Impacto das Variações de Tensão de Curta Duração em uma Fábrica de Laticínios

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1 Impacto das Variações de Tensão de Curta Duração em uma Fábrica de Laticínios Victor Pellanda Dardengo, Adriano da Silva Antonio, Heverton Augusto Pereira Departamento de Engenharia Elétrica Universidade Federal de Viçosa. Av. P. H. Rolfs s/n - Campus Universitário - CEP: 7 - Viçosa - MG Resumo Este trabalho apresenta um estudo sobre os efeitos causados pelas variações de tensão de curta duração (VTCD s) em uma fábrica de laticínios, localizada na cidade de Viçosa, Minas Gerais. Este estudo foi estimulado após a direção da empresa constatar um elevado custo de manutenção devido à queima de motores, ocasionado pelas altas corrente após as VTCD s. Neste trabalho foi desenvolvido, em ambiente Matlab/Simulink, uma planta elétrica da fábrica de laticínios a fim de simular os diversos tipos de afundamentos de tensão, com diferentes intensidades e assim analisar como as VTCD s afetam os motores elétricos existentes. Após esta análise foi possível sugerir melhorias no processo de produção a fim de minimizar as perdas financeiras com a manutenção dos motores elétricos. Palavras-chaves Variação de tensão de curta duração, qualidade de energia, motores. I. INTRODUÇÃO A criação de várias normas referentes à qualidade de energia tem transformado o mercado de energia elétrica. Esta transformação vem sendo discutida entre os diversos segmentos da sociedade, indo desde agentes geradores até aos consumidores finais. Entre os motivos que conduziram a essa mudança, podemos citar a preocupação quanto à vida útil dos equipamentos e a otimização nos projetos de equipamentos eletro-eletrônicos, os quais conduziram à utilização de estruturas mais eficientes, contudo mais sensíveis à qualidade da energia do que aqueles utilizados no passado []. Paralelamente à necessidade de uma rede elétrica de alta qualidade, nota-se a proliferação do emprego de cargas com relação tensão-corrente não linear, tanto nos setores comercias como residenciais, o que vem contribuindo para o agravamento da Qualidade da Energia Elétrica (QEE). Com uma rede de baixa qualidade, diversos problemas podem ser observados como as cintilações luminosas, o mau funcionamento de aparelhos sensíveis a variações de tensão, freqüência e corrente, redução da vida útil de motores e transformadores, além de interferir na produtividade dos processos industriais e nos ciclos de trabalho de atividades domésticas e comerciais []. Estimativas mostram que os problemas de qualidade de energia geram um desperdício de bilhões de dólares anualmente nos Estados Unidos e bilhões de dólares no Brasil []. Apesar dos estudos de distúrbios oriundos da rede elétrica e das cargas não lineares já estarem em pauta mesmo antes da década de 7, apenas na década de 9 surgiu pela primeira vez o termo Qualidade de Energia Elétrica como vem sendo utilizado atualmente. Conceitualmente a QEE tem por objetivo balizar parâmetros mínimos de fornecimento de energia elétrica e os máximos distúrbios permissíveis gerados pelos consumidores, tomando como básicas as condições ideais de fornecimento e o perfil ideal de cargas para os consumidores []. Para garantir então, esse padrão de qualidade, alguns órgãos foram criados de forma a normalizar e fiscalizar os direitos e deveres de consumidores e concessionárias. Entre eles destaca-se o ONS (Operador Nacional do Sistema Elétrico) e a ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica). O ONS, através das normas dos Procedimentos de Rede (PROREDE), tem o objetivo de controlar as operações das instalações de geração e transmissão de energia elétrica associadas ao Sistema Interligado Nacional (SIN), já a ANEEL com os Procedimentos de Distribuição (PRODIST), regula e fiscaliza a produção, transmissão, distribuição e comercialização de energia elétrica [] []. De forma geral, os parâmetros e indicadores utilizados para caracterização dos distúrbios da QEE são relacionados às harmônicas, às flutuações de tensão, aos desequilíbrios de tensão, às variações de freqüência e às variações de tensão de curta duração []. Entre todos os distúrbios existentes, as VTCD s merecem destaque pelo fato de estarem sempre presente nos sistemas elétricos, com maior ou menor freqüência, e serem facilmente perceptíveis a consumidores industriais, comercias e domésticos. O setor industrial é o mais afetado por esses tipos de distúrbios, já que podem provocar grandes perdas financeiras [7]. De acordo com o Balanço Energético Nacional realizado pela Aneel, % da carga elétrica do setor industrial é composta por motores elétricos e por isso este trabalho objetivou estudar os efeitos das VTCD s sobre os motores da Fábrica de Laticínios da Fundação Arthur Bernardes (FUNARBE) situada na cidade de Viçosa, Minas Gerais. A. Variações de Tensão de Curta Duração (VTCD) De acordo com o PRODIST (Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional), as variações de tensão de curta duração são desvios significativos no valor eficaz da tensão em curtos intervalos de tempo. As VTCD s podem ser classificadas de acordo com sua duração e amplitude, como é mostrado na TABELA I [8]. Tipicamente as VTCD s são provocadas por curtoscircuitos nas redes elétricas, manobras de rede, atuação

2 indevida de proteção, instabilidade ambiental e partida de motores. TABELA I. DENOMINAÇÃO DAS VARIAÇÕES DE TENSÃO DE CURTA Denominação Interrupção momentânea de tensão DURAÇÃO [8] Duração da variação Inferior ou igual a segundos Amplitude da tensão (valor eficaz) em relação à tensão nominal Inferior a, pu esquilo, ligados em delta e alimentados por tensão de linha de V, já as lâmpadas são fluorescentes ligadas na tensão 7 V. TABELA II. NÚMERO DE LÂMPADAS NO LATICÍNIOS FUNARBE Quantidade de lâmpadas de W andar andar andar Térreo Total 7 Afundamento momentâneo de tensão Elevação momentânea de tensão Interrupção temporária de tensão Superior ou igual a um ciclo e inferior ou igual a segundos Superior ou igual a um ciclo e inferior ou igual a segundos Superior a segundos e inferior ou igual a minutos Superior ou igual a, pu e inferior a,9 pu Superior a, pu Inferior a, pu TABELA III. QUANTIDADE DE MOTORES DO LATICÍNIOS FUNARBE Potência dos Quantidade de motores (HP) motores Afundamento temporário de tensão Elevação temporária de tensão Superior a segundos e inferior ou igual a minutos Superior a segundos e inferior ou igual a minutos Superior ou igual a, pu e inferior a,9 pu Superior a, pu Entre os diversos problemas causados pelas VTCD s podemos citar a desprogramação de microprocessadores e CLP s (Controladores Lógicos Programáveis), não travamento de bobinas de contatores e relés auxiliares, com conseqüentes desligamentos de cargas e equipamentos, variação de velocidade dos acionamentos (CA e CC) ou do torque do motor (CA e CC), podendo assim comprometer a qualidade do produto ou parar a produção. [9]. Algumas indústrias visando evitar a parada de processos industriais devido as VTCD s adotam algumas medidas, tais como a separação das alimentações dos circuitos de força e dos circuitos de comando, adição de capacitores ou baterias no barramento CC dos controladores de velocidade, para os motores CC, instalação de capacitores no enrolamento de armadura no lado CC do retificador trifásico [9]. II. METODOLOGIA O laticínio FUNARBE é localizado dentro da Universidade Federal de Viçosa (UFV) e produz em escala comercial leite, iogurte, manteiga, doce de leite e requeijão, os quais são produzidos com padrões técnicos rigorosos. A FUNARBE vem sofrendo com os problemas de interrupção e afundamentos de tensão causados principalmente pela variação abrupta de demanda da UFV. Pois esta apresenta uma curva de carga não uniforme ao longo de seu dia, apresentando índices de baixo consumo entre os horários de 8 horas às 8 da manhã e consumos elevados nos intervalos de às horas e às horas. No início do estudo, foi realizado um levantamento de algumas cargas da fábrica, como lâmpadas e motores, vistos nas TABELAS II e III respectivamente. Os motores catalogados são de indução trifásica com rotor em gaiola de Nota-se que o laticínio consome aproximadamente 9, kw com as lâmpadas e 9, kw com os motores, totalizando um gasto com essas duas cargas de, kw. Como a maior parte dos motores não desliga automaticamente, a volta da tensão pode provocar distúrbios não somente dentro da indústria, mas também em outros sistemas conectados a rede elétrica. Com o objetivo de entender os problemas associados às VTCD s, uma planta elétrica foi desenvolvida em ambiente Matlab/Simulink na qual diversos afundamentos foram simulados. Os afundamentos simulados foram trifásicos, bifásicos e monofásicos, nas categorias tipo A, B e C []. A disposição fasorial desses afundamentos pode ser vista na Fig.. Fig.. Disposição fasorial dos afundamentos tipo A, B e C Fonte: [] Os afundamentos do tipo A, são causados por faltas simétricas e suas representações matemáticas são descritas através de (), () e (). =h () = h h () = h+ h () Onde: Va, Vb e Vc representam as tensões em p.u. das fases A, B e C respectivamente e h ( h ) define a severidade na

3 magnitude e na abertura angular resultante do afundamento de tensão []. As simulações foram todas realizadas no ambiente Matlab/Simulink, Fig., com duração de segundos. O sistema elétrico de distribuição possui tensão de,8 kv, as lâmpadas foram conectadas de forma não equilibrada, sendo conectadas lâmpadas na fase A, 7 a fase B e na fase C, o transformador utilizado é abaixador,8k/ V, delta- Y com potência nominal de kva e os motores foram todos simulados funcionando com torque nominal. Fig.. Laticínios FUNARBE em ambiente Matlab/Simulink Para cada tipo de afundamento foi realizada uma simulação com o valor de h=,,, e,8 sendo que em todos os casos, os afundamentos eram iniciados no instante segundos e encerrados após segundos. Para o caso Tipo C adotou-se que os ângulos das tensões após o término do afundamento retornaram aos mesmos valores de antes da queda de tensão. Entre os motores da FUNARBE, dois são motores de reserva que dificilmente entram em operação, por isso nossa planta industrial foi simulada com motores que partiram de acordo com a Fig.. Ressalta-se que um conjunto de motores só parte após o conjunto anterior chegar à condição nominal. E o afundamento que se inicia no instante segundos ocorre quando todos os motores estão operando em condição nominal. características antes de sofrer o afundamento, ou seja, até o instante s.. Afundamento Tipo A Este afundamento é equilibrado, mas as cargas do sistema são desequilibradas, devido à distribuição desigual das lâmpadas nas fases do prédio. Assim, será apresentado apenas o resultado das correntes na fase B, que é a fase com maior carga. Realizando a comparação entre as correntes para os diversos níveis de intensidade (h =,,, e,8), Fig., percebe-se que para h=,, a corrente do sistema chega a cair aproximadamente 79% da corrente em regime permanente. Com o retorno da tensão a níveis nominais no instante 8 segundos o sistema sofre um pico de corrente, aproximadamente,7 vezes a corrente de regime permanente, que ocorre pelo fato das máquinas serem novamente magnetizadas. Comparando as três intensidades de afundamento quanto menor o valor de h, maior será o pico de corrente e maior também será o tempo para que o sistema volte a sua normalidade. corrente com h=. corrente com h=. corrente com h=.8 Fig.. Correntes da fase B para um afundamento do Tipo A Fig.. Início da partida de cada motor Os dados contendo as potências dos motores e suas rotações podem ser vistos na TABELA IV. Motor M M M M M M TABELA IV. POTÊNCIA E ROTAÇÃO DOS MOTORES Potência (HP) Rotação Potência Rotação Motor (RPM) (HP) (RPM) 78 M7 7 M8 7 M9 7 7 M 7 M 7 M 9 III. RESULTADOS Serão apresentadas as variações da corrente, da potência ativa e da potência reativa, para os afundamentos tipo A, B e C. Todos os sistemas simulados apresentam as mesmas Analisando as potências ativas, Fig., nota-se que durante a perturbação da tensão, para os três valores de h simulados houve uma queda do consumo da potência ativa durante o afundamento, sendo a queda mais acentuada, para h=,, a qual chegou a alcançar o valor de 79 W. Com a reestabilização da tensão, há um pico de potência, sendo praticamente o mesmo para afundamentos com h=, e,, 7, kw e 9,8 kw respectivamente. Para a potência reativa, Fig., percebe-se que logo após a queda de tensão todos os sistemas apresentam queda no consumo de energia reativa. Entretanto, durante o período de afundamento, s a 8 s, notou-se que para valores de h=, e,8 o sistema apresentou um aumento no consumo de potência reativa, enquanto para h=, esse aumento foi somente iniciado após o instante 8 s, onde a tensão volta a seu valor nominal. Com a reestabilização da tensão um pico de potência reativa pode ser notado, para os três valores de h, sendo para h=, o de maior intensidade, alcançando um valor de 9, kvar.

4 Potência Ativa Trifásica (W) 7 x P com h=. P com h=. P com h=.8 corrente com h=. corrente com h=. corrente com h=.8 Potência Reativa Trifásica (VAr) Fig.. Potência Ativa Trifásica para um afundamento do Tipo A x 8 Q com h=. Q com h=. Q com h=.8 Fig.. Potência Reativa Trifásica para um afundamento do Tipo A. Afundamento Tipo B Para o afundamento do tipo B, que é monofásico, a queda de tensão foi realizada na fase A. Na Fig. 7, é possível observar que durante o afundamento a corrente na fase A apresentou um aumento para todos os valores de h em relação à corrente de regime permanente. Para h=, ocorreu um aumento de aproximadamente 8%, enquanto para h=, 7% e para h=,8 %. Nota-se ainda que no instante 8 s, onde a tensão volta ao valor nominal, o sistema sofre um pico de corrente, sendo este bem acentuado para h=, onde se alcançou um valor de 9 A, % do valor de corrente em regime permanente. Para a fase B, Fig. 8, com h=, a corrente durante o afundamento chega até aproximadamente, vezes a corrente em regime permanente, enquanto para h=, e h=,8 esses valores chegam a, e, respectivamente. Ainda nota-se que para estes dois valores de h, após o término do afundamento a corrente retorna rapidamente as condições de regime permanente enquanto para h=, o sistema demora aproximadamente segundos para estabilizar. Fig. 7. Correntes da fase A para um afundamento do Tipo B corrente com h=, corrente com h=, corrente com h=,8 Fig. 8. Correntes da fase B para um afundamento do Tipo B Para a fase C, Fig. 9, nota-se que para todos os valores de h há uma queda da corrente logo após o início do afundamento. Entretanto mesmo no período de afundamento percebe-se uma recuperação da corrente. Com a reestabilização da tensão para o afundamento com h=, houve um pico de corrente de aproximadamente A, cerca de aproximadamente % a mais que a corrente em regime permanente, para os demais valores de h, os picos de corrente foram inferiores se estabilizando imediatamente após a normalidade da tensão. corrente com h=, corrente com h=, corrente com h=,8 Fig. 9. Correntes da fase C para um afundamento do Tipo B

5 Na Fig., é possível observar que a potência ativa chegou a valores % a mais que a potência em regime permanente. Para h=, esse aumento chegou a % e para h=,8 praticamente não houve da potência ativa absorvida. Potência Ativa Trifásica (W) 7 x Fig.. Potência Ativa Trifásica para um afundamento do Tipo B A potência reativa trifásica, Fig., para os valores de h=, e,8, durante e após o afundamento praticamente não sofreram alteração, entretanto para o valor de h=, logo após o afundamento já se percebe um aumento da potência reativa consumida, sendo esta sofrendo um aumento ainda maior logo depois da reestabilização da tensão, alcançando um valor de aproximadamente, vezes da potência reativa consumida em regime permanente. Potência Reativa Trifásica (VAr) x Q com h=. Q com h=. Q com h=.8 Fig.. Potência Reativa Trifásica para um afundamento do Tipo B. Afundamento Tipo C P com h=. P com h=. P com h=.8 Para a simulação do afundamento tipo C, as quedas de tensão foram realizadas nas fases B e C. Na corrente da fase A, Fig., para h=, notou-se uma queda logo após o início do afundamento, entretanto, ainda durante o afundamento atinge valores maiores que os valores de corrente em regime permanente. No instante onde a tensão volta a seu valor nominal, a corrente nesta fase alcança valores de aproximadamente A. Para h=, e,8, percebe-se que os níveis de corrente durante o afundamento foram menores que a corrente em regime permanente, e no momento da normalização da tensão apenas a alguns pequenos picos de corrente foram notados. corrente com h=, corrente com h=, corrente com h=,8 Fig.. Correntes da fase A para afundamento do tipo C Para a fase B, Fig., durante o período de afundamento há uma queda de corrente para todos os valores de h simulados, sendo para h=, o de maior queda, chegando a cair para aproximadamente % da corrente em regime permanente. Com o restabelecimento da tensão percebe-se que para o valor de h=,8 a corrente volta ao regime em aproximadamente, s, enquanto para h=, e, demora e s respectivamente. corrente com h=, corrente com h=, corrente com h=,8 corrente com h=, corrente com h=, corrente com h=,8 Fig.. Correntes da fase B para afundamento do tipo C Na fase C, Fig., nota-se durante o afundamento, um aumento da corrente para todos os valores de h simulados, apesar disso, os máximos valores de corrente encontrados aconteceram no momento da reestabilização da tensão, aproximadamente no instante 8 segundos, alcançando 77, e 8 A para h=,,, e,8 respectivamente. Analisando as Fig. e, para h=, no período do afundamento de tensão há um aumento da potência ativa consumida, entretanto a uma queda na potência reativa neste mesmo período. Para valores de h=, e,8 ainda temos outros dois comportamentos diferentes durante este intervalo, enquanto para, nota-se um aumento tanto da potência ativa quanto da reativa, para h=,8 apesar do afundamento suas potências permaneceram praticamente constantes.

6 Potência Reativa Trifásica (VAr) corrente com h=, corrente com h=, corrente com h=,8 corrente com h=, corrente com h=, corrente com h=,8 Fig.. Correntes da fase C para afundamento do tipo C Potência Ativa Trifásica (W) 7 x Fig.. Potência Ativa Trifásica para afundamento do tipo C x 8 P com h=. P com h=. P com h=.8 Q com h=. Q com h=. Q com h=.8 aquecimento das bobinas dos transformadores e motores, e assim reduzir sua vida útil. Através deste estudo foi possível sensibilizar a direção da empresa a tomar medidas necessárias, em termos de proteção dos equipamentos, para minimizar as perdas financeiras que estão ocorrendo devido aos problemas de VTCD. REFERÊNCIAS. MAIA, R. M.; Selênio Rocha Silva. Impacto de Afundamentos de Tensão em uma Indústria Alimentícia. In: VIII Conferência Brasileira sobre Qualidade da Energia Elétrica, 9, Blumenau-SC. VIII Conferência Brasileira sobre Qualidade da Energia Elétrica, 9.. V.E.WAGNER, C.; AL", '. Effects of Harmonics on Equiments. IEEE Transactions on Power Delivery, v. 8, n., p. pp 7-79, Abril 99.. MOTOKI, É. M. Procedimentos para Mitigação do Impacto de Qualidade de Energia na Indústria Têxtil, Dissertação de mestrado apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, Brasil, 7.. LUNA, E. K. Uma Contribuição do Estudo de VTCD s Aplicado a Equipamentos Eletrônicos Alimentados por Conversor CA-CC, Dissertação de mestrado apresentado a Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Estadual de Campinas, Campinas, Brasil,. pp E_O_ONS.ASPX. Acesso em: Novembro.. Acesso em: Janeiro. 7. LIMA, E. A. B. ; SERNI, P. J. A.. Estudo do Comportamento do Motor de Indução Submetido a Problemas na Qualidade da Energia Elétrica. In: XXI - CIC Congresso de Iniciação Científica da UNESP, 9, São José do Rio Preto. Anais do XXI - CIC Congresso de Iniciação Científica da UNESP, PROCEDIMENTOS de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional - PRODIST - Módulo 8 - Qualidade da Energia Elétrica. 9. SANTOS, J. R.; DE CAMARGO, J.; LIMA, E. G. Soluções para Evitar Parada de Processos Industriais Devido a VTCDs. VI SBQEE, Belém, Brasil, a Agosto. pp.. BOLLEN, M. H. J. Understanding Power Quality Problems: Voltage Sags and Interruptions. IEEE Press, New York, Estados Unidos,. pp BRITO, Claudio M. C.; Leão, Ruth P.S.. Caracterização de Afundamentos de Tensão em Transformadores Trifásicos. In: Conferência Internacional de Aplicações Industriais,, Recife. VII Induscon,. Fig.. Potência Reativa Trifásica para afundamento do tipo C IV. CONCLUSÃO Através deste trabalho foi possível entender os impactos de VTCD s em uma planta industrial, verificando assim que os afundamentos de tensão além de trazerem prejuízos devido à paralisação das máquinas, também podem causar correntes vezes maiores que as correntes em regime permanentes. Essas correntes elevadas podem provocar diversos problemas, como a queima de dispositivos, maior