em particular os afundamentos de tensão, não podem ser eliminados, até mesmo nas redes elétricas mais robustas e seguras, e constituem os mais significantes problemas de qualidade de energia elétrica atualmente em evidência, pois levam a grandes perdas econômicas. Este artigo cobre os vários tipos de soluções de qualidade de energia comercialmente disponíveis no mercado, incluindo sistemas de armazenamento de energia a base de: baterias convencionais ( UPS ), energia cinética ( Flywheel ), supercondutores magnéticos IESA Projetos, Equipamentos e Montagens S/A e SoftSwitching Technologies Rodovia Manoel de Abreu, km 4.5, CEP: Araraquara SP. Telefone: (16) Fax: (16) flavio.garcia@iesa.com.br

2 180 ( DSMES ) e os dispositivos dinâmicos para correção de afundamentos de tensão ( DVR e DySC ), e apresentará uma comparação entre essas várias tecnologias utilizadas. A solução denominada DySC é uma solução nova e será discutida em maior detalhe ao longo deste artigo e serão mostradas várias aplicações industriais alimentadas por circuitos normais de distribuição ou através de circuitos especiais ou premium, bem como os prós e contras da proteção geral da planta versus a proteção localizada dos equipamentos críticos. 2.0 CONFIABILIDADE VERSUS QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA: De acordo com o EPRI (Instituto de Pesquisa de Energia ) e o DOE (Departamento Norteamericano de Energia), problemas causados por confiabilidade de fornecimento e qualidade de energia custam anualmente cerca de 150 a 190 bilhões de dólares às indústrias americanas em perda de produtividade e tempo de parada de produção. Resultados dos estudos de qualidade de energia na distribuição realizados pelo EPRI surpreenderam todo o setor de tecnologia em energia elétrica, mostrando que somente 3% de eventos ocorridos no sistema de distribuição de energia elétrica eram devidos a falta de energia, e que a grande maioria dos eventos eram perturbações de curta duração. Em países com uma maior confiabilidade da rede distribuição, a percentagem de eventos que representam desligamentos (ou falta de energia) é ainda menor. Porém, tanto para todos os clientes, alimentados por um sistema de distribuição radial normal, quanto para os alimentados por um sistema de distribuição premium, um problema parece ser constante: o de tempo de parada de processo causado por eventos de qualidade de energia de curta duração. 2.1 Conceito High 9 s : Atualmente um conceito denominado High 9's para processos industriais críticos está recebendo atenção crescente. Quanto maior a quantidade de noves que o processo fabril recebe mais confiável é o sistema elétrico que o alimenta, ou seja, um sistema com 02 noves equivale a 99% de disponibilidade e um sistema com 05 noves representa um sistema elétrico com 99,999% de disponibilidade do sistema alimentador. Tal conceituação tem ajudado na distinção entre os problemas de confiabilidade de fornecimento e qualidade de energia permitindo uma melhor compreensão dos mesmos. Fábricas com linha de produtos de maior valor agregado, como por exemplo, semicondutores e automóveis, são servidas freqüentemente por uma rede elétrica especial ( premium ) em malha ou com duplo circuito de distribuição independente entre si, e possuem um alto grau de confiabilidade equivalente a 07 noves, ou seja, 99,99999% de confiabilidade do sistema alimentador destas cargas. Não obstante, se seus processos de fabricação podem ser interrompidos por um afundamento de tensão de menos de um quarto de segundo, é muito provável que tal processo tenha um grau de confiabilidade de apenas 99% a 99.9%, isto é, dois a três nove's (veja Tabelas 1 e 2). Tabela 1 Eventos de QEE em uma Rede Normal. Eventos na Rede Padrão 25 eventos por ano: sendo 22 em ¼ de segundo, 1 em 2 s, 1 em 5 minutos, 1 em ½ hora. REDE NORMAL Nível de Confiabilidade da Rede 2107 segundos total/ano, 99.99%, 4-noves. Perda de Produção 1 Hora de Parada por evento 25 Horas totais de parada/ano, 99%, 2-noves. Sem proteção Cargas Típicas nesta Rede Plásticos, PCs, Máquinas, Têxteis, Residenci ais. 92% dos Eventos protegidos com o DySC. 2 eventos/ano com 2 horas totais de parada por ano, 99.9% de Tempo de Operação do Processo 3-noves Tabela 2 Eventos de QEE em uma Rede Premium. Eventos na Rede Premium 10 eventos por ano, de 0.25 segundos cada. REDE PREMIUM Nível de Confiabilidade da Rede 2.5 segundos total/ano, %, 7-noves. Perda de Produção 1 Hora de Parada por evento 10 Horas totais de parada por ano, 99%, 2-noves. Sem Proteção 100% dos Eventos protegidos com o DySC 100% de Tempo de Operação do Processo 9-noves Cargas Típicas nesta Rede Fábricas de Semicondutores, Automóveis, Fibras Ópticas, Cabos, Informática, Processos Contínuos. Como desligamentos de energia longos são raros, particularmente em clientes conectados a redes elétricas premium, tais aplicações industriais requerem apenas suportabilidade para distúrbios de energia de curta-duração, tais como os afundamentos de tensão, para atingir alto grau

3 181 de confiabilidade (conceito high 9's). Tal fato tem um impacto significante no tipo de solução de qualidade de energia a ser adotada em um processo industrial. As soluções tradicionalmente utilizadas consistem na aplicação de sistema UPS on-line com um possível gerador de reserva, o que é considerada uma solução cara. Considerando que a própria bateria do UPS tem uma vida útil de 2 a 5 anos (com uma forte necessidade de monitoramento e exigências de manutenção) e tem uma confiabilidade mais baixa que o sistema elétrico, não é surpreendente que a indústria de semicondutores tenha elaborado a norma SEMI F47 para susceptibilidade a afundamentos de tensão dos equipamentos utilizados na fabricação de semicondutores, e que estes requisitos devem ser atingidos sem o uso de baterias (veja Figura 1). Figura 1 - O Equipamento DySC e a Norma SEMI F47 da Indústria de Semicondutores. Para as aplicações industriais com alta tecnologia envolvida no processo, a norma SEMI F47 define uma nova maneira de atender todas as exigências de qualidade de energia elétrica em sistemas elétricos industriais sensíveis. 3.0 SOLUÇÕES DE QUALIDADE DE ENERGIA SEM A UTILIZAÇÃO DE BATERIAS: Como a característica da tensão nas concessionárias de energia elétrica está sendo melhor compreendida com os diversos estudos realizados, a necessidade de soluções de qualidade de energia sem a utilização de bateria se tornou mais premente. A solução tradicional (UPS com baterias) opera com a detecção de um distúrbio elétrico, isolando a carga da rede e alimentando esta carga com a energia armazenada na bateria. Novos modos de solução para qualidade de energia substituem a bateria por outros meios de armazenamento de energia. Vários produtos estão disponíveis atualmente no mercado incluindo sistemas de armazenamento de energia a base de supercondutores (com valores nominais de a 2 a 10 megawatts), de flywheel (com valores a partir de 500 quilowatts e acima), de ultracapacitores (com valores nominais até 5 kva), e de capacitores eletrolíticos (com valores nominais até 1 kva). Como as baterias representam o mais baixo custo de armazenamento de energia, não é nenhuma surpresa que todas estas soluções custem mais que os sistemas a base de baterias. E, além do fator custo, as novas tecnologias de armazenamento apresentaram problemas de confiabilidade, tais como nos rolamentos de esfera em sistemas de utilizando flywheels e nos sistemas criogênicos em para o armazenamento de energia a base de supercondutores. Soluções alternativas que não usam energia armazenada, mas sim o condicionamento desta energia, inclui o transformador de série com injeção de tensão tal como o DVR ou restaurador dinâmico de tensão, que possui valores nominais típicos de 2 a 10 MVA em 15 kv, e sistemas que reconstroem a onda de tensão tais como o DySC ou corretor dinâmico de afundamentos de tensão, com valores nominais de 0.25 a 3000 kva e nas tensões de 110 V a 480 V. O DySC é a mais recente solução disponível no mercado, que consiste em um dispositivo serie/shunt híbrido que protege cargas sensíveis de afundamentos de tensão e de interrupções momentâneas. Com valores nominais que variam de 250 VA a mais de 3,000 kva, o DySC pode ser aplicado no ponto de utilização da carga sensível dentro de uma planta, ou até mesmo dentro deste equipamento sensível. O DySC atinge e excede as exigências da norma SEMI F47 (veja na Figura 1 a faixa de proteção do DySC em azul). As figuras 2 e 3 mostram os diagramas esquemáticos e as diferenças básicas entre o DVR e o DySC, duas das soluções mais maduras em uso atualmente. Optional Figura 2 Diagrama Unifilar do DVR.

4 182 Figura 3 Diagrama Unifilar do DySC. O dispositivo DySC opera em modo de bypass estático até que um afundamento de tensão ou interrupção é detectado. A chave estática de bypass é então comutada pelo inversor e a tensão do inversor é injetada efetivamente em série com a linha de ac de entrada. No caso de um afundamento de tensão até 50% da tensão nominal, o DySC pode, em princípio, prover 100% da tensão de alimentação indefinidamente sem qualquer sistema de armazenamento de energia significativo e sem o transformador série do DVR. Para uma perda completa da tensão de alimentação, o DySC provê de 3 a 12 ciclos de suporte de tensão, limitada pela quantia de energia armazenada nos capacitores da barra de corrente contínua. O DySC foi projetado para prover até 2 segundos capacidade de correção afundamentos de tensão por minuto de operação, o que é mais que suficiente para atingir a maioria eventos de qualidade energia encontrados nas redes de distribuição de energia elétrica. A Tabela 3 resume os vários aspectos da proteção obtida pelos diversos tipos de soluções de qualidade de energia que estão comercialmente disponíveis atualmente. Tabela 3 Comparação entre as soluções de qualidade de energia atuais. Tecnologia Potência e Tensão Máxima Norma SEMI F47 Tempo de Correção Máximo Susceptibilidade Extendida Custo do Equipamento UPS DVR DSMES FLYWHEEL DySC Bateria e Capacitor e Supercondutores Energia Cinética Eletrônica de Eletrônica de Eletrônica de e Eletrônica de e Eletrônica de Potência Potência Potência Potência Potência 0 a 2 MW e até 480 V 2 a 10 MW e 4 a 15 kv 2 a 5 MW e de até classe 15kV Sim Não Não 0.2 a 1.5 MW e até 480 V Não atende Depende Atende Atende 0.5 a 15 minutos Depende 02 segundos 15 segundos Médio Médio Alto Custos de Operação Alto Baixo Médio Eficiência de Operação 92% 98% 98% Componentes Sistema de Baterias Capacitores Críticos - Vida Útil Criogenia Manutenção Alto Baixo Médio Sim Alto Alto 0 a 3 MW e até 480 V Atende 2 a 3 segundos Não Baixo Baixo 92 a 95% 99% Rolamentos de Esferas Médio Ventiladores Baixo 4.0 A INFLUÊNCIA DO LOCAL DE INSTALAÇÃO NAS SOLUÇÕES PARA QEE: Uma consideração importante e que possui forte impacto no retorno do investimento nas soluções em QEE é o melhor forma para se proteger um processo ou carga sensível. Dois modos distintos sobressaem: proteção geral da fábrica, tipicamente com dispositivos de média tensão e valores nominais de 2 a 10 megawatts (DVR e SMES). proteção no ponto de utilização, tipicamente com dispositivos de 120 a 480 volts e valores nominais de 250 watts a 3000 quilowatts (DySC). O uso de proteção geral da fábrica parece atraente à primeira vista: a planta inteira é protegida. Porém, como somente 20-30% da carga de uma planta é considerada sensível, este tipo de proteção contra problemas de qualidade de energia resulta em uma solução mais cara do que a realmente necessária. Adicionalmente, estas unidades em média tensão não podem proteger as cargas sensíveis de afundamentos de tensão causados por falhas em outras áreas não críticas dentro da instalação. A tecnologia do DySC possui uma ampla família de produtos (ver Figura 4) tornando possível à proteção ótima e customizada a ser aplicada em uma determinada carga ou processo crítico de uma instalação elétrica. É interessante notar que não existe solução padrão, e que a escolha correta envolve a análise de muitos fatores, tais como local de instalação, processo ou carga a ser protegido, custos, etc. Em uma instalação onde o projetista do equipamento ou do processo tem total flexibilidade de escolha, é possível em princípio, que todos as cargas/processos sensíveis serem completamente imunes a afundamentos de tensão na rede elétrica. Porém, como ainda não há nenhuma norma exigindo uma susceptibilidade padrão dos equipamentos e processos a afundamentos de tensão, ocorre uma variação nesta susceptibilidade, até mesmo para produtos semelhantes do mesmo fabricante. MINIDySC Single Phase 250VA 28 kva PRODySC Three Phase 9kVA 3,000 kva Figura 4 Família de Produtos DySC Em tais casos, a melhor maneira de definir a solução é executar medições e estudos meticulosamente, identificando todos os componentes sensíveis e protegendo-os com

5 183 pequenos dispositivos DySC monofásicos ou trifásicos. Uma outra alternativa é proteger todo o equipamento ou todo sub-sistema sensível com grandes dispositivos DySC trifásicos. Ambas as alternativas já foram utilizadas e serão mostrados nos casos exemplos a seguir neste artigo. 5.0 CASOS REAIS DE MELHORIA DE PERFORMANCE COM A APLICAÇÃO DO DySC: A seguir são mostrados os detalhes de algumas instalações do dispositivo DySC atuais. 5.1 Fábrica de semicondutores Um dos principais fabricantes de semicondutores nos EUA solicitou a correção dos problemas de afundamentos de tensão para as ferramentas de fotolitografia. Os afundamentos de tensão causavam paradas de processos fabris que resultavam em perda de material e de capacidade de produção. Mais de uma dúzia de unidades de 42 kva do PRODySC foi instalada à frente das respectivas ferramentas. As unidades de DySC se ajustaram bem na instalação em função do pequeno tamanho das mesmas permitindo serem implementadas conforme as limitações espaciais da sala de controle destas ferramentas. Este cliente informou a ocorrência de vários afundamentos de tensão desde agosto de 2001, que resultaram na parada de outros equipamentos menos críticos e que continuaram desprotegidos, enquanto que as ferramentas de fotolitografia se mantiveram em operação continua. 5.2 Fábrica de alimentos Um dos principais fabricantes de alimento dos EUA vinha sofrendo uma média de 10 a 15 afundamentos de tensão críticos por ano. Por causa do seu sensível processo de extrusão, este fabricante estava perdendo de 4 a 8 horas de produção e homem-hora na limpeza total do material endurecido, na análise do problema e no reinício do processo a cada ocorrência de afundamento de tensão. Uma solução distribuída foi utilizada para resolver o problema usando várias unidades de DySC de 25A e 50A. Desde sua implementação, os dispositivos DySC instalados reduziram tempo de parada não planejada em 70% e o investimento se pagou nos primeiros 3 meses de operação. Um fabricante de grandes eixos e rotores (Engines Inc.) para estrada de ferro e outras aplicações similares localizadas em West Virginia, vinha sofrendo de 10 a 15 afundamentos de tensão por ano. Isto levava a muitas horas de parada de produção, perdas de grandes e caros rotores e atrasos na entrega dos pedidos. Em cooperação com a AEP e o EPRI, a Softswitching Techonlogies instalou dispositivo de 300 kva (PRODySC) visando proteger toda a linha de produção principal. De acordo com o presidente da empresa, o DySC eliminou totalmente a necessidade por retrabalho e perda de materiais estragados devido a afundamentos de tensão. 5.4 Fábrica de cabos de fibra-ótica Um dos principais fabricantes de cabos de fibraótica vinha sofrendo de 6 a 10 afundamentos de tensão por ano com parada de processo. Como este era um consumidor alimentado por uma rede elétrica premium, esta instalação tinha um banco de dados de mais de 07 anos de monitoramento da energia recebida, o qual não mostrava nenhuma interrupção de energia durante este período, mas apenas afundamentos de tensão. A parada de um processo de fabricação e acabamento de cabos de fibra ótica pode gerar perdas econômicas que variam de US$150,000 a US$500,000 por evento. Uma dúzia de sistemas de dispositivos PRODySC com um valor nominal acumulado de mais de kva estão protegendo uma parte da área de acabamento dos cabos de fibra ótica nesta planta atualmente. Nos primeiros três meses de operação, dois afundamentos de tensão foram registrados e salvos pelos dispositivos PRODySC instalados. O retorno do investimento ocorreu para os primeiros eventos salvos. 5.5 Extrusão de plásticos Um fabricante de produtos de plástico, em cooperação com o instituto de pesquisa - EPRI, com concessionária local - PEAC, e com a Softswitching Technologies - SST, instalou uma unidade de 300kVA do dispositivo PRODySC para proteger algumas das suas linhas de extrusão. A Figura 5 mostra como a unidade PRODySC 300 kva corrigindo um afundamento de tensão significativo e evitando a parada do processo de fabricação. 5.3 Fabricante de máquinas CNC

6 184 Figura 5 - Tensão de Entrada (fonte) e de Saída (Carga) do DySC. 5.6 Fábrica de automóveis Um dos principais fabricantes de automóveis do EUA requisitou a proteção de uma de suas barras de distribuição de energia elétrica a qual alimentava uma de suas lanternagens que incluía robôs soldadores, manipulação de materiais controlados por PLC e controles industriais auxiliares. A lanternagem era uma célula de produção crítica porque uma paralisação dos robôs durante uma operação de solda poderia causar a perda de toda a carcaça do veículo em construção. O tamanho do barramento a ser protegido era de 1600A, mas a carga efetiva era menor que 1200A. Um sistema PRODySC de 1200 A modular foi instalado, com capacidade de expansão para 1600A posteriormente. O sistema tem operado desde maio de 2001 e vários eventos de afundamentos de tensão foram registrados e salvos pelo dispositivo PRODySC. Um destes eventos está mostrado na Figura 6. Os relatórios enviados pelo cliente demonstram que para quase todos eventos de afundamentos de tensão, outros equipamentos sensíveis na planta foram desligados enquanto o barramento protegido pelo PRODySC manteve a lanternagem em operação. Figura 6 Afundamento de tensão na entrada do DySC. Figura 7 Tensão de saída do DySC. 5.7 Aplicações do DySC em cingapura Uma planta química americana instalada na Ilha de Jurong vinha sofrendo diversas interrupções de processo devido a afundamentos de tensão. O afundamento de tensão causava a atuação do contator do Centro de Controle de Motores, resultando na interrupção da operação. Dispositivos de proteção contra afundamentos de tensão à base de baterias não eram ideais porque a rede da concessionária que alimentava a planta era considerada premium o que minimizava os eventos de interrupções de energia e tais eventos, quando ocorriam, eram bastante prolongados, o que levava a descarga total da bateria e ao desligamento de todo o processo de fabricação. Para proteger o contator de desligamento indevido durante um afundamento de tensão, um dispositivo DySC monofásico (MINIDySC) foi aplicado, vários eventos de afundamentos de tensão foram salvos, evitando o desligamento do centro de controle dos motores e parada do processo fabril. Um dos principais fabricantes americanos de unidades de discos instalado em Cingapura vinha tendo problemas de operação de suas máquinas durante a ocorrência de afundamentos de tensão e quedas de tensão. A máquina inteira desligava, causando um tempo de parada não programada com custos de aproximadamente US$ por evento. A sala tinha espaço muito limitado para a instalação de um sistema de armazenamento a base de baterias. Um estudo foi realizado identificando o circuito de emergência, o PLC e o servo mecanismo como as partes sensíveis a serem protegidas. Um dispositivo foi DySC especialmente projetado, incorporando a função monofásica e trifásica no mesmo equipamento e instalado com sucesso para mitigar os problemas de afundamento de tensão dessa instalação. 6.0 CONCLUSÕES A possibilidade de se instalar os dispositivos DySC dentro de uma instalação, no ponto de ocorrência dos problemas (junto às cargas sensíveis), e sem a necessidade de equipamentos com armazenadores de energia (como as baterias, flywheels, capacitores e supercondutores), melhora significativamente a relação custo/benefício e retorno de investimento para os sistemas industriais críticos. A facilidade dos dispositivos DySC em atender a norma SEMI F47 e operar com qualquer tipo de carga, proporcionou uma grande variedade de aplicações com sucesso de performance. Mais de 2,000 unidades de DySC, de diversas potências e tensões monofásicas e trifásicas, estão operando atualmente, protegendo aplicações industriais de alta tecnologia nos EUA, Europa, América do Sul, Cingapura e Ásia. Ao mesmo tempo em que oferecerem uma grande melhoria na confiabilidade de processos

7 185 industriais conectados em redes elétricas premium, o dispositivo de correção de afundamentos de tensão DySC proporciona também uma significativa melhoria para as instalações conectadas nas redes elétricas padrões reduzindo a quantidade de paradas de produção causadas por tais eventos de QEE. Como pôde ser observado neste artigo, tais dispositivos estão testados e comprovados como solução viável técnica e economicamente para a correção de problemas de qualidade de energia, principalmente no que se refere a afundamentos. de tensão. 7.0 REFERÊNCIAS - Electric Power Research Institute. An Assessment of Distribution System Power Quality. TR s-V1-3 Research Projects Palo Alto, Calif., Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI). Standard SEMI F Provisional Specification for Semiconductor Processing Equipment Voltage Sag Immunity. Mountain View, Calif.

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