Dias, F. O., Alves, J. F. F. ENERGISA S.A. Cataguases - Brasil

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1 Uma Proposta de Modelagem de Máquinas de Solda na Plataforma ATP para Estudos de Desempenho em Redes de Distribuição no Contexto da Qualidade da Energia Elétrica Tavares, C. E., Santilio, F. P., Rosentino, A. J. P. Faculdade de Engenharia Elétrica - FEELT Universidade Federal de Uberlândia UFU Uberlândia Brasil carlosetavares@ufu.br, fabricio.qee@gmail.com, arnaldoufu@gmail.com Resumo Este artigo apresenta a modelagem computacional de uma máquina de solda tipicamente utilizada em serralherias e oficinas mecânicas, bem como a análise dos impactos nas redes de distribuição de energia elétrica associados à sua operação, no contexto da qualidade da energia elétrica. O modelo computacional foi desenvolvido na plataforma ATP (Alternative Transients Program) e validado através de medições de tensão e corrente instantâneas realizadas no equipamento em operação em uma serralheria. O objetivo é que se tenha um modelo computacional para estudos de conexão deste tipo carga para estimativa de diversos parâmetros como distorções harmônicas, flutuações de tensão, variações de tensão de curta duração e análise da tensão em regime permanente. Para ilustrar a potencialidade do modelo proposto, este artigo apresenta um estudo da conexão desta carga em um sistema de distribuição de energia elétrica real, avaliando os impactos de sua operação à luz dos indicadores da Qualidade da Energia Elétrica. I. INTRODUÇÃO A preocupação com a qualidade do fornecimento de energia elétrica e a busca pela sua melhoria é uma questão que vem se destacando cada vez mais com o transcorrer do tempo, uma vez que a evolução tecnológica tem levado ao desenvolvimento de equipamentos mais eficientes e precisos, mas também mais sensíveis, em termos operacionais e físicos, aos desvios da tensão de alimentação em relação ao padrão esperado como ideal [1]. Tais fatores tem motivado uma grande discussão envolvendo pesquisadores, engenheiros e agentes reguladores sobre quais seriam os limites aceitáveis para os indicadores da qualidade do produto energia elétrica fornecido pelas concessionárias do setor. Como resultado desta empreitada surgiu o documento da ANEEL denominado PRODIST que estabelece os termos e limites recomendados para a matéria em pauta [2]. Não obstante o empenho das concessionárias em disponibilizar uma tensão mais próxima Dias, F. O., Alves, J. F. F. ENERGISA S.A. Cataguases - Brasil filipe.dias@energisa.com.br, job@energisa.com.br possível dos padrões ideais, sabe-se que as conexões de cargas perturbadoras podem impactar na tensão do barramento e comprometer a qualidade da mesma para os outros consumidores ali conectados, podendo resultar em mau funcionamento de máquinas e equipamentos, além de aumentar as perdas elétricas e o carregamento dos cabos e dispositivos da rede, dentre outros problemas. O agravante desta situação é que o sistema de distribuição de energia elétrica está constantemente susceptível à inserção de cargas potencialmente perturbadoras sem que as concessionárias tenham informações detalhadas sobre suas características, dificultando ações mitigadoras por parte das distribuidoras de energia. Com o advento do PRODIST, estas preocupações suscitam para a necessidade do desenvolvimento de ferramentas para simular a operação das cargas perturbadoras e estimar os seus impactos nas redes de distribuição de forma a se estabelecer ações preventivas, para que o sistema elétrico continue operando dentro dos limites admissíveis. Dentre as várias cargas perturbadoras existentes, a máquina de solda elétrica transformadora tem sido uma grande fonte de preocupação dada sua elevada potência e baixo fator de potência, associados ao comportamento elétrico perturbador intrínseco à sua operação [3, 4 e 5]. Inserido neste contexto este artigo apresenta a modelagem computacional no domínio do tempo de uma máquina de solda na plataforma ATP e realiza alguns estudos sobre os seus potenciais impactos em uma rede de distribuição de energia elétrica. Reconhecendo-se a complexidade da representação computacional dos dispositivos que perfazem um sistema de distribuição de energia elétrica, os desenvolvimentos primaram pela simplicidade do modelo sem a perda das características elétricas de um equipamento real. Além da representação computacional e validação do modelo proposto, um estudo de caso em uma rede real de distribuição de energia Os autores expressam seus agradecimentos ao apoio financeiro fornecido pela FAPEMIG no auxílio à participação coletiva em eventos.

2 elétrica é apresentado para as avaliações a análises aqui propostas. II. MODELAGEM COMPUTACIONAL A. Características do Equipamento Tendo em vista que o foco deste estudo está concentrado na máquina de solda, a Fig. 1 ilustra o equipamento utilizado nas investigações e nos ensaios laboratoriais. É conhecido como transformador para soldagem a arco elétrico com eletrodo revestido em corrente alternada, composto de um transformador monofásico ou bifásico com enrolamentos separados e um núcleo móvel (shunt magnético), sendo este responsável pela regulação linear e contínua da corrente de saída da fonte de soldagem. Tensão de alimentação de 110/220V, tensão a vazio de 56V no secundário, potência nominal de 5,9 kva com fator de potência 0,6 e frequência igual a 60Hz. resistência utilizada em paralelo representa a parcela de potência ativa solicitada pelo equipamento. A Fig. 2 e as Tabelas I e II ilustram, respectivamente, o arranjo final obtido, os dados do transformador e da carga (resistor e indutor não linear já mencionados) bem como as curvas utilizadas no transformador e no indutor não linear. Uma chave controlada para simular a entrada e saída do arco elétrico, resultante do contato do eletrodo com a peça a ser soldada, foi empregada durante as simulações de operação do equipamento. Para tanto, utilizou-se das funções TACs de forma a evitar os fenômenos transitórios do chaveamento. Figura 2. Representação da máquina de sol-da no ATP TABELA I. DADOS DO TRANSFORMADO DA MÁQUINA DE SOLDA E DA CARGA Figura 1. Equipamento usado nos estudos B. Implementação Computacional Devido à natureza operacional da máquina de solda, a maioria dos trabalhos realizados sobre a modelagem computacional deste equipamento tem se dedicado ao entendimento e implementação computacional do arco elétrico estabelecido no momento da soldagem, resultando geralmente em equações e modelos complexos para sua representação e, consequentemente, em maior dificuldade de implementação e de esforço computacional. Como o objetivo deste trabalho é avaliar os impactos deste equipamento nas redes elétricas, primou-se pelo princípio de que a fronteira de conexão do mesmo à rede é situada no primário do transformador da máquina. Desta forma, optou-se pela simplicidade do modelo, fazendo-o em duas etapas, sendo a primeira correspondente à modelagem do transformador e a segunda à modelagem simplificada da carga (o arco elétrico). O modelo representativo do transformador foi obtido pelo tradicional ensaio à vazio levantando-se a curva de magnetização (Imax x Fluxo), além das medidas das indutâncias e resistências dos enrolamentos primário e secundário. Já a representação simplificada da carga foi estabelecida por um arranjo formado de uma resistência em paralelo com um indutor não linear. Devido à semelhança no comportamento da corrente à vazio e sob carga na entrada da máquina a técnica aqui utilizada foi à transposição da curva (Imax x Fluxo), levantada no primário do transformador, para um indutor não linear cujo nível de tensão é o mesmo do secundário do transformador quando em operação, conhecida como tensão de trabalho, que para este modelo de solda está compreendido entre 21 e 30V. A Transformador Tensão do primário 220 V Indutor não linear Tensão do secundário 56 V Corrente 10,56 A Resistencia do primário 0,4 Ω Fluxo 0,029 Wb-volta Resistencia do secundário 0,005 Ω Indutância do primário 0,1 mh Resistencia da carga Indutância do secundário 0,55 MH Resistencia de magnetização 150 Ω Resistencia 250 Ω TABELA II. CURVA DE MAGNETIZAÇÃO DO TRANSFORMADOR E CURVA UTILIZADA NO INDUTOR NÃO LINEAR Transformador Indutor não linear Imax [A] Fluxo [Wb-volta] Imax [A] Fluxo [Wb-volta] 0,83 0,195 10,56 0,029 1,2 0,259 13,81 0,037 1,57 0,324 17,25 0,044 1,96 0,389 21,78 0,051 2,47 0,454 27,28 0,059 3,1 0,519 35,2 0,066 4,0 0,584 48,4 0,073 5,5 0,649 65,12 0,081 7,4 0,714 86,24 0,088 9,8 0, ,72 0,093 11,9 0, ,28 0,096 13,1 0, ,76 0,103 17,7 0, ,4 0,110 III. VALIDAÇÃO DO MODELO Objetivando conhecer o comportamento do mencionado equipamento e verificar a consistência do modelo computacional desenvolvido no programa ATP, foram feitas medições instantâneas de tensão e de corrente na máquina de solda em operação, utilizando medidores de qualidade de energia elétrica, que foram comparadas com os resultados oriundos da simulação computacional. O estudo foi realizado levando em consideração os dois estágios de funcionamento da solda, a vazio e em operação, permitindo avaliar a eficácia do modelo proposto aos fins aqui delineados. Nestes termos,

3 as Fig. 3(a) e 3(b) apresentam, respectivamente, a corrente medida experimentalmente e a corrente obtida via simulação computacional na entrada do equipamento, ou seja, no ponto de conexão da máquina de solda com a rede elétrica. No primeiro estagio, entre 0 a 0,05 s, a máquina de solda se encontra apenas energizada (a vazio), já no segundo estagio, entre 0,05 a 0,1 s, o equipamento está em regime de trabalho, que para este caso foi considerada a situação mais comum (soldagem). Já a Fig 4 mostra uma comparação do espectro harmônico para os dois estágios operacionais, corroborando para a validação do modelo proposto para o atendimento aos objetivos deste trabalho. (b) Figura 4. Espectro harmônico da corrente na entrada da máquina de solda: (a) a vazio (b) em operação As Fig. 5(a) e 5(b) exibem, respectivamente, o fator de potência obtido experimental e computacionalmente na entrada da máquina de solda à vazio nos primeiros instantes e, posteriormente, com carga, colaborando mais uma vez para a validação do modelo proposto. (a) 70,0 ATP 52,5 35,0 Corrente (A) 17,5 0,0-17,5-35,0-52,5 0,30 0,25 (a) ATP -70,0 0,00 0,02 0,04 Tempo (s) 0,06 0,08 0,10 (b) Figura 3. Corrente na entrada da máquina de solda: (a) Medição (b) Simulação computacional no ATP Fator de Potência 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 (b) Figura 5. Fator de potência na entrada da máquina de solda: (a) Medição (b) Simulação computacional no ATP (a) IV. ANÁLISE DOS IMPACTOS DA MÁQUINA DE SOLDA EM CIRCUITOS SECUNDÁRIOS DE DISTRIBUIÇÃO EM BAIXA TENSÃO Esta etapa dos trabalhos está focada na análise computacional dos possíveis impactos oriundos da operação de uma máquina de solda transformadora em uma rede de distribuição de energia elétrica em baixa tensão real no âmbito da qualidade da energia. O sistema elétrico de distribuição,

4 apresentado na Fig. 6, foi modelado a partir dos dados dos parâmetros elétricos obtidos de uma concessionaria de energia elétrica nacional. A modelagem compreende um alimentador representado desde a subestação, através de componentes e cargas equivalentes referidas em média tensão (13,8 kv), até os condutores de baixa tensão que chegam ao consumidor (380 V). Para que os transformadores não operassem praticamente à vazio, foi conectada uma carga de 15 kva (fator de potência 0,92) no secundário do transformador de 30 kva para levar em consideração os outros ramais de baixa tensão. E assim também foi feito para o transformador de 20 MVA, conectando a ele uma carga de 15 MVA (fator de potência 0,92) representativa dos demais alimentadores de média tensão. M3 primário do transformador de distribuição de energia elétrica. Os resultados são apresentados na sequencia: A. Tensões e correntes As figuras 7, 8 e 9 mostram as formas de onda das tensões e correntes para os pontos M1, M2 e M3 respectivamente. Como pode ser visto, são apresentados os dois estágios operacionais da máquina de solda, sendo a parte inicial das curvas referente à operação à vazio e a segunda parte (a partir de 3s) à soldagem propriamente dita. Os resultados expressam os dados obtidos apenas para a fase A uma vez que a máquina de solda foi conectada neste terminal. M3 M2 400 Tensão Corrente 70, , , ,5 0,0-17,5 Corrente [A] ,0 A modelagem da subestação inclui a determinação da impedância representativa do nível de curto-circuito em 34,5 kv e do modelo do transformador de 34,5/13,8 kv. A impedância de curto-circuito foi determinada para um nível de curto-circuito de 7000 MVA. Para melhor representar os transformadores de potência e de distribuição utilizou-se o modelo saturável do ATP com os dados característicos dos mesmos. Os condutores elétricos utilizados na média tensão consistem no cabo de alumínio com alma de aço (CAA) 1/0 AWG, os quais foram representados pelo modelo PI equivalente (arranjo R-L com capacitâncias de 16pF) para cada quilômetro de linha, totalizando 4 Km de extensão. Já os condutores elétricos da baixa tensão são constituídos pelos cabos de alumínio 2 CA AWG com extensão de 100 metros que foram representados por um arranjo R-L equivalente com os seus parâmetros concentrados. Posteriormente, a máquina de solda em estudo foi conectada na fase A, no final da rede elétrica em baixa tensão. Para representar a rede elétrica estudada de forma mais próxima possível da sua constituição real, mesmo não tendo influência para os estudos aqui propostos, um dispositivo pára-raios do tipo ZnO de 12 KV também foi inserido no sistema. Objetivando avaliar os possíveis impactos da operação da máquina de solda na rede elétrica foram selecionados três pontos para análise, conforme indicado na Fig. 6, sendo eles: M1 Figura 6. Sistema Elétrico de Distribuição M1 ponto de conexão da máquina de solda e das cargas equivalentes dos consumidores com a rede elétrica; M2 secundário do transformador de distribuição de energia elétrica; , ,0 2,95 2,97 2,99 3,01 3,03 3, Tensão Corrente ,0 2,95 2,97 2,99 3,01 3,03 3,05 Tensão [kv] Figura 7. Tensão e corrente na fase A medição no ponto M1 Figura 8. Tensão e corrente na fase A - medição no ponto M2 Tensão Corrente ,2 2,95 2,97 2,99 3,01 3,03 3,05 Figura 9. Tensão e corrente na fase A - medição no ponto M3 70,0 52,5 35,0 17,5 0,0-17,5-35,0-52,5 1,2 0,8 0,4 0,0 Corrente [A] -0,4-0,8 Corrente [A]

5 Quanto aos valores eficazes das tensões, as figuras 10, 11 e 12 mostram, respectivamente, seus perfis ao longo do tempo para os pontos M1, M2 e M3. Percebe-se pelas figuras supracitadas que a máquina de solda causa grandes impactos na tensão eficaz da rede, tanto na condição à vazio quanto em processo de soldagem, nas três fases. A fase A, onde está conectado o equipamento, experimenta redução mais evidente nos momentos de soldagem, enquanto as outras fases ficam submetidas a uma pequena elevação de tensão. Este comportamento confirma o princípio de funcionamento da máquina de solda caracterizado por um curto-circuito, cujos resultados apresentados para a situação aqui proposta evidenciam um comportamento similar a um curto-circuito monofásico nos terminais do secundário de um transformador de distribuição com conexão delta-estrela. É válido salientar que os parâmetros da rede e a potência da máquina de solda influenciam diretamente nas magnitudes das tensões Figura 10. Tensões RSM - medição no ponto M Figura 12. Tensões RSM - medição no ponto M3 B. Fator de potência As figuras 13 e 14 e 15 mostram o fator de potência nos pontos M1, M2 e M3 respectivamente. Na Fig. 13 o fator de potência da fase A com a máquina de solda à vazio apresenta um valor de 0,83 e durante o período de soldagem atinge 0,57. Já as fases B e C, como esperado, apresentam fator de potência 0,92. Estes resultados foram praticamente mantidos também para o ponto de monitoramento M2, conforme ilustrado na Fig. 14. Na Fig. 15 os valores apresentados para o fator de potência nas fases A, B e C foram de 0,83, 0,91, e 0,89, respectivamente com a máquina de solda à vazio enquanto que estes parâmetros foram para 0,54, 0,91 e 0,81, respectivamente, com a máquina de solda em operação. Os resultados evidenciam que a máquina de solda causa impactos significantes no fator de potência estando apenas energizada e que este comportamento é mais significativo durante o processo de soldagem. 1, , Fator de Potência 0,8 0,7 0,6 200 Figura 11. Tensões RSM - medição no ponto M2 0,5 Figura 13. Fator de potência medição no ponto M1

6 1,0 0,9 Fator de Potência 0,8 0,7 0,6 0,5 Figura 14. Fator de potência medição no ponto M2 1,0 Figura 17. Espectro harmônico de corrente na fase A - medição no ponto M2 0,9 Fator de Potência 0,8 0,7 0,6 0,5 Figura 15. Fator de potência medição no ponto M3 C. Dirtorção Harmônica As figuras 16 e 17 e 18 apresentam os espectros harmônicos de corrente nos pontos de monitoramento M1, M2 e M3, respectivamente, enquanto as figuras 19, 20 e 21 ilustram os espectros harmônicos de tensão para os mesmos pontos selecionados. Para esta informação foram escolhidos apenas os resultados obtidos para o momento de operação do equipamento, ou seja, no processo da soldagem. Outras informações estão sintetizadas na Tabela III. Figura 18. Espectro harmônico de corrente na fase A - medição no ponto M3 Figura 19. Espectro harmônico de tensão na fase A - medição no ponto M1 Figura 16. Espectro harmônico de corrente na fase A - medição no ponto M1

7 Figura 20. Espectro harmônico de tensão na fase A - medição no ponto M2 desequilíbrio de 0,83%. Já para o ponto M3 este índice foi de 0,01%. Para operação à vazio os valores de desequilíbrio estão apresentados na Tabela III. Quanto ao Flicker, o modelo computacional não apresentou comportamento compatível com a máquina de solda real. Este fato se justifica pela filosofia de simplificação adotada para a representação do arco elétrico resultante do contato do eletrodo com a peça a ser soldada merecendo, portanto, melhorias no modelo computacional proposto. Não obstante, obteve-se o valor desta grandeza durante os testes em laboratório cuja magnitude foi de aproximadamente 2 pu. Este valor é preocupante uma vez que o limite recomendado como adequado é de 1pu e que valores acima de 2pu são considerados críticos, conforme estabelecido pelo PRODIST. A Tabela III descreve uma síntese dos principais resultados para as análises realizadas neste trabalho. À exceção dos desequilíbrios de tensão, estes resultados foram aqueles obtidos para a fase A. TABELA III. SÍNTESE DOS RESULTADOS Ponto M1 Ponto M2 Ponto M3 à vazio em operação à vazio em operação à vazio em operação DTT (%) 0,67 1,8 0,39 1,1 0,15 0,15 DTI (%) 6,48 11,02 6,48 11,02 4,3 9,79 FP 0,83 0,56 0,83 0,57 0,83 0,54 Desequilíbrio (%) 0,2 1,22 0,13 0,83 0,01 0,01 Figura 21. Espectro harmônico de tensão na fase A - medição no ponto M3 Como pode ser visto nas figuras, a máquina de solda não ocasiona grandes impactos no que tange às distorções harmônicas para o sistema considerado. Contudo, é válido observar que caso o mesmo já possua um nível de distorção elevado, a operação deste equipamento pode contribuir para a violação dos limites. Esta afirmação pode ser constatada no fato que, mesmo considerando maior parte do carregamento do sistema composto de cargas lineares, o nível de DTT foi da ordem de 2% no ponto de conexão do equipamento à rede elétrica. Além disso, estes resultados refletem os efeitos causados pela operação de apenas um equipamento em todo sistema e sob uma única condição de carregamento. Portanto, embora os resultados obtidos não sejam preocupantes, é importante que a análise deste fenômeno seja efetuada para cada situação, principalmente em sistemas que possuam banco de capacitores instalados para correção do fator de potência. O modelo proposto permite que estas análises sejam prontamente realizadas. D. Desequilíbrio de tensão e Flicker Por se tratar de uma carga monofásica de grande impacto na rede de distribuição, foi realizado o cálculo do desequilíbrio nos pontos selecionado. Para o ponto M1 o desequilíbrio encontrado durante a soldagem foi de 1,22%. Para a mesma situação o ponto M2 apresentou um V. CONCLUSÃO A simulação computacional tem se mostrado como uma grande ferramenta de auxílio para investigações e avaliações dos impactos da operação de cargas perturbadoras em sistemas elétricos, viabilizando diagnósticos e soluções para engenheiros e pesquisadores. Embora esta prática já tenha sido utilizada por algumas distribuidoras, com o advento do PRODIST, as concessionárias de energia elétrica tendem a utiliza-la cada vez mais no intuito de tomar medidas preventivas para que seus sistemas operem dentro dos limites recomendados. Neste sentido, este trabalho apresentou as características operacionais e respectiva modelagem computacional da máquina de solda transformadora, utilizada na grande maioria das serralharias e oficinas mecânicas de pequeno e médio porte. Apesar das simplificações feitas para a sua elaboração o modelo computacional proposto apresentou boa correlação com o comportamento elétrico de uma máquina de solda real. Os autores reconhecem que, dentre os parâmetros avaliados, apenas a reprodução da flutuação de tensão do equipamento ainda deve ser aperfeiçoada. Contudo, os resultados evidenciaram a sua capacidade para realização de simulações computacionais que viabilizem análises dos impactos de cargas potencialmente perturbadoras, suas propagações e influências nos sistemas de energia elétrica. Desta forma, pode-se realizar avaliações e ações preventivas para que o sistema elétrico apresente condições operacionais compatíveis com os índices solicitados pelas normas e recomendações pertinentes ao tema em foco.

8 AGRADECIMENTOS Os autores expressam seus agradecimentos a FAPEMIG, CAPES e CNPq pelas bolsas de mestrado e de doutorado no programa de Pós-Graduação da FEELT-UFU e à ENERGISA S.A. pelo apoio através de projeto de pesquisa e desenvolvimento. REFERÊNCIAS [1] R. C. Dugan, M. F. McGranaghan, S. Santoso, H. W. Beaty, Electrical Power Systems Quality, 2nd Edition, USA: McGraw-Hill, [2] ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional PRODIST Modulo 8, [3] BORGES, W.M., MOREIRA, A.C., BERCI, C.D., Modelagem e simulação computaci-onal com validação prática da máquina de solda, IX Conferência Brasileira de Qualida-de da Energia Elétrica IX CBQEE, Cuiabá MT, julho/agosto [4] SILVA, E. F., SCOTTI, A., MACEDO, J. R., OLIVEIRA, J.C., Análise do processo de soldagem MIG/MAG sob o enfoque da qualidade da energia elétrica, IX Conferência Brasileira de Qualidade da Energia Elétrica IX CBQEE, Cuiabá MT, julho/agosto [5] SILVA, E. F., SCOTTI, A., MACEDO, J. R., OLIVEIRA, J.C., Flutuação de tensão e inter-harmônicas no processo de soldagem MIG pulsado, IX Conferência Brasileira de Qualidade da Energia Elétrica IX CBQEE, Cuiabá MT, julho/agosto 2011.