Análise da Influência das Distorções Harmônicas em Motores de Indução Acionando Correias Transportadoras

1 Análise da Influência das Distorções Harmônicas em Motores de Indução Acionando Correias Transportadoras C. M. S. Magalhães 2 R. D. S. Silva 1 U. H. Bezerra 1 M. E. L. Tostes 1 R.P.O. Soares 1 Resumo-Este artigo apresenta os efeitos do acionamento do inversor de freqüência na distorção harmônica em um sistema de correia transportadora. Para tanto, foram realizados ensaios de partida direta e partida com inversor de freqüência (com três velocidades diferentes) em uma correia transportadora acionada por motor de indução. Análises foram feitas dos resultados de medições coletadas comparando os resultados da distorção harmônica de tensão e de corrente no quadro de distribuição e na carga acionada. Serão analisadas as temperaturas coletadas na carcaça do motor para avaliar um dos efeitos distorção harmônica na carga. Palavras Chave-Hamônicos, partida direta, partida com inversor, qualidade da energia, sistema de correia transportadora. O I. INTRODUÇÃO termo Qualidade da Energia Elétrica está relacionado com qualquer desvio de natureza permanente ou temporária que possa ocorrer na magnitude, na forma de onda ou na freqüência da tensão e/ou corrente elétrica. Os sistemas elétricos estão sujeitos a uma ampla variedade de problemas de qualidade da energia que podem interromper os processos de produção, afetar equipamentos sensíveis e causar indisponibilidade causando prejuízos ainda não contabilizados. Os prejuízos econômicos resultantes dos problemas de qualidade da energia elétrica nas indústrias são muito elevados, e por isso essa questão é hoje, mais do que nunca, objeto de grande preocupação. Dentre os problemas de qualidade da energia será abordado neste artigo a distorção harmônica, enfocando as conseqüências das cargas não lineares no sistema elétrico. As distorções harmônicas são fenômenos periódicos e ocorrem quando existe uma combinação das componentes da forma de onda senoidal em 60 Hz, a fundamental e seus múltiplos inteiros. A presença de harmônicos nos sistemas de potência resulta 2 ELETRONORTE; BR 422, km 11, SE 500 kv, Canteiro de Obras, CEP: 64864-000 Tucuruí-PA-Brasil (e-mail: christianemarques@eln.gov.br) 1 UFPA/ NESC/ LABQUALI (Laboratório de Qualidade e Eficiência Energética) CT/ DEEC Av. Augusto Corrêa, 1 - Guamá CEP: 66075-110 Belém-PA-Brasil (e-mail: tostes@ufpa.br; rogeriodss@ieee.org;bira@ufpa.br) num aumento das perdas relacionadas com o transporte e distribuição de energia elétrica, em problemas de interferências com sistemas de comunicação e na degradação do funcionamento da maior parte dos equipamentos ligados à rede, sobretudo daqueles (cada vez em maior número) que são mais sensíveis por incluírem sistemas de controle microeletrônicos que operam com níveis de energia muito baixos. O número de conversores eletrônicos de potência utilizados, sobretudo na indústria, mas também pelos consumidores em geral, não pára de aumentar. Em conseqüência disso, é possível observar uma crescente deterioração das formas de onda de corrente e tensão dos sistemas de potência. Uma das principais cargas presentes nas indústrias é o Sistema de Transporte por Correia. As máquinas e equipamentos de transporte são utilizados para mover as mais diversas cargas no interior de indústrias, entre dois ou mais departamentos ou etapas de processos. Neste contexto, o presente trabalho irá apresentar um estudo que avalia a influência do inversor de freqüência na injeção de harmônicos no sistema elétrico. Dessa forma, irá apresentar e comparar os resultados de ensaios realizados em um sistema de correia transportadora submetido à partida direta e à partida com inversor de freqüência em diferentes velocidades. Para avaliar um dos efeitos da distorção harmônica na carga será feita a análise da temperatura na carcaça do motor em cada caso. II. METODOLOGIA Os ensaios foram realizados no Laboratório de Qualidade da energia (Labquali) da UFPA utilizando a bancada do sistema de correia transportadora apresentada na Fig. 1. O monitoramento da qualidade da energia foi feito antes e depois dos sistemas de acionamento da bancada, ou seja, no quadro de distribuição que alimenta a bancada e na alimentação do motor de indução que movimenta a correia transportadora, como ilustra o diagrama simplificado da Fig.2. Para tanto foram utilizados dois analisadores trifásicos com as seguintes características: Analisador 1: Registrador digital trifásico, programável, destinado ao registro das tensões, correntes, potências,

2 energia, harmônicos e oscilografia de perturbações. Possui nove canais de entrada: 3 canais para tensões com neutro comum (0 a 540 Vrms); 3 canais para correntes (0.1 a 10 A) via alicates; 3 canais para sinais auxiliares (4 a 20 madc ou 0 a 3,3 Vdc). Analisador 2: Registrador digital trifásico que registra os seguintes parâmetros de sistemas de energia: tensão, corrente, freqüência, potência, consumo de energia, desequilíbrio e oscilações, harmônicos e inter-harmônicos. Possui 4 pinças amperimétricas, 5 cabos e pinças de teste de tensão. Dispõe de uma precisão de tensão de 0,1%. Acionamento da Bancada Quadro de Distribuição Um motor de indução trifásico 1,5 CV, 2P, 220V, 3370 rpm, classe de isolação B, movimenta a correia transportadora e é submetido à acionamentos de partida direta e partida com inversor de freqüência. Na partida direta o motor é conectado diretamente a rede elétrica, ou seja, a tensão nominal é aplicada diretamente sobre os enrolamentos do estator do motor. O inversor de freqüência da bancada é controlado por microprocessador, utiliza tecnologia IGBT (Transistor Bipolar de Gate Isolado) e a modulação por largura de pulsos (PWM) com freqüência de pulsação ajustável de 2 khz à 16 khz. É capaz de alimentar cargas de 0,16 CV a 350 CV. Foram realizados quatro ensaios: partida direta; partida com inversor de freqüência utilizando a rotação máxima no motor; partida com inversor de freqüência utilizando rotação média no motor; partida com inversor de freqüência utilizando rotação baixa no motor. Cada ensaio (partida direta e partidas com inversor de freqüência) foi realizado em aproximadamente uma hora e durante cada experimento variou-se somente o peso aplicado na correia transportadora, de 0kg à aproximadamente 100 kg. Em cada ensaio foi medida a temperatura na carcaça do motor e a temperatura média no laboratório durante os ensaios foi de 26 C. Motor de Indução Correia Transportadora Fig. 1. Bancada do sistema de Correia Transportadora. Nos ensaios foram medidos os valores eficazes das tensões e correntes constatando que a alimentação do quadro apresentava-se pouco desequilibrada (máximo de 1,4%) e foi feita a aquisição das distorções harmônicas de tensão e corrente pelos dois analisadores. As análises harmônicas apesar de terem sido coletadas até a 41 a ordem, serão analisadas até a 11 a ordem por serem as mais significativas nos sistemas de distribuição de energia [3]. Fig. 2. Diagrama simplificado do ensaio Sistema de Variação do Peso O analisador 1 registrou os dados referentes à tensão de linha no barramento do quadro de distribuição e às correntes de fase do circuito que alimenta a bancada de correia transportadora. O analisador 2 registrou os dados de tensão de linha e de corrente de fase em cada fase da alimentação do motor que movimenta a correia transportadora (conectado em Δ). III. RESULTADOS A variação do peso aplicado na correia não alterou consideravelmente a resposta do sistema em relação aos dados analisados durante todos os ensaios, de forma que não será levada em consideração nos resultados a seguir. A. Partida Direta O motor utilizado no experimento é de 1,5 cv, dessa forma é possível realizar partida direta sem gerar problemas na instalação. Durante o experimento de partida direta a temperatura na carcaça do motor variou de 28,6 C a 29,9 C. Comparando os histogramas das Fig. 3 e 4 percebe-se que há pouca diferença entre a distorção harmônica de tensão medida no quadro de distribuição e na alimentação do motor. Em ambos histogramas prevalecem os harmônicos ímpares, principalmente 5, 7 e 3, em ordem crescente de contribuição. A participação desses harmônicos é característica dos sistemas elétricos de potência [3]. A componente harmônica de maior magnitude foi a de 5 a ordem, que obteve no quadro de medição 2,7% e na carga 2,6%. Em ambos os casos a distorção encontram-se dentro dos limites estabelecidos por norma IEEE 519 [4] que estabelece para as harmônicas individuais 3% de distorção máxima. O mesmo pode-se observar para a distorção harmônica total DHT% - que esteve em 3% para a medição no quadro de alimentação (Fig. 3) e 2,8% (Fig.4) para a medição no sistema da carga, enquanto o limite máximo admitido pela mesma resolução é de 5%.

3 3,50 2,50 1,50 0,50 Fig. 3. para partida direta 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Fig. 4. para partida direta Analisando as Fig. 5 e 6 observa-se que a distorção harmônica de corrente medida no quadro de distribuição é um pouco maior que a distorção harmônica de corrente na alimentação do motor. Em ambos histogramas prevalecem dos harmônicos ímpares, principalmente 5 e 3, em ordem crescente de contribuição. 25,00 2 15,00 1 5,00 DHT 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Fig. 5. para partida direta 1 1 1 8,00 6,00 DHT 2 3 4 5 6 7 8 9 11 10 11 Fig. 6. para partida direta. B. Partida com Inversor de Freqüência com Motor em Velocidade Máxima Neste ensaio o inversor de freqüência foi ajustado para acionar o motor em rotação máxima (3370 rpm). Durante o experimento foi observada uma variação de 28,1 C a 30,0 C na temperatura da carcaça do motor. Conforme ilustram as Fig. 7 e 8, o DHTv% medido no quadro que alimenta o conjunto inversor-carga foi de 3,52% e o DHTv% medido na carga foi de 1,22%. Comparando-se os resultados com a partida direta, observa-se um acréscimo na DHTv% no quadro de distribuição do laboratório e uma redução significante na DHTv% na carga. Com este resultado pode-se observar que o inversor, quando aciona o motor na velocidade nominal, contribui para o acréscimo na poluição harmônica da rede e não permite que este acréscimo de distorção passe para a carga. As contribuições harmônicas ímpares de tensão no quadro de distribuição são mais significativas, enquanto que na carga há considerável contribuição de componentes pares, principalmente a 2 e a 4 harmônicas. Na Fig. 8 percebe-se que os harmônicos mais significativos são de ordem 2, 4, 5, 7, 8, 10 e 11. Destaque pode ser dado para a presença de harmônicos de ordem 2, 5, 8 e 11 que são de seqüência negativa. Eles produzem uma força magnetomotriz e fluxo magnético sobre o rotor contrários ao fluxo da componente fundamental. Este fato, apesar de preocupante, encontra-se em níveis bem abaixo dos estabelecidos pela IEEE 519 neste caso, pois os níveis de distorção foram de 0,53% para o 2º harmônico, 0,25% para o 5 harmônico, 0,21% para o 8 harmônico e 0,14% para o 11 harmônico. Por este fato a temperatura do motor não teve uma variação significativa em relação à partida direta. 3,50 2,50 1,50 0,50 Fig. 7. para partida com inversor de freqüência com motor em velocidade máxima 1,40 1,20 0,80 0,60 0,40 0,20 Fig. 8. para partida com inversor de freqüência com motor em velocidade máxima. Analisando os histogramas das Fig. 9 e 10 observa-se uma diferença de aproximadamente 180% entre o DHTi% na carga e no quadro. As contribuições harmônicas ímpares de corrente no quadro de distribuição são mais significativas, enquanto que na carga há importante contribuição de componentes pares e ímpares, principalmente 2, 5, 3, 4 e 7. Observa-se também que os níveis de DHTi% no quadro encontram-se

4 bem acima dos limites máximos permitidos pela norma IEEE 519, cujo valor de DHTi% deu acima de 180% e os parciais mais significativos (3, 5 e 7 ) deram acima de 70%. Já na carga, apesar de terem valores menos significativos, as contribuições também são preocupantes principalmente os 2,3% medidos de 2 harmônico e os 2,25% do 5 harmônico do DHTi% na carga que prejudicam o funcionamento do motor, por serem de seqüência negativa (Fig. 10). 250 200 150 100 medidos apresentaram-se todos acima dos 3% estabelecidos por norma. 5,00 Fig. 11. para partida com inversor de freqüência com motor em velocidade média 50 0 Fig. 9. para partida com inversor de freqüência com motor em velocidade máxima. 5 4 1 1 1 8,00 6,00 3 2 1 0 Fig. 10. para partida com inversor de freqüência com motor em velocidade máxima C. Partida com Inversor de Freqüência com Motor em Velocidade Média Neste ensaio o inversor de freqüência acionou o motor em rotação média (1950 rpm). Analisando as Fig. 11 e 12 observa-se que houve uma diferença de aproximadamente 7% entre o DHTv% medido na carga e o DHTv% medido no quadro, sendo maior a distorção na carga. As contribuições harmônicas ímpares (5, 7 e 3 ) de tensão no quadro de distribuição são mais significativas, enquanto que na carga há contribuição relevante de componentes pares e ímpares, principalmente 2, 3, 4, 5 e 6. Os valores medidos no quadro encontram-se dentro do nível estabelecido por norma (5%) sendo 3,95% para o DHTv% e as harmônicas parciais estiveram todas abaixo dos 3%. Para as distorções harmônicas de tensão presentes na carga (Fig. 12), percebe-se que o inversor quando aciona o motor com velocidade média não protege a carga das distorções harmônicas como acontece quando o inversor aciona o motor com a velocidade nominal. Os níveis observados foram bem acima dos permitidos por norma, sendo 11,5% para o DHTv% e para os harmônicos parciais de 2 a, 3 a e 4 a ordens os valores Fig. 12. para partida com inversor de freqüência com motor em velocidade media Conforme ilustram as Fig. 13 e 14 o DHTi% medido no quadro que alimenta o conjunto inversor-carga foi de 195% e o DHTi% medido na carga foi de 11,7%. As contribuições harmônicas ímpares de corrente no quadro de distribuição predominam, enquanto na carga há importante contribuição de componentes pares e ímpares, principalmente 2, 3, 4. 25 20 15 10 5 Fig. 13. para partida com inversor de freqüência com motor em velocidade média As freqüências harmônicas observadas na Fig. 14 apresentam níveis bem preocupantes quando em análise as correntes harmônicas de seqüência negativa.

5 1 1 1 8,00 6,00 14 12 10 8 6 4 2 Fig. 14. para partida com inversor de freqüência com motor em velocidade média D. Partida com Inversor de Freqüência com Motor em Velocidade Baixa Neste ensaio o inversor de freqüência foi ajustado acionar o motor em rotação baixa (638 rpm) e durante o experimento a temperatura na carcaça do motor variou de 30,9 C a 31,3 C. Neste experimento encontrou-se os maiores níveis de temperatura na carcaça do motor e de distorção harmônica na carga, principalmente quando observando as harmônicas de seqüência negativa, como pode-se observar nas Fig. 16 e 18. Comparando os histogramas de distorção harmônica de tensão das Fig. 15 e 16 observa-se que o DHTv% medido no quadro foi de 4,1% e o DHTv% medido na carga foi de 114,5%, existindo assim uma diferença de 110,4%. As contribuições harmônicas ímpares (5, 3 e 7 ) de tensão no quadro são mais significativas, enquanto que na carga há contribuição relevante de componentes pares e ímpares, principalmente 2, 4, 3, 5 e 7. 5,00 Fig. 16. para partida com inversor de Conforme ilustram as Fig. 17 e 18 o DHTi% medido no quadro foi de 183,5% e o DHTi% medido na carga foi de 55%, havendo uma diferença de aproximadamente 128,5%. Semelhante aos resultados do ensaio que mantém o motor em velocidade média, as contribuições harmônicas ímpares de corrente no quadro de distribuição predominam, enquanto na carga há importante contribuição de componentes pares e ímpares, principalmente 2, 3, 4, 5 e 6. 20 15 10 5 Fig. 17. para partida com inversor de Fig. 15. para partida com inversor de 6 5 4 3 2 1 A distorção harmônica de tensão para o acionamento do inversor com motor em velocidade muito abaixo da nominal gerou um nível de distorção harmônica altíssimo na carga e um aumento na temperatura da carcaça do motor. Para o ensaio com o inversor na velocidade nominal foi observada uma variação de 28,1 C a 30,0 C na temperatura da carcaça do motor e para o ensaio em velocidade a 20% da nominal a temperatura variou de 30,9 C a 31,3 C. Fig. 18. para partida com inversor de É importante observar a contribuição do 2 harmônico (36%) e do 5 harmônico (14%) para o DHT% de corrente medido na carga, pois ambos são de seqüência negativa e produzem uma força magnetomotriz e fluxo magnético sobre o rotor contrários ao fluxo da componente fundamental. Estas componentes com valores bem acima do permitido por norma gerando torques contrários no motor podem estar causando o aquecimento registrado na medição da temperatura da carcaça.

6 E. Comparação dos tipos de Partida Em todos os ensaios o DHTv% e as contribuições individuais dos harmônicos de tensão medidas no quadro estiveram abaixo do limite máximo estabelecido pela IEEE 519 (5%), sendo observado um aumento na distorção para os ensaios com inversor de freqüência. O DHTv% medido na carga ultrapassou o limite estabelecido pela IEEE 519 nos ensaios de partida com inversor de freqüência acionando o motor em velocidade média (11,5%) e em velocidade baixa (115%).Há uma maior diferença nos DHTs% de corrente medidos no quadro de distribuição, pois na partida direta obteve-se 19% enquanto nas partidas com inversor de freqüência o DHTi% nos três ensaios foram acima de 180%. O inversor de freqüência aumenta a injeção de harmônicos na rede à medida que diminui a velocidade de rotação do motor. Os histogramas de tensão e corrente medidos na carga para as partidas com inversor (Fig. 8, 10, 12, 14, 16 e 18) têm contribuições significativas de harmônicos pares e ímpares, em todos eles o 2 harmônico tem a maior participação no DHT%. Houve um aumento na temperatura da carcaça do motor durante o ensaio de partida com inversor acionando motor em velocidade baixa (30,9 C a 31,3 C) em relação ao ensaio de partida direta (28,6 C a 29,9 C). Nos histogramas de tensão medidos no quadro (Fig. 3, 7, 11 e 15) há grande participação do 5 harmônico. Já os histogramas de corrente medidos no quadro (Fig. 5, 9, 13 e 17) houve importante contribuição dos harmônicos 3, 5, 7, 9 e 11. IV. CONCLUSÃO A metodologia proposta mostrou-se satisfatória, pois apresentou por meio de ensaios o efeito do inversor de freqüência na injeção de harmônios em um sistema de correia transportadora. A partida direta, por não utilizar componentes não lineares no acionamento, praticamente não alterou os níveis de distorção harmônica no sistema em estudo. Nos ensaios de partida com inversor de freqüência as distorções de tensão e corrente medidas no quadro de distribuição (Fig. 7, 9, 11, 13, 15 e 17) são maiores que no ensaio de partida direta (Fig. 3 e 5), comprovando que o inversor injeta harmônicos na rede. Os valores de distorção de corrente medidos no quadro para as partidas com inversor ultrapassaram os limites da Norma IEEE 519, chegando a valores de 200%. Pôde-se observar que o inversor de freqüência aumenta a injeção de harmônicos no sistema elétrico e na carga acionada quando diminui a velocidade de rotação do motor, isso acontece devido à modulação PWM do inversor. A Presença de harmônicos de seqüência negativa (2, 5, 8, 11,..) nas distorções de corrente e tensão medidas na carga nos ensaios com inversor são prejudiciais ao motor. Dessa forma explica-se, em parte, o aumento de temperatura na carcaça do motor no ensaio de partida com inversor acionando o motor em velocidade baixa em relação à partida direta. A redução da velocidade (ventilação) no ensaio de partida com inversor acionando o motor em velocidade baixa também contribui para esse aumento da temperatura. Ante o exposto, em casos com acionamento abaixo da velocidade nominal é recomendável que se utilize filtros harmônicos entre o inversor e a carga e o inversor e a rede, para minimizar os efeitos das distorções harmônicas tanto no sistema elétrico como na carga acionada. V. REFERÊNCIAS [1] R. C Dungan, S. Santoso, H. Beaty., Electrical Power Systems Quality, 2ª Ed, 2002. [2] Afonso, João Luiz, Qualidade de Energia Electrica na Indústria, Departamento de Electrónica Industrial Universidade do Minho, Campus de Azurém, 2003 [3] M E.L Tostes; Avaliação de Impactos causados na rede de distribuição pela geração de harmônicos em consumidores em baixa tensão, tese de doutorado do curso de pós-graduação em engenharia elétrica da UFPA, Dezembro, 2003. [4] IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems.Project. IEEE-519. October 1991. [5] A. H. M. Santos, A. A. Simões, Conservação de Energia Eficiência de Equipamentos e Instalações, 3ª Ed., Itajubá, 2006. VI. BIOGRAFIAS Christiane M. Sousa de Magalhães nascida em Aracaju, SE, Brasil em 18/07/81. Graduou-se em Engenharia Elétrica em 2005 pela Universidade Federal de Campina Grande. Atualmente é Engenheira de Manutenção Elétrica da Eletronorte e aluna de mestrado pela Universidade Federal do Pará (UFPA). Seus temas de interesse para pesquisa são: qualidade e eficiência energética, sistemas motrizes industriais e aplicação de inteligência computacional para sistemas de energia. Rogério D. de Souza e Silva nascido em Belém, PA, Brasil em 16/08/77. Graduou-se em Engenharia Elétrica em 2002 e obteve o título de mestre em Sistemas de Energia em 2004, ambos pela UFPA. Atualmente é aluno de doutorado também pela UFPA. Seus temas de interesse para pesquisa são: qualidade e eficiência energética, sistemas motrizes industriais e aplicação de inteligência computacional para sistemas de energia. Maria Emília de Lima Tostes nasceu em Recife-PE-Brasil em 1966. Formada em Engenharia Elétrica pela UFAP em 1988, concluiu o mestrado em 1992 e o doutorado em 2003 pelo programa de pós-graduação em Engenharia Elétrica da mesma Universidade. É professora do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da UFPA. Suas áreas de pesquisa são qualidade da energia, sistemas de distribuição e processos industriais. Ubiratan H. Bezerra nascido em Pereiro CE em 1950. Graduado pela UFPA, em 1976, recebeu o título de mestre pela Universidade Federal de Itajubá, em 1980 e o título de doutor pela Universidade Federal do Rio de Janeiro, em 1988, todos em Engenharia Elétrica. Desde 1977 faz parte do Departamento de Engenharia Elétrica e da Computação, atualmente como professor titular. Seus interesses em pesquisa estão direcionados a análise de segurança estática e dinâmica de sistemas de energia, qualidade de energia, e geração de energia renovável Rosana Paula de Oliveira Soares, graduada em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Pará com opção em eletrônica, em 1986. Mestre em Engenharia Elétrica Área de Sistemas de Potência, pela UFPA em 1990. Atualmente, encontra-se em Doutoramento no curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Pará. É Professora Adjunta do Departamento de Engenharia Elétrica da UFPA, onde ministra Cursos de graduação da área de sistemas de controle, e atua nas seguintes linhas de pesquisa: Inteligência Computacional, Controle Neural, Identificação Neural, Sistemas de Controle em Tempo Real, Modelagem e Controle de Processos Químicos.