Partida de Motores,Compensação de Reativos,Qualidade de Energia,Afundamentos de Tensão,Simulações

27 DE FEVEREIRO DE 2019



Partida de Grandes Motores - Estudo Comparativo entre as Soluções com Compensações Reativas com Banco de Capacitores em Série e em Derivação



Este trabalho tem por objetivo apresentar uma análise comparativa entre os resultados dinâmicos do processo de aceleração de grandes motores sem qualquer tipo de compensação reativa e aqueles incluindo as compensações com capacitores em derivação (shunt) e em série. Inicialmente são apresentados os conceitos que envolvem a partida de motores e os sistemas de compensação de reativos normalmente utilizados. Analisa-se o caso da partida de um motor com a modelagem de um sistema elétrico real utilizando-se o programa de Transitórios Eletromagnéticos ATPDraw.

 

1. INTRODUÇÃO

 

Em geral os valores das correntes de partida dos motores de indução é cerca de 5 a 7 vezes o valor da sua corrente nominal, o que pode causar afundamentos momentâneos de tensão de amplitudes elevadas no sistema elétrico ao qual eles estão conectados. Esses afundamentos momentâneos de tensão comprometem a qualidade da energia elétrica fornecida aos consumidores industriais e é a principal razão dos desligamentos de suas cargas sensíveis a esse tipo de perturbação. A situação se torna mais crítica quando esses motores estão instalados em sistemas com linhas de transmissão e de distribuição longas, onde os valores da potência de curto-circuito são relativamente baixos em comparação com as solicitações impostas durante as elevadas demandas de potência reativa nas partidas dos motores.
Nas simulações realizadas foram utilizados os dados de um sistema elétrico real e comparados os resultados das simulações dinâmicas do processo de aceleração do motor sem qualquer tipo de compensação com aqueles que utilizam compensações com capacitores em derivação (“shunt”) e capacitores em série com o circuito de alimentação do motor. São também apresentadas as restrições técnicas envolvendo casos de autoexcitação nos motores nas condições em que ocorre uma sobre compensação de reativos causada pelos capacitores em série e em derivação (shunt) durante o processo de partida e desligamento do motor, de forma a complementar a análise comparativa entre as soluções técnicas discutidas neste trabalho.


2. PARTIDA DE MOTORES

 


Em geral, os motores de indução trifásicos foram desenvolvidos para a partida direta. Normalmente considera-se que as curvas de conjugado e corrente para um determinado motor são fixas, independente da carga acionada, para um valor de tensão constante. Apenas e exclusivamente nos casos onde a partida direta não for possível, utilizam-se outros métodos de partida, os quais têm por objetivo reduzir a corrente de partida e a consequente queda de tensão nos terminais do motor. De um modo geral, os métodos de partida normalmente empregados em sistemas elétricos são os seguintes:
- Chave estrela-triângulo;
- Chave compensadora;
- Reator série;
- Chave série-paralelo;
- Chaves estáticas (soft-starter);
- Inversores de frequência.

Para grandes motores, tais como aqueles utilizados, por exemplo, em moinhos de minério, são também utilizados motores de indução em anéis com partidas por reostatos líquidos, com ou sem conversores estáticos, formando um sistema de regeneração de energia por meio de cascatas subsíncronas, além de outras técnicas empregadas a depender das características da carga do motor e do sistema elétrico ao qual o motor esteja conectado.


3. IMPACTO DA PARTIDA DE MOTORES NO SISTEMA ELETRICO SUPRIDOR

 


Durante o processo de aceleração e partida de motores as correntes são MUITO elevadas, normalmente da ordem de 5 a 7 vezes o valor da corrente nominal, podendo impactar o sistema elétrico com as seguintes consequências:

- Elevada queda de tensão no sistema de alimentação da rede, provocando interferências nos outros equipamentos instalados, com possibilidade de desligamentos;

- Superdimensionamento do sistema de proteção (cabos, contatores, etc.), ocasionando um maior custo da instalação;

- Imposição das concessionárias de energia elétrica em limitar a queda de tensão na rede.


A interação da partida de grandes motores com o sistema elétrico ao qual eles estão conectados pode resultar em variações de tensão como, por exemplo, flutuações de tensão e afundamentos momentâneos de tensão, e por esse motivo são estabelecidos critérios para os valores aceitáveis das quedas de tensão no sistema elétrico durante a partida de motores.
Os valores dos afundamentos de tensão podem ser estimados com as relações da potência de curto-circuito do sistema em comparação com a potência nominal do motor. De uma forma simplificada, tem-se a seguinte relação [1].

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Onde:
UP - Tensão durante a partida do motor em [pu];
U1 - Tensão de operação do sistema antes da partida do motor em [pu];
SRB - Potência de rotor bloqueado do motor em [MVA];
SCC - Potência de curto-circuito do sistema em [MVA].

A Figura 1 apresenta um exemplo da queda de tensão medida durante a partida de um motor de indução trifásico.

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4. CONCEITOS BÁSICOS DE COMPENSAÇÃO DE REATIVOS


O fator de potência momentâneo dos motores de indução durante a sua partida é significativamente reduzido, normalmente ficando na faixa de 0,15 a 0,30, demandando altas potências reativas indutivas durante o seu processo de aceleração [1]. Por este motivo, torna-se essencial o suporte momentâneo de potência reativa, as quais, conceitualmente, serão apresentadas pelo resumo a seguir das características básicas da compensação de reativos por meio de capacitores em série e em derivação [1][2]. Na prática, para melhoria das tensões e estabilidade de sistemas, além de bancos de capacitores (derivação ou série), existem dispositivos controlados que utilizam eletrônica de potência para controle e regulação em sistemas de transmissão tais como o SVC, STATCOM, TCSC, etc.

A Figura 2 mostra o circuito equivalente e o diagrama fasorial para uma carga do tipo resistiva-indutiva (RL).

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A queda de tensão (?U) para uma carga com fator de potência indutivo pode ser calculada conforme mostrado a seguir:

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4.1 – Compensação reativa com Capacitores em Derivação (Shunt)


Para sistemas onde a demanda de potência reativa aumenta durante a partida dos motores, as tensões nas barras podem ser controladas através as inserção de bancos de capacitores em derivação para a correção do baixo fator de potência na partida do motor, reduzindo a magnitude da corrente total necessária ao atendimento à carga motorizada. Consequentemente, a queda de tensão entre a fonte e carga (motor) será reduzida, com o aumento do fator de potência. Dependendo das características do sistema elétrico e dinâmicas do processo, o banco de capacitores em derivação pode ser conectado de um modo fixo ou através de chaveamentos, considerando o controle em modo manual ou automático. A Figura 3 a seguir mostra o diagrama unifilar equivalente com a inclusão de banco de capacitores em derivação (shunt).

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A queda de tensão pode ser calculada aproximadamente pela seguinte equação:

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A diferença entre a queda de tensão e a elevação de tensão (UR) devido à instalação do capacitor em derivação pode ser expressa por:

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A utilização de bancos de capacitores em derivação tem sido aplicada em todos os níveis de tensão, ou seja, para os sistemas elétricos de transmissão, distribuição, industriais e comerciais, em função de redução de perdas, quedas de tensão, liberação da capacidade de transmissão do sistema e eliminação de multas relativas ao baixo fator de potência e energia reativa excedente.

4.2 – Compensação reativa com Capacitores em Série

 

Em sistemas de potência de alta tensão, os capacitores em série são utilizados para aumentar a capacidade de transferência de potência em sistemas de transmissão e também para melhorar a estabilidade destes sistemas tanto em regime transitório quanto permanente. Basicamente a inclusão do capacitor em série reduz a reatância indutiva total da linha.

A Figura 4 mostra o diagrama unifilar equivalente com a inclusão de banco de capacitores em série.

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Para uma carga indutiva, a queda de tensão aproximada do circuito original (sem os capacitores em série) pode ser calculada conforme a seguir:

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A queda de tensão com a redução da reatância total da linha devido à inserção do capacitor em série é dada como segue.

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5. - CASO ESTUDADO


Para verificação e comparação do desempenho do sistema elétrico com a utilização de compensações com capacitores em derivação e em série, adotou-se como base um sistema típico de uma estação de bombeamento de grande porte. A modelagem realizada no programa de Transitórios Eletromagnéticos ATP para representação do sistema estudado considerou os dados básicos referentes aos valores das impedâncias equivalentes de curto-circuito de um sistema em 230 [kV] atrás do transformador de potência, linhas aéreas, cabos que alimentam o motor em análise. Os dados considerados para o transformador e motor estão relacionados seguir:

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5.1 - CASO 1: SISTEMA SEM COMPENSAÇÃO DE REATIVOS


A Figura 5 apresenta o diagrama equivalente do sistema modelado no programa de transitórios eletromagnéticos ATP para simulação da partida direta do motor, ou seja, sem a inclusão de compensação de reativos.

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Para esta condição, verificou-se uma forte queda de tensão, com o motor atingindo a sua velocidade nominal após um período de tempo relativamente excessivo. A Figura 6 apresenta a curva do comportamento da velocidade (a) e da corrente (b) durante a sua partida direta do motor com o sistema sem compensação de reativos.

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5.2 - CASO 2: SISTEMA COM A COMPENSAÇÃO COM CAPACITORES EM DERIVAÇÃO


A Figura 7 mostra o circuito equivalente utilizado para simulação da partida do motor com uma compensação de 40 [Mvar] de capacitores em derivação, que representa cerca de metade da potência reativa solicitada pelo motor na condição teórica de partida e equivale a 4 vezes o valor considerando a operação de partida com rotor livre. Os resultados obtidos para o motor com compensação em derivação estão ilustrados na Figura 8.

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5.3 - CASO 3: SISTEMA COM COMPENSAÇÃO POR CAPACITORES EM SÉRIE


A Figura 9 mostra o circuito equivalente utilizado para simulação da partida do motor, considerando uma compensação série de 150% da reatância do alimentador do motor (XC = 0,375 ?). Neste caso, foi necessário incluir um resistor de amortecimento em paralelo com o banco de capacitores em série. Os resultados obtidos para o motor com compensação em série estão ilustrados na Figura 8.

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6. – ANÁLISE COMPARATIVA


A Figura 11 mostra a comparação entre o valor eficaz das correntes e tensões nos terminais do motor para os casos analisados, ou seja, sem compensação (vermelho), compensação com capacitores em derivação (verde) e com capacitores em série (azul).

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A análise comparativa dos resultados obtidos indica, conforme esperado, que o sistema de compensação com capacitores em derivação apresentou um bom desempenho, melhor do que o sistema sem compensação. No entanto, o sistema de compensação com capacitores em série apresentou resultados bem melhor do que o com a compensação em derivação, com o motor atingindo a sua velocidade nominal num tempo reduzido, cerca de 40 segundos. O desempenho da compensação em série deve-se ao comportamento da tensão durante o transitório de partida, que permanece próxima à tensão nominal do motor.

A Tabela 1 a seguir mostra a comparação entre os principais parâmetros considerando os três casos analisados. Destaca-se que, em oposição às elevadas quedas de tensão verificadas para os casos sem compensação e com a compensação com capacitores em derivação, a compensação em série teve uma ligeira elevação das tensões nos seus terminais do motor.

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7. – POSSÍVEIS OSCILAÇÕES DE POTÊNCIA DEVIDO AOS TIPOS DE COMPENSAÇÃO


Deve-se salientar que o sistema de compensação serie necessita de estudos mais detalhados de forma a se verificar a possibilidade de ressonâncias entre o motor e o sistema [3][4]. Para sistemas com compensação em derivação (shunt) não é recomendado se utilizar valores de potência reativa igual ou maior que o valor equivalente a 90% da corrente do motor na condição sem carga, devido a problemas de autoexcitação durante o desligamento do sistema. No caso de compensação série, também podem ocorrer fenômenos de autoexcitação, ferro-ressonância e variações oscilatórias (hunting) durante o processo de aceleração do motor.

8. CONCLUSÕES


Este trabalho apresentou os aspectos relacionados à partida de grandes motores e os seus possíveis impactos em termos de qualidade da energia elétrica. Recentemente, nos Procedimentos de Distribuição (PRODIST), foram incluídos indicadores de desempenho dos sistemas elétricos quanto ao impacto das Variações de Tensão de Curta Duração (VTCD) [5].

As variações das tensões eficazes são estratificadas por faixas de magnitude e duração, gerando o indicador do Fator de Impacto (FI) das VTCDs, sendo uma importante referência para monitorar os diversos transtornos operacionais vinculados às perturbações. Portanto, o impacto no sistema elétrico devido à partida de grandes motores deve ser motivo de atenção.
No caso particular deste trabalho, verificou-se a necessidade de compensações elevadas, tanto com a utilização de capacitores em derivação, quanto com capacitores em série. Do ponto de vista de características funcionais, deve-se salientar que a potência instantânea fornecida pelo banco de capacitores em derivação varia com o quadrado da tensão, enquanto que para capacitores em série a potência efetiva é função do quadrado da corrente, motivo pelo qual o sistema de compensação em série é conceitualmente mais eficaz do que o em derivação durante o processo de partida de motores.
Naturalmente, os bancos de capacitores em derivação e reguladores de tensão são amplamente utilizados para adequar as tensões de fornecimento, sendo quase que totalmente padronizados.  Este fato não condiz com as aplicações de compensação série em redes de distribuição, cujos estudos apresentam certo grau de dificuldade quanto à definição dos equipamentos e dispositivos de proteção. Entretanto, existem instalações no Brasil que tem apresentado desempenhos adequados quanto ao suporte para partidas de motores, postergando investimentos em subestações e linhas de distribuição. Nestes casos os capacitores em série são utilizados em associação com capacitores em derivação, com esses últimos sendo inseridos à montante do banco de capacitores série [3][6]. De qualquer forma, a necessidade de compensação reativa para a partida de grandes motores continua sendo fundamental diante das solicitações dos motores, sendo que as diversas nativas devem ser cuidadosamente ponderadas e criteriosamente avaliadas para a especificação correta dos equipamentos.

9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

 

[1] - Dugan, C. Roger; McGranaghan, F. Mark; Santoso, Surya; Beaty, Wayne, H.; “Electrical Power Systems Quality”, Mcgraw-Hill; Second edition; 2003.
[2] - Kiran, I.K.; Laxmi, J.; “Shunt versus Series Compensation in the Improvement of Power Systems Performance; International Journal of Applied Engineering Research, Dindigul, Vol. 2, N I, 2011.
[3] - Jesus, N.C.; A.L. Ortiz, J.A.M. Neto, H.R.P.M., “Considerações sobre Aplicação de Compensação Série em Sistemas de Distribuição Visando Melhorias na Qualidade de Energia”, V SBQEE - Seminário Brasileiro sobre Qualidade da Energia Elétrica, Aracajú, SE, agosto de 2003.
[4] - Jesus, N.C., Cogo, J.R.; “Estudo de Oscilações Subsíncronas em Motores Aplicados em Sistemas com Compensação Série”, VIII SBQEE - Seminário Brasileiro sobre Qualidade da Energia Elétrica, Blumenau, SC, agosto de 2009.
[5] - Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) - Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST Módulo 8 - Qualidade da Energia Elétrica, Revisão 10, 01/01/2018.
[6] - Figueiredo, C.E.C.; Silveira, M.; Santos, G.; Quadros, L.; Jesus, N.C.; “Series Compensation on Medium Voltage Radial Systems”, 23rd CIRED - International Conference on Electricity Distribution, Lyon, 15-18 June, 2015.

 

Autores:


 - Nelson Clodoaldo de Jesus, João Roberto Cogo - GSI - Engenharia e Consultoria Ltda
 - Herivelto de Souza Bronzeado - Presidência da República (COMAN/COENGE/DILOG/SA/SG/PR)

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