ABB Power Systems

Soluções para Qualidade de Energiae Aumento de Produtividade

Como muitos outros segmentos dasociedade, o setor de energia está passando por grandes mudanças.

No mundo inteiro, os anteriormente pas-sivos Consumidores de Energia estão setornando ativos Clientes desse produto,uma tendência particularmente notadanos mercados de Energia recèm privati-zados.

A sempre crescente concorrência nosmercados de concessionárias de energiae nos mercados industriais está focali-zando a importância da Qualidade nofornecimento de Energia.

A Qualidade de Energiatorna você mais exigente

Cada vez mais, os industriais estão se dandoconta que a energia elétrica deve ser vista comoum dentre os vários produtos vitais para seusnegócios. Desta forma, deve ser submetida àsmesmas exigências com relação ao controle daqualidade, confiabilidade do fornecimento, etc.,que qualquer outro produto.

Para a indústria, a Qualidade de Energia significaprodutividade assegurada e controle de custo.

Para as concessionárias de energia, a Qualidadede Energia significa a preferência do Clientequando da escolha do fornecedor.

Com este aumento de conhecimento, os custos dofornecimento de baixa qualidade, que antes fica-vam encobertos, estão emergindo. Por exemplo:

A interrupção de um processo industrial, emdecorrência de falta de energia ou queda detensão, pode resultar em custos adicionais subs-tanciais à operação. Estes compreendem: perdade produção, custos de mão-de-obra para limpezae recolocação em serviço, produtos danificadosou de baixa qualidade, atrasos na entrega, reduzidasatisfação do Cliente e, possivelmente, danos aoequipamento de produção. O consumidor indus-trial de energia e o proprietário da rede almejamtravar negociações quanto a responsabilidades ecompromissos, em futuro próximo. Qualidade deenergia - uma questão de economia.

Qualidade deenergia -uma questão deeconomia

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Qualidade de Energia – uma preocupação de todos

Onde há ausência de qualidade, distúrbios, taiscomo: oscilação de tensão e harmônicos, podemcausar problemas a consumidores domésticos eindustriais, distantes do local onde o problemaé originado. Finalmente, o equipamento danifi-cado tornar-se-á uma preocupação para muitosconsumidores e não somente para os proprie-tários do equipamento ou da rede.

Problemas e impactoA qualidade de um fornecimento de energia é sinônimo amplo de qualidade de tensão. Atensão fornecida em um dado ponto de conexãodever ser a mais próxima possível do valornominal, com forma de onda senoidal pura,livre de harmônicos e outros distúrbios.

Em uma rede, normalmente ocorrem variaçõesno nível de tensão, devido a condições devariação de carga. Esta variação é mantida dentrode certos limites e o equipamento conectado àrede pode admití-la sem problemas.

Raios ou faltas à terra, em conseqüência dequedas de árvores sobre linhas de transmissão,

por exemplo, podem, entretanto, conduzir auma queda de tensão fora do limite de tolerân-cia, por curtos ou longos períodos. Processosindustriais complexos ou sensíveis, como afabricação de papel, de plásticos ou de semi-condutores, podem ser paralisados, mesmo pordistúrbios de tensão bastante limitados.

Fornos elétricos a arco (EAFs) são utilizados porfabricantes de aço em todo o mundo. Na con-dição de grandes usuárias de energia, as fábricasde aço são consumidoras importantes aos pro-prietários da rede e aos produtores de energia.

Um forno elétrico a arco descompensado con-some grandes quantidades de potência reativada rede.

Para o fabricante de aço, isto leva à perda des-necessária de eficiência e produtividade.

Para o proprietário da rede, um forno elétrico aarco descompensado é a principal fonte de dis-túrbios, tais como: flutuações de tensão, harmô-nicos e desequilíbrio de fase, que podem causar

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problemas a outros consumidores na rede.

Em redes fracas, grandes motores podem causarquedas de tensão tão acentuadas durante a par-tida que o próprio motor não é capaz de operar.

Harmônicos causados por cargas não-lineares,como retificadores em eletrônica de potênciaou fornos a arco, conduzem a perdas desneces-sárias e requerem onerosas modificações aoequipamento. Nos casos graves, altos níveis deharmônicos podem até interromper os sistemasde controle e equipamentos eletrônicos.

Felizmente, o problema da baixa ou insuficientequalidade de energia, como salientado acima,pode ser administrado.

A ABB Sistemas de Potência oferece váriasopções de soluções, apresentadas neste folheto,que, além de atenderem aos problemas da qua-lidade de energia, freqüentemente contribuempara melhorar o processo industrial e aumentara produtividade e, com ela, a competitividade.

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MinicapNos sistemas em que cargas relativamentegrandes são conectadas próximas ao terminalremoto de um alimentador radial, quedas severase flutuações de tensão podem ocorrer a níveisvariáveis de caga. Em alguns casos, grandesmáquinas rotativas em alimentadores fracoscausam quedas de tensão tão acentuadasdurante a partida que se torna impossível à própria máquina alcançar a velocidade de operação.

A aplicação da tecnologia de capacitor sériepode ser uma solução economicamente atrativaa estes tipos de problemas.A linha de produtos da ABB Sistemas de Potênciainclui capacitor série montado em poste, especial-mente adaptado a linhas de distribuição:

- Minicap, projetado para suportar alimentadores até 36kV.

O Minicap contribui para diminuir as condiçõesde subtensão resultantes de cargas pesadas, ate-nuar condições de sobretensão decorrentes derejeição repentina de carga e reduzir o consumode potência reativa. Através do controle de tensãocontínuo e instantâneo, o Minicap atende às mes-mas exigências rigorosas de precisão e confiabi-lidade operacional que quaisquer outros mode-los de equipamentos de distribuição modernos.

SVC-Q e MinicompAs cargas em que a demanda de potência reativavaria rapidamente, tais como: laminadores,guinchos de mina, guindastes, máquinas de soldar e fornos a arco, causam rápidas flutuaçõesde tensão. Se os efeitos são suficientementegrandes, podem ocorrer distúrbios na produçãoou distúrbios operacionais, tais como disparosde relés em virtude de queda de tensão. O con-trole da compensação de potência reativa é amelhor forma de reagir a este tipo de variaçãode tensão.

A ABB Sistemas de Potência oferece duassoluções a este tipo de problema:

- Compensadores Static Var (SVC), feitos sob medida para atender às necessidades de grandes cargas (tipicamente > 10MVA até vários 100MVA);

- Minicomp, para cargas médias de energia,com demanda de potência reativa de 1 a 20MVar.

Uma vez que a maioria das variações de tensãoindesejadas é normalmente causada por potênciareativa, o SVC e o Minicomp são extremamenteefetivos no combate às variações de tensão cau-sadas pela operação normal do equipamento.

Flutuações de tensão

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Flicker

O que é flicker?Variações de tensão originam flutuações naintensidade da luz nas casas, escritórios e outrasinstalações. A certas freqüências, mesmo aspequenas variações de luz podem ser sentidaspor muitas pessoas como altamente desconfor-táveis. Tais distúrbios são chamados de flicker.O flicker, como uma questão da Qualidade deEnergia, tem atraído considerável atenção damídia. No mundo todo, limites mais baixos detolerância para o flicker estão sendo gradual-mente implementados.

Fornos elétricos a arco encontrados nas siderur-gias são fonte significativa de flicker.Outras fontes incluem máquinas de soldar egeradores eólicos.As forças violentas liberadas no processo doforno a arco impõem uma vasta faixa de distúr-bios de natureza verdadeiramente aleatória narede.

A única forma de se reduzir tais distúrbios comsucesso é medir continuamente e reagir correta-mente às rápidas mudanças, através de compen-sação instantânea.

SVC Light – Um autêntico exterminadorde flicker

SVC Light é a soluçãoinovadora da ABBSistemas de Potência ao problema do flicker.O SVC Light utiliza umconversor de fonte detensão para fornecer apotência reativa neces-sária. O conversor éequipado com transisto-res IGBT que o habilitama ter um tempo de resposta menor que um milisegundo. Tornando o SVC Light muito maiseficaz – tipicamente, por um fator de 2-3, emcomparação com as soluções convencionais –no combate ao flicker. O SVC Light é similar ao STATCOM, porém com resposta muito maisrápida.

O SVC Light estabiliza a tensão no barramentodo forno. Do ponto de vista da produção, istosignifica que mais energia pode ser utilizada noforno, a qual, por sua vez, pode ser utilizadapara aumentar a produtividade.

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Em vermelho, flicker sem compensação.Em azul, com SVC Light.

PS

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Quedas e distúrbios da tensão são sérios pro-blemas para a Qualidade de Energia. Quedassão rápidas reduções no nível de tensão,tipicamente dentro de 10ms, abaixo do limite detolerância de tensão estipulado do equipamento.

Estas ocorrências, de caráter randômico, sãocausadas principalmente por raios na rede detransmissão que, por sua vez, afetam os siste-mas industriais de distribuição. Outras causascompreendem faltas à terra, por exemplo quandoárvores caem sobre linhas de transmissão. Adespeito da identificação da natureza da causa,quedas e distúrbios da tensão podem ser perce-bidos a centenas de quilômetros. Mesmo umapequena redução na tensão, para 70 por centoem uma fase, por exemplo, pode desativarinteiramente máquinas de papel. Entre outrasindústrias atingidas, encontram-se as têxteis, asde celulose e as com instalações hidráulicas crí-ticas. A ABB oferece diferentes soluções aosproblemas de quedas e distúrbios da tensão.Ininterrumpible).

S-DVR – Regulador Gradual Dinâmico de TensãoCompensar as variações de tensão, por períodosque vão de minutos a horas, mediante substi-

tuições de “taps” nos transformadores, tem sidoa prática adotada, por muitos anos, nas redesde energia. Comutadores convencionais são,entretanto, muito lentos para compensar asquedas e distúrbios de tensão em escala detempo de milisegundos.

O S-DVR utiliza um transformador e um comu-tador eletrônico com tiristores para compensaras quedas e distúrbios em escala ciclo-a-ciclo. O S-DVR pode reagir a uma ampla variedade deflutuações de tensão, exceto a distúrbios muitointensos (abaixo de 50 por cento da tensãonominal), incluindo faltas totais de energia.

Subtensões e AfundamentosMomentâneos de tensão

S-DVR

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As medições mostram, entretanto, que distúrbiosabaixo de 50 por cento da tensão nominal sãoraros na maioria dos sistemas. Não há limite naduração de distúrbios com o S-DVR - ele podecompensar flutuações indefinidamente, dentrode sua faixa especificada.

O S-DVR é otimizado para satisfazer cada apli-cação. Particularmente apropriado para cargasrelativamente grandes, pode ser empregadopara cargas até várias dezenas de MVA.

DVR – Restaurador Dinâmico de TensãoA função do DVR encontra-se ilustrada acima.No caso de uma queda de tensão, o conversoreletrônico de potência injeta a tensão apropriadarequerida no barramento de alimentação paracompensar o distúrbio. O DVR atua efetivamentecomo um buffer para a carga e evita distúrbiosindesejados. Os ciclos rápidos de controle e avelocidade de chaveamento em milisegundosdo conversor asseguram controle rápido e pre-ciso da tensão experimentada pela carga. Istopode ser crítico em processos como a fabricaçãode semicondutores, em que um único distúrbiode tensão pode causar a perda da produção e,com ela, custos bastante elevados.

Tipicamente, um DVR tem capacidade de arma-zenagem de energia suficiente para compensarum distúrbio de 50 por cento de tensão trifásicapara até 10 ciclos, período normalmente reque-rido para eliminação da falta. Os capacitoresservem como dispositivos de armazenagem deenergia. O DVR da ABB cobre uma faixa depotência de 3 a 50MVA.

Apesar de o DVR poder ser ajusta-do para compensar uma quedade até 90 por cento de tensão,ele não supre faltas totais deenergia. Para manter acarga, quando da falta deenergia, uma opçãoligada em paralelo aoDVR pode ser insta-lada – um DUPS,FornecimentoDinâmicoIninterruptode Energia.

DVR

Filtros de harmônicosNo caso ideal, as formas de onda de tensão ecorrente seguem senóides perfeitas. Em redesreais, cargas não-lineares, tais como: sistemasde acionamento, fornos elétricos a arco, retifica-dores e as crescentes aplicações domésticas eem escritórios, causam harmônicos e formas deonda não-senoidais. Os harmônicos originamperdas, por exemplo, em núcleos de transfor-madores e motores. Todavia, podem ainda causaroutros problemas mais sérios quando interferemnos sistemas de controle e equipamentos eletrô-nicos.

Os harmônicos podem ser reduzidos mediantefiltragem. No caso de grandes fontes de harmô-nicos, e de fácil identificação, filtros convencio-nais, projetados para atender às demandas daaplicação, são os meios mais baratos de se eliminar harmônicos e permanecer dentro doslimites estabelecidos. Estes filtros consistem debancos de capacitores com reatores de sintoni-zação adequados e resistores de amortecimento.Para cargas pequenas e médias, filtros ativos,baseados em conversores eletrônicos de potênciacom alta freqüência de chaveamento, podemser uma solução mais atraente.

DesequilíbrioPor várias razões, é preferível que a carga sejaigualmente dividida entre as três fases do sistemaCA. Entretanto, grandes cargas monofásicas ecarregamento desigual, em virtude de outrosmotivos, causam desequilíbrio no sistema.Desequilíbrio excessivo pode produzir distúrbiosou mesmo danificar geradores, máquinas rotati-vas e outros equipamentos.

Compensação adequada ao tipo de desequilí-brio, fixo ou dinâmico, deve ser aplicada.

O SVC é amplamente utilizado em alimentadoresde ferrovias para balanceamento dinâmico dacarga.

Se o desequilíbrio da carga é fixo e conhecido,a compensação pode ser feita mediante a com-binação de capacitores e reatores.

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Harmônicos e Desequilíbrio

EstudosProdutos padrão podem ser empregados emaplicações com demanda limitada de energia.Para potências mais elevadas, é sempre menosoneroso otimizar-se a solução ao sistema especí-fico. É importante investigarem-se os efeitos nasressonâncias do sistema, causadas pela intro-dução de novos equipamentos. A simulaçãocomputadorizada atual é ferramenta indispensávela este propósito. Vantagem adicional da simulaçãocomputadorizada é a facilidade da verificaçãodos efeitos “o que–se” de diferentes faltas e con-tingências no sistema, sem expor o sistema vivoa riscos. A ABB Sistemas de Potência possui largaexperiência na utilização de simulações compu-tadorizadas para a solução de problemas deQualidade de Energia, empregando tanto pacotesde softwares comerciais padrão quanto progra-mas especiais desenvolvidos internamente. Osresultados das simulações são regularmente vali-dados mediante medições em aplicações e casoscompletos.

CompetênciaA ABB Sistemas de Potência tem fornecidosoluções e sistemas de Qualidade de Energia pormais de trinta anos. Esta experiência é conduzidapor uma organização dedicada, que empregacerca de 100 pessoas, com gerenciamento deprojetos, engenharia, aquisição, despacho etodos os outros recursos de conhecimento neces-sários ao desempenho efetivo do projeto. A ABBSistemas de Potência executa projetos em todo omundo, freqüentemente com prazos muito curtos.Os projetos realizados compreendem não sóentregas turn-key, como também outras divisõesde responsabilidade, de acordo com as necessida-des específicas de cada Cliente.Um departamento especial de Apoio ao Clientecuida das necessidades dos mesmos quanto a con-tratos de serviços, visitas técnicas e sobressalentes.A ABB Sistemas de Potência possui Certificaçãoda Qualidade ISO 9001.

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