ANÁLISE DA QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA EM CONVERSORES DE FREQUENCIA

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1 ANÁLISE DA QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA EM CONVERSORES DE FREQUENCIA Nome dos autores: Halison Helder Falcão Lopes 1 ; Sergio Manuel Rivera Sanhueza 2 ; 1 Aluno do Curso de Engenharia Elétrica; Campus de Palmas; halison_falcao@hotmail.com PIBIC/CNPq 2 Orientador(a) do Curso de Engenharia Elétrica; Campus de Palmas; sergiorivera@uft.edu.br RESUMO As máquinas elétricas têm sido a força motriz das atividades industriais por mais de um século, sendo atualmente responsáveis por aproximadamente 80% da energia elétrica total consumida. Novas tecnologias se apresentam como soluções para o controle de processos, as mesmas aparecem também como problemas, pois ajudam a degradar a qualidade da energia, sendo muitas vezes alvo da própria degradação. Diante disso, este trabalho tem por objetivos apresentar uma análise da qualidade da energia elétrica através de procedimentos e simulações computacionais, levantando os modelos matemáticos no domínio do tempo do motor de indução trifásico e do conversor de frequência para a realização de simulações computacionais. Será analisado o problema de variação de tensão de curta duração devido à partida de motores e a realização de simulação de funcionamento corresponde à operação do motor quando o mesmo é alimentado pelo inversor PWM, analisando o seu comportamento em regime transitório e sem carga acoplada ao eixo, a fim de verificar os afundamentos de tensão provenientes da alta corrente solicitada pelo motor durante a partida. Palavras-chave: Qualidade da energia elétrica, afundamentos de tensão, máquinas elétricas INTRODUÇÃO O motor de indução é uma máquina destinada a transformar energia elétrica em mecânica. É o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina às vantagens da energia elétrica o seu baixo custo, facilidade de transporte, limpeza, simplicidade de comando, construção simples, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos. Devido às suas vantagens em relação aos motores CC, muito se tem utilizado o motor de indução também em aplicações que demandam controle de velocidade. Isto vem acontecendo graças ao avanço das técnicas e dos dispositivos eletrônicos para acionamentos destas máquinas,

2 possibilitando enormes progressos, tanto na automação dos processos quanto na conservação da energia elétrica. Embora as novas tecnologias se apresentem como soluções para o controle de processos, as mesmas aparecem também como problemas, pois ajudam a degradar a qualidade da energia, distorcendo a forma de onda da tensão e corrente do sistema, devido ao alto índice de harmônicos inseridos, sendo muitas vezes alvos da própria degradação. Diante desta realidade, a qualidade da energia elétrica tem adquirido grande relevância onde vários estudos, pesquisas e desenvolvimentos têm sido realizados com o intuito de identificar, assegurar e aperfeiçoar os padrões necessários ao bom funcionamento dos sistemas elétricos atuais, bem como atribuir às partes envolvidas neste universo suas devidas parcelas de responsabilidade sobre a qualidade da energia elétrica. MATERIAL E MÉTODOS Materiais utilizados para a parte prática: Inversor PWM WEG (CFW 08); Analisador de energia (Minipa ET 5060C); Variador de tensão trifásico (6kVA, 0-450V JNG); Bancada didática para laboratório de máquinas (Minipa SD 2100B); Alicate Amperímetro Minipa. Para a realização das simulações foi utilizado o software Octave (Software Livre) onde foram inseridas as características elétricas e mecânicas do motor. Foi utilizado um modelo para a obtenção da tensão de saída do inversor PWM senoidal de 2 níveis, com frequência de chaveamento de 1,3 khz, analisando assim, o comportamento da partida do motor em regime transitório e sem carga acoplada ao eixo. Para o motor, adotou-se a modelagem matemática por fase, onde a equação diferencial foi resolvida utilizando os métodos numéricos de Runge Kutta de 4ª ordem e Trapezoidal Implícito. Vale ressaltar que apenas um dos métodos numéricos utilizados para a resolução da EDO já seria aceitável, no entanto, adotaram-se os dois métodos com o propósito de comparar os resultados obtidos na solução da equação diferencial, minimizando assim possíveis erros. Para a parte prática, foi ligado o variador de tensão à tensão da rede com o propósito de variar-se a tensão até o nível desejado. Em seguida, foi conectado o inversor PWM à saída do variador de tensão. Com o inversor PWM ligado, foi conectado então o motor de indução trifásico e o

3 analisador de energia juntamente com os demais equipamentos de medição para a coleta das grandezas envolvidas no teste. Figura 01: Configuração para a realização dos ensaios em laboratório. RESULTADOS E DISCUSSÃO Após serem realizadas as simulações computacionais com alimentação do motor pelo inversor PWM e sem carga acoplada ao eixo, foram obtidos os seguintes resultados: Figura02: Corrente na fase a do estator. Figura 03: Torque em função do Tempo. Figura 04: Velocidade desenvolvida pelo motor em função do tempo. A figura 02 retrata a forma de onda da corrente de uma fase do estator. Pode-se observar que, é solicitado pelo motor uma corrente elevada durante a partida e logo em seguida estabiliza-se chegando a seu valor nominal. A figura 03 traz a curva de torque produzido pelo motor em função do tempo. Pode ser observado claramente o comportamento oscilatório do torque do motor na partida, o qual perdura por mais algum período de tempo dando origem a um conjugado pulsante, como pode ser observado na figura em questão.

4 A figura 04 nos mostra a curva da velocidade desenvolvida pelo motor, em sua fase de aceleração. Nota-se que, devido à baixa inércia das massas girantes do sistema simulado, que neste caso inclui apenas a do rotor do motor de indução, o motor acelerou rapidamente. As condições de operação utilizadas para as simulações computacionais foram também implementadas nos ensaios de laboratório. A análise dos resultados experimentais confirmam a qualidade do modelo desenvolvido. A forma de onda da corrente de entrada, seu espectro harmônico e a forma de onda de tensão no elo CC deste ensaio, são mostradas a seguir. Figura 05: Tensão e Corrente do MIT durante a partida. Observa-se na figura 05 os níveis da tensão e corrente na fase L1, obtidas através da instalação do analisador de energia no circuito que alimenta o motor. No instante em que é solicitada a corrente para sua partida, é verificada uma queda de tensão acentuada que logo em seguida estabiliza-se. O afundamento de tensão medido chegou a 0,9 pu durante 3 ciclos. Figura 06: Corrente na entrada do inversor trifásico. Figura 07: Espectro Harmônico do inversor. Figura 08: Tensão no elo CC do Inversor. A figura 06 ilustra a forma de onda das correntes que circulam pelas impedâncias da rede de alimentação. As mesmas dependem dos valores das impedâncias presentes no circuito de

5 entrada/saída do retificador provocando quedas de tensão e distorcendo a corrente de alimentação do próprio inversor ou de outros equipamentos ligados à rede. A configuração motor + inversor de frequência é visto pela fonte de alimentação como uma carga não linear, cuja corrente possui harmônicas. Desta forma, considera-se que o retificador produz harmônicas características no lado CA, ou seja, na rede. Assim, no caso da ponte retificadora, as principais harmônicas geradas são a 5ª e a 7ª, como é verificado na figura 07. A forma de onda apresentada na figura 08 é devido aos diodos, que possuem como característica própria, retificar a onda de tensão em pulsos contínuos de amplitude constante. CONCLUSÃO Analisando os resultados das simulações, pode-se observar a validação da teoria verificada nas literaturas. As modelagens desenvolvidas para o motor e inversor de frequência, representaram com boa precisão as características do controle escalar desenvolvido pelo inversor, onde pode ser verificado o comportamento das correntes, conjugados, velocidade e afundamentos de tensão durante a partida do motor de indução. Além das harmônicas geradas pelo chaveamento dos semicondutores de potência, no inversor. LITERATURA CITADA [1] ANDRADE, D. A. Dynamic Control of Inverter-Fed Cage Induction Motors. Tese de Doutorado, University of Leeds, Abril de [2] BOSE, B. K. Power Electronics and Variable Frequency Drives Technology and Applications. IEEE Press, [3] TAJIMA, H., HORI, Y. Speed Sensorless Field-Orientation Control of the Induction Machine. IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 29, January/February [4] STOPA, M. M., LUIZ, A. S. A., MOREIRA, A. F., CORTIZO, P. C., SILVA, S. R. Controlador Universal de Orientação pelo Campo: Uma Implementação.Universidade Federal de Minas Gerais Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Engenharia Elétrica. [5] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (ANEEL), Procedimentos de distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST) Módulo 8. Fevereiro AGRADECIMENTOS "O presente trabalho foi realizado com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq Brasil"