( PDF ) Contribuições Experimentais na Área de Qualidade de Energia Elétrica

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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA

FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

CONTRIBUIÇÕES EXPERIMENTAIS NA ÁREA DE

QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA.

Angelo César de Lourenço

Orientador:

Prof. Dr. Luís Carlos Origa de Oliveira

Dissertação apresentada à Faculdade de

Engenharia de Ilha Solteira como parte dos

requisitos exigidos para a obtenção do título de

Mestre em Engenharia Elétrica.

Ilha Solteira, Março de 2001

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SUMÁRIO

RESUMO ........................................................................................................................................................................iii

ABSTRACT....................................................................................................................................................................iv

SIMBOLOGIA................................................................................................................................................................v

1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................................1

1.1 DISTÚRBIOS CARACTERÍSTICOS......................................................................................................5

1.1.1 INTERRUPÇÕES..................................................................................................................................5

1.1.2 AFUNDAMENTO DE TENSÃO (SAG) ..............................................................................................6

1.1.3 SALTO DE TENSÃO (SWELL)...........................................................................................................8

1.1.4 VARIAÇÕES DE LONGA DURAÇÃO...............................................................................................8

1.1.5 TRANSITÓRIOS...................................................................................................................................8

1.1.6 DISTORÇÕES HARMÔNICAS ...........................................................................................................9

1.2 SENSIBILIDADE DOS EQUIPAMENTOS............................................................................................10

2 CLP – CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL.....................................................................................12

2.1 INTRODUÇÃO........................................................................................................................................12

2.2 O CLP ESTUDADO.................................................................................................................................12

2.3 TESTE DE SENSIBILIDADE DO CLP – SAG’s....................................................................................13

2.3.1 MATERIAIS UTILIZADOS .................................................................................................................14

2.3.2 PROCEDIMENTO ................................................................................................................................14

2.3.3 RESULTADOS......................................................................................................................................15

2.4 TESTE DE SENSIBILIDADE DO CLP – INTERRUPÇÕES.................................................................17

2.4.1 PROCEDIMENTO ................................................................................................................................17

2.4.2 RESULTADOS......................................................................................................................................17

2.5 RESULTADO...........................................................................................................................................18

2.6 CONCLUSÃO..........................................................................................................................................19

3 CONTATORES ...................................................................................................................................................20

3.1 INTRODUÇÃO........................................................................................................................................20

3.2 DETERMINAÇÃO DA SENSIBILIDADE.............................................................................................21

3.2.1 MATERIAIS UTILIZADOS .................................................................................................................21

3.2.2 PROCEDIMENTOS..............................................................................................................................22

3.2.3 RESULTADOS......................................................................................................................................23

3.2.3.1 CONTATOR 1.........................................................................................................................24

3.2.3.2 CONTATOR 2.........................................................................................................................27

3.2.3.3 CONTATOR 3.........................................................................................................................30

3.2.3.4 CONTATOR 4.........................................................................................................................33

3.3 CONCLUSÃO..........................................................................................................................................36

4 CHAVES DE PARTIDA ESTÁTICAS – SOFT-STARTER ..............................................................................37

4.1 INTRODUÇÃO........................................................................................................................................37

4.2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................................................38

4.2.1 GRADADORES ....................................................................................................................................38

4.2.1.1 CONCEITO .............................................................................................................................38

4.2.1.2 HARMÔNICOS DA CORRENTE DE CARGA:....................................................................40

4.2.1.3 ESTRUTURAS TRIFÁSICAS................................................................................................43

4.2.2 MIT. .......................................................................................................................................................44

4.3 ESTUDO DA CHAVE DE PARTIDA ESTÁTICA.................................................................................45

4.3.1 CONCEITOS.........................................................................................................................................45

4.3.2 PARÂMETROS.....................................................................................................................................45

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4.3.3 FUNÇÃO ECONOMIA DE ENERGIA................................................................................................48

4.4 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ................................................................................................49

4.4.1 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS:.......................................................................................................49

4.4.2 PARTIDA DO MOTOR........................................................................................................................51

4.4.3 FUNÇÃO ECONOMIA DE ENERGIA................................................................................................56

4.4.4 SENSIBILIDADE A DISTÚRBIOS .....................................................................................................58

4.4.4.1 DISTÚRBIOS 1Ø (FASE DO ALIMENTADOR)..................................................................58

4.4.4.2 DISTÚRBIOS 3Ø ....................................................................................................................60

4.4.4.3 RESULTADOS........................................................................................................................62

4.5 CONCLUSÃO..........................................................................................................................................63

5 LÂMPADAS DE DESCARGA DE ALTA PRESSÃO.......................................................................................64

5.1 INTRODUÇÃO........................................................................................................................................64

5.1.1 LÂMPADAS DE DESCARGA.............................................................................................................65

5.1.2 EFEITO ESTROBOSCÓPICO..............................................................................................................66

5.2 TIPOS DE LÂMPADAS DE DESCARGA .............................................................................................67

5.2.1 LÂMPADA VAPOR DE MERCÚRIO .................................................................................................67

5.2.2 LÂMPADA DE LUZ MISTA ...............................................................................................................69

5.2.3 LÂMPADA DE VAPOR DE SÓDIO....................................................................................................70

5.2.4 LÂMPADA DE MULTIVAPORES METÁLICOS ..............................................................................71

5.3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL....................................................................................................72

5.3.1 MATERIAIS UTILIZADOS .................................................................................................................72

5.3.2 ROTEIRO ..............................................................................................................................................73

5.3.3 LÂMPADAS UTILIZADAS NOS ENSAIOS ......................................................................................75

5.4 RESULTADOS ........................................................................................................................................76

5.4.1 LÂMPADAS DE LUZ MISTA .............................................................................................................76

5.4.1.1 160W........................................................................................................................................76

5.4.1.2 250W........................................................................................................................................76

5.4.1.3 500W........................................................................................................................................76

5.4.2 LÂMPADAS DE VAPOR DE MERCÚRIO.........................................................................................80

5.4.2.1 80W..........................................................................................................................................80

5.4.2.2 125W........................................................................................................................................80

5.4.2.3 125W (Fabricante 2) ................................................................................................................80

5.4.2.4 400W........................................................................................................................................81

5.4.3 LÂMPADA DE VAPOR DE SÓDIO....................................................................................................85

5.4.3.1 400W........................................................................................................................................85

5.5 CONCLUSÃO..........................................................................................................................................88

6 APLICAÇÕES COMPUTACIONAIS.................................................................................................................89

6.1 INTRODUÇÃO........................................................................................................................................89

6.1.1 BANCO DE DADOS – ESTRUTURA .................................................................................................90

6.1.2 ELABORAÇÃO DO BANCO DE DADOS..........................................................................................91

6.2 O PROGRAMA........................................................................................................................................93

6.3 CONCLUSÃO..........................................................................................................................................98

7 CONCLUSÕES GERAIS....................................................................................................................................99

REFERÊNCIAS BIBIOGRÁFICAS...............................................................................................................................101

ÍNDICE DE FIGURAS...................................................................................................................................................103

APÊNDICE I...................................................................................................................................................................106

iii

RESUMO

As instalações elétrica possuem equipamentos que exigem uma fonte de alimentação que

forneça condições ideais, como forma de onda senoidal, valor de tensão e freqüência invariáveis. O

sistema elétrico como um todo está sujeito a condições adversas, que provocam variações das

condições normais. Essas variação provocam reações diversas dependendo do tipo de equipamento

Uma redução do valor eficaz da tensão, mesmo que por pouco tempo, pode provocar o

desligamento de equipamentos eletrônicos ("boot" em computadores), perda de potência em

máquinas elétricas (motores), falhas de comando em dispositivos de acionamento, como CLP, Soft

Starter e Inversores, perda de luminosidade ou o desligamento total de lâmpadas de descarga.

Como conseqüências para um consumidor podemos citar desde um desconforto, perda de

produtividade até danos mais sérios aos equipamentos, sempre contabilizando os prejuízos.

Este trabalho traz um estudo da sensibilidade de diversos equipamentos encontrados nas

modernas instalações industriais, desde os comuns contatores até os modernos acionadores

eletrônicos, passando por um estudo sobre lâmpadas de descarga de alta pressão.

Os dados conclusivos do estudo são uma contribuição, já que é raro encontrar as

características de sensibilidade de um determinado equipamento na bibliografia ou através dos

próprios fabricantes.

Há ainda uma aplicação computacional dos resultados experimentais do trabalho. O programa

elaborado, realiza a análise de uma instalação elétrica industrial devidamente modelada a partir de

seus equipamentos sensíveis.

ABSTRACT

Electrical installations have equipment’s that must be supplied by ideal conditions voltage,

such as sinusoidal wave form, invariable voltage and frequency values. All the electrical system are

touchy to adverse conditions, that produce changes at the ideal conditions. Those changes cause

several reactions depend on the equipment type.

A reduction of RMS voltage value can result in equipment’s fails such as boot in computers,

power loss in electrical machinery (motor), command fails in drive devices, like PLC, Soft Starter

and Inverters, luminosity loss or o trip of the discharge lamps. The consumer consequences are

discomfort, productivity loss and serious damage at the equipment’s.

This work has a sensibility study of several equipment’s presents in the modern industry

plants, since a simple contator until the modern electronic drives, including a study of high pressure

discharge lamps.

The conclusive data of the study are the most important contribution of this work, seeing that

isn’t easy find the sensibility characteristics of a given equipment at the bibliography or at the

owner manual.

There is also a computational application of the experimental results of the experiences. The

program make an analyses in an electrical industrial plant duly modeled, based the sensitive

equipment’s.

SIMBOLOGIA

1φ – Monofásico;

3φ – Trifásico;

α – Ângulo de disparo dos tiristores;

, b

, – coeficientes da série de fourier de índice 0, conhecidos como Componentes DC;

, b

, – coeficientes da série de fourier de índice n, onde n=1, 2, 3, ...;

β - Ângulo de extinção da condução de corrente em tiristores;

ciclo – Medida de tempo equivalente a 1/60 (16,6667.10

-3

) Seg.

cos φ – Fator de potência (deslocamento) da carga;

φ – ângulo de defasagem da corrente em relação à tensão;

Hz – freqüência do sinal (tensão, corrente);

i – corrente variante no tempo;

– Valor eficaz de corrente (nominal);

MIT – Motor de Indução Trifásico;

n – Ordem harmônica;

– Medida de tensão em corrente alternada;

– Medida de tensão em corrente contínua;

– Valor de tensão nominal;

Cap. I - Introdução

Pág. 1

1 INTRODUÇÃO

Os fatores relacionados com o estudo de qualidade da energia elétrica podem afetar ou

comprometer o fornecimento de energia aos consumidores, esses fatores se manifestam tanto a nível

local, na própria instalação, como a nível de sistema.

Podemos classificar como ideal em um sistema, uma forma de onda perfeitamente senoidal,

com freqüência constante (50 – 60 Hz) e com valor de pico sem variações de curta ou longa

duração. Mas um sistema elétrico, por mais bem gerenciado, não pode nos fornecer uma tensão com

estas características. Algumas variações são normais, como pequenas variações na magnitude da

tensão, na freqüência e até mesmo uma certa distorção na forma de onda. Algumas situações que

ocorrem tanto a nível de sistema elétrico como nas instalações dos consumidores podem levar a

baixa qualidade de energia isto é, desvios das condições, por exemplo excesso de manobras,

descargas atmosféricas, uso de cargas não lineares.

Os avanços na áreas da Micro eletrônica e da Eletrônica de Potência tem contribuído para a

rápida substituição de equipamentos e modernização das instalações. Os mudanças são sentidas

tanto nas instalações industriais e comerciais quanto nas residenciais. Os circuitos eletrônicos destes

equipamentos exigem uma tensão dentro de limites predeterminados para o perfeito funcionamento.

Variações da magnitude da tensão ou uma micro interrupção do fornecimento podem levar os

circuitos a um erro de operação ou a danos mais sérios.

A bibliografia sobre o tema é abrangente em análises teóricas, estudos de casos reais e

apresentação de soluções e melhorias. Os estudos para a contabilização de prejuízos causados aos

consumidores, especialmente os industriais, também são facilmente encontrados, nestes casos pode-

se concluir que os problemas são graves e um estudo que apresente novas soluções é justificável. Os

prejuízos variam muito dependendo do área de atuação do consumidor, o porte da indústria e a

natureza do distúrbio. A contabilidade leva em consideração principalmente o tempo necessário

para o restabelecimento do processo produtivo. Em alguns casos é apenas o tempo necessário para o

religamento dos equipamentos. Há casos onde a após a parada do processo é necessário realizar

uma limpeza na linha de produção, ajustes nas máquinas e outras providências, o religamento pode

levar várias horas. Os casos mais graves levam em consideração danos aos equipamentos, onde o

tempo necessário à manutenção é indefinido. Deve-se levar em conta também as perdas de matéria

Cap. I - Introdução

Pág. 2

prima e produtos pós manufatura, que geralmente são descartados por apresentarem qualidade

duvidosa. Em termos monetários, isto é, quanto custa a um único consumidor um distúrbio

podemos citar casos onde os prejuízos são da ordem de dezenas de milhares de Reais, a figura 1.1

ilustra os custos estimados para interrupção de processos por um intervalo inferior a 1 minuto para

diversos setores produtivos.

Fig. 1.1 Custo da interrupção de um processo produtivo.

Onde os tipo de processo são:

A – INDÚSTRIA DE PAPEL;

B – COMÉRCIO EM GERAL;

C – INDÚSTRIA QUÍMICA;

D – INDÚSTRIA DE BORRACHA/PLÁSTICO;

E – INDÚSTRIA DE PRODUTOS ALIMENTÍCIOS;

F – INDÚSTRIA DE COMPUTADORES;

G – MINERAÇÃO DE METAIS;

H – INDÚSTRIA DE EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS;

I – INDÚSTRIA DE EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO;

J – PETRÓLEO.

A bibliografia cita uma cifra de alguns bilhões de dólares já contabilizados à economia de

alguns países desenvolvidos. No brasil os números não são precisos, mas estima-se perdas

acumuladas da ordem de 4 Bilhões de dólares, para as concessionárias e para o consumidores.

Cap. I - Introdução

Pág. 3

Este trabalho foi estruturado em 7 capítulos:

O capítulo 1 além desta introdução traz uma revisão bibliográfica onde são abordados os

principais distúrbios do sistema elétrico, suas classificações e as características de sensibilidade dos

equipamentos. Esta revisão bibliográfica realizada logo no início dos trabalhos despertou o interesse

sobre exatamente o quão sensível é um determinado equipamento a um distúrbio caracterizado. A

escassez dessas informações e a estrutura laboratorial disponível direcionou este trabalho.

O capítulo 2 trata dos CLP’s, (Controlador Lógico Programável), a importância, suas

aplicações, características construtivas. Um estudo experimental é realizado, visando determinar a

sensibilidade de um CLP a diversos distúrbios na tensão.

O capítulo 3 trata de contatores e relês eletromecânicos. Por dependerem fortemente do valor

eficaz da tensão que alimenta sua bobina, esses equipamentos são facilmente caracterizados. Foram

ensaiados 4 (quatro) modelos de contatores, onde foi aplicada uma metodologia mais eficiente do

que no ensaio do CLP, e que foi aplicada aos demais equipamentos deste trabalho.

O capítulo 4 trata das Chaves de Partida Estática, “Soft Starter”. Cada vez mais presente nas

indústrias, essas chaves são tratadas na bibliografia como muito sensíveis a qualquer distúrbio na

tensão e também como altamente prejudiciais à qualidade de energia elétrica, já que são grandes

geradoras de correntes harmônicas, especialmente na momento da partida do motor. São abordados

os princípios de funcionamento do gradador, que é o circuito básico das chaves e realizado um

estudo experimental da chave durante a partida objetivando a determinação da sua sensibilidade a

distúrbios monofásicos e trifásicos.

O capítulo 5 trata das lâmpadas de descarga de alta pressão. Mais uma vez um equipamento

não eletrônico, mas que é de grande importância no ambiente industrial. Aqui são tratados os

princípios de funcionamento e as principais aplicações. O estudo experimental visa determinar a

curva sensibilidade de diversos tipos de lâmpadas e se para um determinado tipo há variação

dependendo do fabricante e da potência da Lâmpada.

Cap. I - Introdução

Pág. 4

Os capítulos 2 a 5 tratam da determinação da sensibilidade dos equipamentos aos distúrbios,

como resultados temos as curvas de sensibilidade de cada equipamento. Essas curvas foram

catalogadas em um banco de dados, onde estão armazenadas os nomes dos equipamentos e os dados

da curva. O capítulo 6 trata da elaboração de um programa de computador para análise de

instalações sujeitas a distúrbios. Este programa é uma aplicação prática ao estudo e utiliza o banco

de dados da sensibilidade dos equipamentos como base. São abordados aqui a metodologia utilizada

na confecção do banco de dados e do programa.

O capítulo 7 traz as conclusões gerais dos diversos capítulos do trabalho e questões relativas

às contribuições e proposta de continuidade.

Cap. I - Introdução

Pág. 5

1.1 DISTÚRBIOS CARACTERÍSTICOS

Dentre os distúrbios que caracterizam a qualidade da energia fornecida podemos destacar:

1.1.1 INTERRUPÇÕES

São definidas como perda de potência. Alguns autores consideram interrupções quando a

tensão cai abaixo de 10% de V

A figura 1.2 mostra a ocorrência de uma interrupção.

Fig. 1.2 Forma de onda da tensão durante uma Interrupção.

A bibliografia classifica as interrupções dependendo do tempo de duração do distúrbio, a

tabela 1.1 mostra a classificação

Duração CLASSIFICAÇÃO

> 0,5 Ciclo Transitória

Entre 0,5 e 30 Ciclos Instantânea

Entre 30 Ciclos e 3 Seg. Momentânea

Entre 3 Seg. e 1 min. Temporária

Acima de 1 min. Sustentada ou permanente

Tabela 1.1 – Classificação das Interrupções

As interrupções são causadas principalmente por faltas nos circuitos próximos ao ponto onde

é detectada, geralmente na própria instalação. A duração da interrupção está condicionada a atuação

dos sistemas de proteção, se a falta ocorre em uma máquina, e somente a proteção desta atuar o

restante da instalação irá sentir uma interrupção instantânea voltará a ser alimentada normalmente,

se no entanto as proteções na entrada da instalação atuarem teremos uma interrupção permanente ou

de longa duração localizada. Um caso crítico seria a proteção de alguma subestação adjacente atuar,

a interrupção de longa duração seria generalizada, atingindo um grande número de consumidores.

Cap. I - Introdução

Pág. 6

1.1.2 AFUNDAMENTO DE TENSÃO (SAG)

O SAG é um decremento da magnitude da tensão, cujo valor pode estar compreendido entre

10 e 90% da tensão nominal. Pode ser classificado dependendo da sua duração, a tabela 1.2

apresenta os tipos de afundamento:

Duração CLASSIFICAÇÃO

Entre 0,5 e 30 Ciclos Instantânea

Entre 30 Ciclos e 3 Seg. Momentânea

Entre 3 Seg. e 1 min. Temporária

Tabela 1.2 – Classificação dos Afundamentos.

Esta classificação não é rígida, podendo ser encontradas variações na bibliografia.

Os afundamentos de tensão são considerados a principal causa de falhas em equipamentos e

interrupções de processos industriais.

A figura 1.3 mostra a ocorrência de um afundamento de tensão.

Fig. 1.3 Forma de onda da tensão durante um SAG.

Os SAG’s são causados principalmente por faltas no sistema elétrico (transmissão,

distribuição), geralmente em circuitos adjacentes, sendo propagados devido à interconexão do

sistema. Outra causas importantes são as grandes variações de carga, como o religamento de

circuitos e a partida de motores que em geral se caracterizam por durar um tempo relativamente

longo (alguns segundos), apresentar pouca severidade e uma área de abrangência pequena,

geralmente a própria instalação.

Uma falta em um determinado ponto pode apresentar diferentes conseqüências ao longo do

sistema. As faltas localizadas dentro da instalação que no item anterior foram citadas como

causadoras de interrupções podem também serem detectadas como afundamentos em outros setores

Cap. I - Introdução

Pág. 7

da mesma instalação ou até mesmo nos consumidores vizinhos. A análise dos afundamentos é

complexa, dependendo de uma série de fatores, entre eles podemos citar:

• Tipo de Falta – As faltas Fase-Fase e Trifásicas produzem SAG’s de maior severidade, em

contrapartida as faltas Fase-Terra são muito mais freqüentes;

• Localização da Falta – As faltas no sistema de Transmissão são caracterizadas por uma grande

severidade e extensas áreas de abrangências, já uma falta no sistema de Distribuição afeta um

número menor de consumidores, mas ocorrem com mais freqüência;

• Tempo de eliminação da falta – Relacionado à classificação dos distúrbios;

• Conexão dos transformadores – Um dos fatores determinantes para a ocorrência de um

afundamento em vez de uma interrupção é a presença de um ou mais transformadores entre o

ponto de ocorrência da falta e o consumidor, as conexões ∆ e Y tem grande influência nas

tensões em cada fase, a tabela 1.3 mostra a relação

Fase (

) – Fase (

) Fase (

) – Terra

Conexão do Trafo

ATERR

–Y

ATERR

ou Y

ATERR

–Y 0,58 1,00 0,58 0,00 1,00 1,00

Y–Y ou Y–Y

ATERR

0,58 1,00 0,58 0,33 0,88 0,88

Y–∆ ou Y

ATERR

–∆ ou ∆–∆

0,33 0,88 0,88 - - -

∆–Y ou ∆–Y

ATERR

0,88 0,88 0,33 0,58 1,00 0,58

Tabela 1.3 – Relação da conexão do Trafo com o nível de tensão nas fases.

Os estudos sobre o assunto procuram estabelecer uma estatística sobre a ocorrência de um

afundamento. Para tal a bibliografia se baseia em monitoramento realizados por institutos de

pesquisa, consultorias especializadas e empresas concessionárias de energia elétrica.

Os objetos de estudo são as faltas, onde se procura conhecer os fenômenos que as provocam,

assim as empresas podem direcionar os investimentos necessários de modo a diminuir a

possibilidade de ocorrência. Esses estudos apontam como as principais causas de faltas as falhas

nos equipamentos do sistema (isoladores, disjuntores, e outros), descargas atmosféricas, quedas de

árvores, ventos entre outros. O maior número entretanto acaba ficando com as causas

desconhecidas.

Cap. I - Introdução

Pág. 8

1.1.3 SALTO DE TENSÃO (SWELL)

É definido como um aumento do valor eficaz da tensão com as mesmas características (valor

e tempo) de um SAG. Este evento em geral é menos comum que o SAG, são causados geralmente

pela rejeição de grandes cargas em algum ponto do sistema.

Fig. 1.4 Forma de onda da tensão durante um Salto.

1.1.4 VARIAÇÕES DE LONGA DURAÇÃO

São os eventos com duração superiores a 1 minuto, sendo causados em geral por grandes

variações de carga.

1.1.5 TRANSITÓRIOS

São variações de curtíssima duração. Podem ser classificados como impulsivos e oscilatórios.

Os impulsivos também são conhecidos como Surtos (Surges), causados por descargas

atmosféricas. Duração menor que 200 µseg.

Fig. 1.5 Forma de onda da tensão durante um Surto.

Fig. 1.6 Forma de onda da tensão durante um Transitório Oscilatório.

Os impulsivos também são

conhecidos como Surtos (Surges),

e são causados por descargas

atmosféricas. Duração menor que

200 µseg.

Os distúrbios oscilatórios

são o resultado da modificação

elétrica do sistema, como por

exemplo o chaveamento de banco

de capacitores. A duração é

Cap. I - Introdução

Pág. 9

1.1.6 DISTORÇÕES HARMÔNICAS

A forma de onda ideal para tensão e corrente é a onda senoidal perfeita com freqüência de

60 Hz. Com o aumento do uso das cargas não lineares, a presença de tensões e correntes com

freqüências harmônicas tem se tornado cada vez mais comum, e o grande número de estudos

realizados mostra a preocupação com este sério problema de qualidade de energia elétrica.

A figura 1.7 mostra a forma de onda da corrente de alimentação de equipamentos eletrônicos

com retificador de onda completa.

Fig. 1.7 Forma de onda de corrente comum em equipamentos eletrônicos.

As cargas não lineares necessitam de componentes harmônicos, assim elas funcionam como

fonte de correntes harmônicas para o sistema. Estas correntes harmônicas se propagam pelas linhas

e produzem queda de tensão que, consequentemente, distorcem também a tensão da rede. Desta

forma um consumidor pode gerar componentes harmônicos que prejudicam os outros consumidores

adjacentes. A figura 1.8 mostra simplificadamente a propagação de correntes harmônicas pelo

sistema e como ocorre a distorção da tensão.

Fig. 1.8 Distorção provocada por uma carga não linear.

Cap. I - Introdução

Pág. 10

1.2 SENSIBILIDADE DOS EQUIPAMENTOS

Os distúrbios que afetam a qualidade de energia elétrica causam diversos problemas nos

equipamentos em geral. Estes equipamentos podem ser eletrônicos ou não, e os problemas causados

vão desde falhas no funcionamento, desligamentos e até danos na estrutura.

Com o rápido crescimento da indústria da informática, os computadores e periféricos

ganharam mercado e importância, estes equipamentos não seguiam um padrão ou norma que se

referia a sensibilidade do equipamento em relação à tensão de alimentação. O “Computer Business

Equipment Manfaturator’s Association – CBEMA”, associação americana formada pelos

fabricantes de equipamentos de informática desenvolveu uma norma para padronizar a sensibilidade

dos equipamentos à esses distúrbios. O resultado é a curva do CBEMA, que padroniza os

equipamentos em quanto a Afundamento de Tensão (SAG), Salto de Tensão (SWELL),

interrupções transitórias e sobretensões de natureza impulsiva.

A figura 1.8 mostra a curva CBEMA. Um equipamento em conformidade com a curva deve

apresentar suas curvas nas áreas indicadas por sub e sobretensões.

Fig. 1.9 Curva CBEMA

Esta curva foi elaborada e inicialmente adotada pelos fabricantes de equipamentos de

informática, mas como não havia outras normas sobre o tema, ela foi gradualmente adotada em

como norma para outros equipamentos considerados sensíveis. Dentre estes equipamentos podemos

destacar:

 Contatores e Relés Eletromecânicos:

Estão na categoria de equipamentos não eletrônicos. Estão presentes em qualquer instalação

industrial, principalmente no acionamento de máquinas, iluminação, etc. Ensaios realizados indicam

que alguns desatracam com queda de 50% da tensão nominal por 1 ciclo, outros com queda de

apenas 30%, em geral ficando à margem .da curva CBEMA.

Cap. I - Introdução

Pág. 11

 Lâmpadas de Descarga de Alta Intensidade (Vapor de Sódio, Mercúrio e Metálico):

Estes também fazem parte da categoria dos equipamentos não eletrônicos, já que os seus

reatores ainda são eletromagnéticos. Os testes realizados indicam que as lâmpadas apagam com

uma queda de apenas 20% da tensão nominal e requerem muito tempo para reacenderem.

 AVV (Acionadores de Velocidade Variável – CA):

Estes equipamentos integram um sistema de controle microprocessado, com circuitos

retificadores e inversores, sendo constituídos de Diodos, Transistores e/ou Tiristores para

acionamento de motores elétricos de indução e síncronos das mais diversas potências. São

considerados os equipamentos mais sensíveis à variações de tensão.

 DC DRIVERS – (Acionadores de Motores de Corrente Contínua)

Esses equipamentos possuem em geral alimentação Trifásica CA e são constituídos

basicamente por um retificador controlado.

A figura 1.10 mostra a sensibilidade de um modelo de AVV (Acionadores de Velocidade

Variável) e um Contator comparados com a curva CBEMA. Observa-se que o AVV não está em

conformidade com a norma, já que sua curva se situa acima da área de Subtensões. Já o contator

apresenta uma sensibilidade menor aos distúrbios, observa-se que em uma pequena região ele não

obedece à norma (entre 1 e 3 ciclos).

Fig. 1.10 Sensibilidade de um AVV e de um Contator.

Após a revisão bibliográfica o trabalho se direcionou a pesquisa dos equipamentos aqui

citados. Os objetivos do estudo são a determinação precisa da sensibilidade de um equipamento a

um determinado distúrbio e quais as conseqüências de uma ocorrência. Para tal, foram padronizados

os procedimentos experimentais e a apresentação dos resultados sob a forma de uma curva de

sensibilidade, onde os dados dos diversos equipamentos podem ser comparados entre si e também

com a curva do CBEMA.

Cap. II – CLP – Controlador Lógico Programável

Pág. 12

2 CLP – CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL

2.1 INTRODUÇÃO

O controlador lógico programável (CLP) é um dispositivo eletrônico que controla máquinas e

processos. Utiliza uma microcontrolador programável para armazenar instruções e executar funções

especificas que incluem controle de energização/desenergização, temporização, contagem,

sequenciamento, operações matemáticas e manipulação de dados

Os CLP’s são cada vez mais usados na indústria como elemento essencial nos processo de

automação industrial, melhoria na produção, controle de qualidade, etc.; e também, em outros

setores como edifícios, controle de tráfego, etc.

São constituídos basicamente de:

 Fonte de alimentação;

 CPU ou UCP (unidade central de processamento);

 Conjunto de memórias (memória do programa monitor, memória do programa do usuário,

memória de dados, etc);

 Interface de entrada e saída.

2.2 O CLP ESTUDADO.

Foi realizado um prévio estudo a respeito de CLP’s, controlador lógico programável, com o

auxílio da bibliografia citada e de dos manuais.

O modelo utilizado caracterizava-se por:

 Alimentação de 90 – 240V

;

 8 entradas (X0000 – X0007) 24VDC – Estado Sólido – Opto-acopladas;

 8 saídas, sendo 2 de estado sólido (Y0020 e Y0021 – 24VDC) também Opto-acopladas, e

6 eletromagnéticas (Y0022 a Y0027 – até 220VAC);

A partir deste estudo foi montado um processo simples controlado por um CLP, que constava

de um acionamento alternado e periódico de diversos contatos.

Cap. II – CLP – Controlador Lógico Programável

Pág. 13

O processo é representado pelo programa abaixo, figura 2.1, em diagrama dos contatos:

Fig. 2.1 Programa executado pelo CLP.

Sucintamente o programa acima representa um conjunto de máquinas acionadas

simultaneamente pelas entradas X0000 e X0001 (botão desliga e liga) e acionam as saídas Y0022 a

Y0026 de forma alternada.

2.3 TESTE DE SENSIBILIDADE DO CLP – SAG’s

Para se verificar a sensibilidade do CLP foram realizados ensaios onde procurava-se o ponto

de operação do CLP na curva de sensibilidade.

Para fazer o monitoramento dos contatos foi ligada uma fonte de 5 V

, nas saídas

eletromagnéticas e estas foram ligados a um sistema de aquisição de dados.

Para se fazer a simulação de um SAG, foi utilizada a da fonte – CI- 5001i. Esta fonte é

controlada via computador por um programa fornecido pelo fabricante. Com este programa, foi

realizada a montagem das rotinas de transitórios, como interrupções transitórias e SAG’s.

O processo compreendia em aplicar no CLP uma seqüência de SAG’s, variando a duração e a

intensidade e verificar o comportamento do CLP através do sistema de aquisição de dados, onde

eram monitorados a tensão de alimentação e a saída Y0026 do CLP.

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. II – CLP – Controlador Lógico Programável

Pág. 14

2.3.1 MATERIAIS UTILIZADOS

 Fonte CI (California Instruments) – 6000L – Trifásica;

 Fonte CI (California Instruments) – 5000i – Monofásica;

 CLP TOSHIBA T1 – MDR16;

 FONTE SIMÉTRICA – 0 a 15VDC;

 OSCILOSCÓPIO TECTRONIX – TDS 320;

 MICROCOMPUTADOR IBM – PC100;

 Fios e Cabos para conexão;

 Ferramentas de Laboratório – Alicate, Chaves de Fenda e Philips;

 1 par de Botoeiras – NA;

 Protoboard;

2.3.2 PROCEDIMENTO

A montagem segue o esquema da figura 2.2:

Fig. 2.2 Montagem em laboratório.

Após realizada a montagem, ligamos os equipamentos à rede de alimentação, colocamos a

fonte no modo remoto e iniciamos a programação dos distúrbios a serem medidos.

O procedimento adotado consistia em aplicar, na alimentação do CLP, seqüências de SAG’s

com duração de 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240, 300 e 600 ciclos. Cada seqüência apresentava a

intensidade de 90, 70, 50, 40, 30, 20, 18, 16, e 14% da tensão nominal.

Formatados: Marcadores e

numeração

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. II – CLP – Controlador Lógico Programável

Pág. 15

2.3.3 RESULTADOS

Foi observado que o CLP apresentava uma baixa sensibilidade a SAG’s, independente da

duração, desde que o valor da intensidade fosse igual ou superior a 20% da nominal, isto é, uma

tensão de rede de apenas 25 V

é suficiente para o seu funcionamento. As especificações técnicas

do aparelho trazem tensão de alimentação entre 90 e 240 V

Os dois gráficos da figura 2.3 mostram o resultado para a seqüência de SAG’s, com duração

de 45 ciclos

Fig. 2.3 CLP e a sequência de SAG de 45 ciclos.

O primeiro gráfico mostra a tensão de alimentação do CLP, 127 V – 60 Hz, e a sequência de

SAG’s com duração de 45 ciclos (0,75 seg). No segundo gráfico, a saída Y0027 do CLP, com o

chaveamento da fonte de 5 V

Observa-se que ocorre um TRIP (desligamento, perda de sequência) no CLP quando ocorre

um SAG de 85%, que leva a tensão de alimentação a 19 VAC. Este resultado se refere ao

funcionamento dos módulos de saída apenas.

Para testar os módulos de entrada, tentamos iniciar o processo do CLP durante um SAG, neste

procedimento ocorria TRIP sempre que a tensão fosse inferior a 25 VAC, ou seja, um SAG maior

que 80% da tensão nominal.

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. II – CLP – Controlador Lógico Programável

Pág. 16

Os gráficos da figura 12 mostram o resultado para a seqüência de SAG com duração de 90

ciclos

Fig. 2.4 CLP e a sequência de SAG de 90 ciclos.

As observações anteriormente feitas valem para esta situação.

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. II – CLP – Controlador Lógico Programável

Pág. 17

2.4 TESTE DE SENSIBILIDADE DO CLP – INTERRUPÇÕES

2.4.1 PROCEDIMENTO

Para este teste, foi utilizado a mesma montagem e materiais dos testes relativos a SAG. A

única mudança foi na programação dos distúrbios.

Foi aplicada uma única seqüência, que consistia de interrupções com duração de 1, 3 ,5, 7, 9,

15, 20 e 30 ciclos e com intervalos de 60 ciclos cada.

2.4.2 RESULTADOS

Os resultados são apresentados na figura 13, em dois gráficos. No primeiro gráfico algumas

interrupções não podem ser visualizadas porque o período de medição é muito grande (cerca de 10

seg.). Nos diversos ensaios realizados, o TRIP ocorreu com uma interrupção de 10 ciclos.

Fig. 2.5 CLP e a sequência de Interrupções.

Formatados: Marcadores e

numeração

Formatados: Marcadores e

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Cap. II – CLP – Controlador Lógico Programável

Pág. 18

2.5 RESULTADO

O resultado dos experimentos realizados é a elaboração da curva de sensibilidade do CLP a

distúrbios na tensão de alimentação. Em um gráfico onde o eixo das ordenadas é representado pela

duração do distúrbio em escala logarítmica e no eixo das abscissas temos o nível de tensão,

localiza-se como pontos a interrupção e os afundamentos de tensão determinados nos experimentos.

Por interpolação desses pontos é plotada uma curva, temos a curva de sensibilidade do

equipamento.

Fig. 2.6 Curva de sensibilidade do CLP.

Cap. II – CLP – Controlador Lógico Programável

Pág. 19

2.6 CONCLUSÃO

Os Controladores Lógico programáveis estão sendo cada vez mais usados em diversas

aplicações, especialmente na automação industrial.

A bibliografia estudada mostra o CLP como um equipamento sensível aos distúrbios da

tensão de alimentação. Isto se deve ao fato de ser um equipamento micro processado, constituído

além do microprocessador (CPU) por módulos de memória, interfaces de entrada e saída. Esse

conjunto é ligado à rede através de uma fonte de alimentação.

Os resultados do estudo realizados não confirmam os dados da bibliografia, já que o CLP

ensaiado suportou distúrbios muito severos por longos períodos. A sensibilidade às interrupções foi

bem inferior ao estipulado na curva do CBEMA, suportado interrupções momentâneas por até 10

ciclos. A sensibilidade aos afundamentos de tensão foi até surpreendente, suportando um

afundamento de até 85% sem qualquer problema aparente detectado. Numa eventual ocorrência de

um distúrbio com essas características, uma linha de produção certamente seria interrompida, mas

devido a falhas em outros equipamentos ou a atuação dos dispositivos de proteção.

No caso deste equipamento pode-se concluir que se, se trata de um modelo mais moderno, a

fonte chaveada usada na alimentação pode fornecer as condições funcionais aos circuitos

eletrônicos e aos relês eletromecânicos, mesmo sob condições adversas.

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. III – Contatores

Pág. 20

‘

3 CONTATORES

3.1 INTRODUÇÃO

Contatores são equipamento destinados ao acionamento de cargas de grande porte, como

motores elétricos. São constituídos de um circuito magnético com uma parte móvel e uma bobina, a

parte móvel é mantida aberta por uma mola. O contator possui contatos principais e auxiliares,

todos são solidários à parte móvel do circuito magnético, os contatos principais seccionam a carga,

por eles circulam as correntes nominais, permanecendo abertos quando a bobina está

desenergiazada, já os contatos auxiliares servem para controle, por eles circula uma corrente muito

menor que a da carga, podem ser normalmente aberto (NA) ou normalmente fechado (NF). Quando

acionada, a bobina produz o fluxo magnético que circula pelo circuito, o torque resultante no

entreferro movimenta a parte móvel e fecha o circuito, mudando o estado de todos os contatos. A

figura 3.1 mostra o procedimento. No primeiro esquema a bobina está desenergizada, o contato do

tipo NA permanece aberto. No segundo esquema ocorre a energização da bobina, o contator é

atracado, isto é o contato fecha-se.

Fig. 3.1 Circuito magnético do contator.

O torque produzido pela passagem do fluxo magnético pelo entreferro é proporcional ao

quadrado da tensão que alimenta a bobina, por exemplo se a tensão se reduzir à 50% da tensão

nominal (V

) o torque se reduzirá a apenas 25% do torque nominal. Para movimentar a porte móvel

do circuito ou mesmo mantê-la fechada (mola tencionada), o torque deve ser superior a um valor

mínimo senão a parte móvel volta à posição original e abre o circuito.

Os contatores estão entre os equipamentos mais utilizados nas instalações industriais, são os

contatos de força que acionam um motor. Um processo depende muito dos contatores, pois além do

ligar e desligar uma determinada máquina eles também são montados de forma a assegurar o

intertravamento em máquinas ligadas em série, assim a falha de apenas um contator em uma linha

de produção pode comprometer ou mesmo parar todo o processo.

Cap. III – Contatores

Pág. 21

3.2 DETERMINAÇÃO DA SENSIBILIDADE

Para o ensaio de sensibilidade a distúrbios foi utilizada uma ligação comum de um circuito de

acionamento de cargas composto por um único contator e duas botoeiras (LIGA – DESLIGA). Para

manter o contator fechado (atracado), foi utilizado o contato auxiliar 11-12 como contato de selo, a

figura 3.2 mostra o esquema de ligação.

Fig. 3.2 Esquema de ligação do contator.

O contato de selo mantém a bobina do contator alimentada pela tensão da rede durante a

operação normal da máquina, este contato pode ser desfeito apertando-se o botão desliga (Botoeira

1), assim a alimentação da bobina é interrompida por poucos instantes, desfaz-se o contato de selo e

ao soltar o botão, o circuito já estará desligado em definitivo ou até ser novamente religado. Como

visto na introdução desse capítulo, um distúrbio que diminui a tensão a um determinado nível pode

provocar a abertura do circuito e consequentemente a quebra do contato de selo e desligamento da

máquina.

3.2.1 MATERIAIS UTILIZADOS

Para a realização dos ensaios sobre o comportamento dos contatores aos distúrbios da tensão

de alimentação, foram demandados os seguintes equipamentos.

 FONTE DE ALIMENTAÇÃO CONTROLADA/PROGRAMÁVEL CALIFORNIA

INSTRUMENTS – MODELO 6000L – TRIFÁSICA;

 CONTATOR 1 (TELEMECANIQUE LC1_D1210) – 127V–25A;

 CONTATOR 2 (TELEMECANIQUE LC1_D092) – 220V–25A;

 CONTATOR 3 (WEG CW37 11E) – 220V–50A;

 CONTATOR 4 (KLOCKNER-MOELLER DIL00-52) – 220V–20A;

 FONTE SIMÉTRICA – 0 a 15VDC;

 OSCILOSCÓPIO TECTRONIX – TDS 320;

 MICROCOMPUTADOR IBM – PC100;

 Fios e Cabos para conexão;

 Ferramentas de Laboratório – Alicate, Chaves de Fenda e Philips;

 1 par de Botoeiras – NA;

 Protoboard

Formatados: Marcadores e

numeração

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. III – Contatores

Pág. 22

3.2.2 PROCEDIMENTOS

A alimentação dos contatores durante a realização dos ensaios foi realizada através da fonte

CI–6000L. Utiliza-se um microcomputador ligado à fonte (Através do barramento GPIB) que

executa um programa proprietário para controle de todos os recursos. Inicialmente é selecionada a

saída com a tensão nominal (127 / 200V) sob condições ideais (Distorção Harmônica a índices

mínimos, sem variações no valor nominal da tensão). Os sinais que provém da alimentação do

contator (tensão e corrente) bem como um sinal de monitoramento dos contatos (12V

providos

por uma fonte simétrica DC) são digitalizados pelo sistema de aquisição de dados e transferidos

para o mesmo microcomputador através da porta de comunicação paralela, onde outro programa

proprietário analisa e armazena os dados.

A montagem segue o esquema da figura 3.3:

Fig. 3.3 Montagem em laboratório.

Após realizada a montagem do roteiro, ligamos os equipamentos auxiliares (fontes, sistema de

aquisição de dados, microcomputador) à rede de alimentação, colocamos a fonte no modo remoto e

iniciarmos a programação. A fonte fornece inicialmente a tensão nominal ao contator, que deve ser

ligado apertando-se o botão LIGA (Bot. 2 da figura 3.2), o contator atraca-se e após soltar o botão,

o contato passa a ser feito pelo contato auxiliar (11-12). Em seguida são programados os distúrbios

a serem aplicados, interrupções (0%V

) e afundamentos (10 a 90% de V

aumentando 5 em 5%).

Cap. III – Contatores

Pág. 23

O procedimento de aplicação dos distúrbios para cada contator segue abaixo:

1– Com o contator atracado aplica-se um distúrbio (iniciando-se com 0% de V

) com um

tempo mínimo (0,1 ciclo), verifica-se o comportamento do conjunto;

2– Se o contator não desatracar, aumenta-se apenas o tempo de duração e aplica-se

novamente o distúrbio. Repetir até verificar o desatracamento.

3– Adotar para o valor de tensão ensaiado o tempo em que foi verificado o desatracamento,

os dados desse ensaio devem ser gravados para análise;

4– Aumentar o valor de tensão e voltar ao passo 1;

5– Encontrar o valor de tensão no qual não for verificado desatracamento mesmo para um

tempo longo, adotar esse como o a tensão mínima suportada;

6– Elaborar a curva de sensibilidade através da interpolação dos diversos pontos

determinados em um gráfico Tempo de Duração x Tensão Aplicada.

3.2.3 RESULTADOS

Os contatores são, em geral, equipamentos muito sensíveis aos distúrbios na tensão. Não se

pode determinar com precisão se um distúrbio causa ou não o desatracamento do contator. Em todas

os experimentos realizados houve casos onde um mesmo distúrbio causava ou não problemas, por

isso foi relatado para cada distúrbio aplicado ambos os casos.

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. III – Contatores

Pág. 24

3.2.3.1 CONTATOR 1.

Este contator possuía apenas contatos auxiliares NA (normalmente aberto). Um dos contatos é

destinado ao contato de selo, no outro é ligado a fonte e monitorado a tensão nos terminais. Assim

quando o circuito é ligado, a tensão entre os contados 21-22 é zero. Quando ocorre um

desatracamento a tensão vai a 15V

A figura 3.4 mostra dois casos de interrupções aplicadas ao contator. O primeiro caso, uma

interrupção de 1 ciclo não causou problemas. No segundo caso, a interrupção de 1,25 ciclo causou o

desatracamento.

Fig. 3.4 Interrupção

A figura 3.5 mostra a aplicação de um afundamento de 90% na tensão aplicada ao conjunto.

Neste caso, ambos os distúrbios foram de 1,5 ciclo.

Fig. 3.5 Afundamento 90% (10% V

)

Com um tempo menor não havia problemas, um tempo maior sempre causava

desatracamento.

A figura 3.6 mostra o caso de um afundamento de 70% na tensão. O mesmo comportamento

foi observado neste caso.

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. III – Contatores

Pág. 25

Fig. 3.6 Afundamento 70% (30% VN)

Na figura 3.7, a aplicação de um afundamento de 50% na tensão. O primeiro distúrbio

aplicado durou 5 ciclos e foi suportado pelo conjunto. No segundo caso houve destracamento após

dois ciclos.

Fig. 3.7 Afundamento 50% (50% V

)

A figura 3.8, mostra a aplicação de um afundamento de 55% na tensão. Assim como no

primeiro caso, o distúrbio aplicado durou 5 ciclos e foi suportado pelo conjunto. No segundo caso

houve destracamento após três ciclos.

Fig. 3.8 Afundamento 45% (55% V

)

Cap. III – Contatores

Pág. 26

A figura 3.9 mostra a curva de sensibilidade do contator 1 como resultado dos experimentos

realizados. O uso de escala logarítmica é necessário para detalhar a zona vertical da curva (1 a 10

ciclos)

Fig. 3.9 Curva de sensibilidade

CONCLUSÕES

Como era esperado o Contator 1 apresentou uma sensibilidade muito grande aos distúrbios na

tensão. A tensão mínima necessária para manter o contator atracado independente do tempo é de

56% (44% de afundamento) o que é relativamente bom, considerando a natureza eletromecânica do

equipamento.

Cap. III – Contatores

Pág. 27

3.2.3.2 CONTATOR 2

Este contator também possuía apenas contatos auxiliares NA (normalmente aberto). Um dos

contatos é destinado a manter o contato de selo, no outro é ligado a fonte e monitorado a tensão nos

terminais.

A figura 3.10 mostra dois casos de interrupções de 1 ciclo aplicadas ao contator. O primeiro

caso não causou problemas. No segundo caso, uma interrupção com a mesma duração causou o

desatracamento.

Fig. 3.10 Interrupção

A figura 3.5 mostra a aplicação de um afundamento de 90% na tensão aplicada ao conjunto.

Neste caso, ambos os distúrbios foram de 1 ciclo.

Fig. 3.11 Afundamento 10% (90% V

)

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. III – Contatores

Pág. 28

As aplicações de distúrbios de 70 e 50% também tiveram um tempo máximo suportado de 1

ciclo. A figura 3.12 mostra os afundamentos de 70% e a figura 3.13, os afundamentos de 50%.

Fig. 3.12 Afundamento 70% (30% V

)

Fig. 3.13 Afundamento 50% (50% V

)

A figura 3.14 mostra um afundamento de 30% na tensão. Em uma aplicação do distúrbio, o

contator suporta por cerca de 10 ciclos sem desatracar. Em outras aplicações ocorre o

desatracamento com um tempo inferior a este. No caso relatado o tempo suportado foi de 3 ciclos.

Fig. 3.14 Afundamento 30% (70% V

)

Cap. III – Contatores

Pág. 29

A figura 3.15 mostra a curva de sensibilidade do contator 2 como resultado dos experimentos

realizados.

Fig. 3.15 Curva de Sensibilidade.

CONCLUSÕES

Este contator apresentou a maior sensibilidade entre os contatores ensaiados. Na região

vertical da curva, a suportabilidade foi de cerca de 1 ciclo com a tensão aplicada entre 0%

(interrupção) e 50%, assim a relação Tempo x Tensão também foi a pior entre os contatores

testados. Na região horizontal também foi observada a maior sensibilidade, com 72% de tensão

mínima (independente do tempo aplicado).

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. III – Contatores

Pág. 30

3.2.3.3 CONTATOR 3

Este contator possuía apenas 1 contato auxiliar NA (normalmente aberto) e 1 NF

(normalmente fechado). O contato NA é destinado a manter o selo, sobra o contato NF onde é

ligada a fonte e monitorado a tensão nos terminais. A curva de monitoramento apresenta 15V

com o contator atracado e zero quando ocorria um desatracamento.

A figura 3.16 mostra dois casos de interrupções de 1,5 ciclo aplicadas ao contator. O primeiro

caso não causou problemas. No segundo caso houve o desatracamento.

Fig. 3.16 Interrupção

Na figura 3.17 é mostrada a aplicação de um afundamento de 90%. Foi suportado por 1.75

ciclo na primeira curva. Um distúrbio com tempo idêntico levou o contator ao desatracamento na

segunda curva.

Fig. 3.17 Afundamento 90% (10% V

)

Cap. III – Contatores

Pág. 31

Afundamentos de 80% foram aplicados no contator. A figura 3.18 mostra o resultado, onde o

tempo suportado foi de cerca de 2 ciclos sem desatracamento.

Fig. 3.18 Afundamento 80% (20% V

)

Fig. 3.19 Afundamento 60% (40% V

)

A figura 3.20 mostra um afundamento de 40% na tensão. Em uma aplicação do distúrbio, o

contator suporta por cerca de 30 ciclos (0,5 seg.) sem desatracar. Em outras aplicações ocorre o

desatracamento com um tempo de 13 ciclos.

Fig. 3.20 Afundamento 40% (60% V

)

Cap. III – Contatores

Pág. 32

A figura 3.21 mostra a curva de sensibilidade do contator 3 como resultado dos experimentos

realizados.

Fig. 3.21 Curva de Sensibilidade.

CONCLUSÕES

Este contator também apresentou uma grande sensibilidade. A tensão mínima para manter o

contato de selo foi de 62% da tensão nominal.

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. III – Contatores

Pág. 33

3.2.3.4 CONTATOR 4

Assim como o contator estudado anteriormente, este também possuía apenas 1 contato

auxiliar NA (normalmente aberto) e 1 NF (normalmente fechado). Este é o único contator 127V

ensaiado. Todos os outros eram acionados em 220V.

A figura 3.22 mostra dois casos de interrupções de 1,25 ciclo aplicadas ao contator. O

primeiro caso não causou problemas. No segundo caso houve o desatracamento.

Fig. 3.22 Interrupção.

O mesmo comportamento foi observado para um afundamento de 90%. O tempo suportado

foi de 1,5%. A figura 3.23 mostra os casos.

Fig. 3.23 Afundamento 90% (10% V

Cap. III – Contatores

Pág. 34

A figura 3.24 mostra afundamentos de 70% (30% de V

), o tempo suportado foi de 2,3 ciclos.

Fig. 3.24 Afundamento 70% (30% V

A figura 3.25 mostra afundamentos de 60%, o tempo suportado foi de 2,5 ciclos.

Fig. 3.25 Afundamento 60% (40% V

)

A figura 3.26 mostra afundamentos de 55% (45%de V

), o tempo suportado foi de 2,3 ciclos.

Fig. 3.26 Afundamento 55% (45% V

Cap. III – Contatores

Pág. 35

A figura 3.27 mostra afundamentos de 51% de V

, o tempo suportado foi de 2,3 ciclos.

Em um dos casos, a tensão de 49% de V

foi suportada por até 30 ciclos sem ocorrer o

desatracamento.

Fig. 3.27 Afundamento 51% (49% V

A figura 3.28 mostra a curva de sensibilidade do contator 4 como resultado dos experimentos

realizados.

Fig. 3.28 Curva de sensibilidade.

CONCLUSÕES

Este contator apresentou a menor sensibilidade entre os contatores ensaiados. A tensão

mínima para manter o contato de selo foi de 52% da tensão nominal. Além de ser caracterizado por

uma boa relação Tempo x Tensão.

Cap. III – Contatores

Pág. 36

3.3 CONCLUSÃO

Os contatores estão entre os equipamentos mais usados nas instalações elétrica industriais.

Eles não se enquadram entre os equipamentos sensíveis de natureza eletrônica, e sim de natureza

eletromagnética, onde o torque produzido no entreferro varia com o quadrado da tensão aplicada à

bobina. Essa característica também é válida para os relês eletromecânicos, mas para esses não foi

realizado um estudo experimental.

Todos os contatores estudados se mostraram muito sensíveis aos distúrbios na tensão,

especialmente aos distúrbios mais severos, como as interrupções. A suportabilidade em todos os

casos foi de 1 a 1,5 ciclos para esses distúrbios.

No caso de distúrbios de longa duração e menos severos os resultados foram bem diferentes.

O contator 1 se mostrou até bem resistente, um afundamento de 44%, que leva a tensão a 56%

de V

pode ser suportado indefinidamente, ou pelo menos até as proteções da instalação atuarem.

O contator 2, foi o menos sensível entre os contatores testados, suportando distúrbios de longa

duração de até 48%. Pode ser devido ao projeto do contator e ao fato de ser o único dos contatores

estudados acionado a 127V.

O contator 3 não foi tão eficiente, nos distúrbios de longa duração, embora tenha sido o

menos sensível aos distúrbios mais severos.

Finalmente o estudo termina com o Contator 4, que se mostrou o contator mais sensível entre

todos os tratados nesse trabalho. Aqui ficam bem evidenciadas a suportabilidade a distúrbios

severos de apenas 1 ciclo e aos distúrbios de longa duração, suportando afundamentos de apenas

25%.

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 37

4 CHAVES DE PARTIDA ESTÁTICAS – SOFT-STARTER

4.1 INTRODUÇÃO

Os Motores de Indução Trifásicos – MIT, são responsáveis por grande parcela no consumo

industrial de energia elétrica, e essa parcela vem crescendo com a mudança do perfil

(modernização) das indústrias. A partida desses motores entretanto, é preocupante, pois o valor da

corrente chega a 8 (oito) vezes o valor da corrente nominal do motor por alguns instantes, o que

pode ser prejudicial á instalação e aos consumidores próximos. Para reduzir a corrente durante a

partida de um motor é necessário diminuir a tensão aplicada aos seus terminais.

Os métodos clássicos são a partida Estrela – Delta, e as chaves compensadoras. Essas chaves

possuem o inconveniente de só trabalharem com um nível de tensão além da nominal e após a

partida do motor, a transição para a tensão nominal é feita mecanicamente, com o uso de chaves

manuais ou contatores, o que provoca um outro pico de corrente. Outro método faz uso da

eletrônica de potência para o acionamento de um MIT.

As chaves de partida estática – “Soft Starter” - são chaves projetadas para acionamento de

motores elétricos de indução trifásicos. Através do ajuste do ângulo de disparo de tiristores,

controla-se a tensão aplicada ao motor. Com o uso dessas chaves, o torque e a corrente são

ajustados às necessidades da carga, ou seja, a corrente exigida será a mínima necessária para

acelerar a carga.

O amplo uso dessas chaves atualmente mostra a evolução promovida pela eletrônica de

potência nos processos industriais.

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 38

4.2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

4.2.1 GRADADORES

4.2.1.1 CONCEITO

O circuito básico de uma chave de partida estática é um gradador trifásico. Segue uma

descrição do circuito citada em [1].

Os gradadores são conversores estáticos destinados a variar o valor eficaz de uma tensão

alternada. Caracterizam-se por colocarem a carga em contato direto com a fonte, sem tratamento

intermediário de energia. Para cargas de pequena potência é comum o emprego de Triac. Para

Potências maiores são empregados dois tiristores ligados em antiparalelo.

O motor de indução é considerada uma carga indutiva, por isso será feita a análise de

gradador monofásico para carga RL. Ao final será vista as considerações para carga trifásica.

Fig. 4.1 Gradador monofásico com carga RL.

Do circuito da figura 4.1 podemos definir:

)(

cos

= [4.1]

cos φ – Fator de potência da carga

φ – ângulo de defasagem da corrente;

Fig. 4.2

Correntes e tensões para o circuito da Fig. 4.1

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 39

Onde:

v – Tensão de alimentação;

α – Ângulo de disparo dos tiristores;

i – Corrente de carga para um ângulo de disparo α > φ ;

– Corrente de carga para um ângulo de disparo α = φ .

Da análise da forma de onda da Fig. 4.2, temos

)(

[4.2]

]).sen().[sen(

etIi

−

−−−+=

φαφαω

[4.3]

O primeiro termo da equação 4.3 representa a componente senoidal da corrente de carga, o

segundo representa a componente exponencial, devido ao transitório do circuito RL.

Pode-se mudar o referencial de tensão de wt = 0 para o ponto wt = φ, assim a expressão da

corrente de carga fica:

]).sen().[sen(

)..(

etIi

αω

φαφω

−

−−−=

[4.4]

Quanto ωt = β, a corrente do tiristor se anula e ele se bloqueia.

O ângulo β pode ser determinado pela equação:

0).sen()sen()sen(

)..(

=−−−−−

−

αω

φαφαφβ

[4.5]

Que pode ser resolvida iterativamente (métodos numéricos) ou por meio de ábacos.

A determinação das correntes média e eficaz sobre os tiristores é importante no ponto de vista

de dimensionamento. Trata-se de expressões grandes e dependentes de mais de uma variável. Os

resultados podem ser obtidos por meio de ábacos.

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 40

4.2.1.2 HARMÔNICOS DA CORRENTE DE CARGA:

O estudo das componentes harmônicas da corrente é de fundamental importância, porque a

corrente com forma de onda distorcida é introduzida na rede, provocando assim a distorção da

forma de onda da tensão. Outros efeitos são ressonância com bancos de capacitores, interferência

nos sinais telefônicos causadas pelas componentes de ordem superior.

A análise da simetria da forma de onda de tensão leva a conclusão que não estão presentes os

componentes de ordem par. Assim considera-se a variável n

nas equações assumindo os valores

ímpares:

n = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, ...

{

[

















−⋅−−⋅

−

+−+−−−=

−

)sencos(cot)sencos(cot

1cot

)(sen4

)2sen2sen22(sen)2cos2(coscos

)(cot

ααφββφ

φα

αβαβφβαφ

βαφ

gge

[4.6]

{

[

















+⋅−+⋅

−

+−−−+−=

−

)cossen(cot)cossen(cot

1cot

)(sen4

)2cos2(cossen)2sen2sen22(cos

)(cot

ααφββφ

φα

βαφαβαβφ

βαφ

gge

[4.7]

Para n > 1

os coeficientes são representados pelas expressões:

[][]

[]

)sencos(cot)sencos(cot

cot

)(sen2

)1(sen)1(sen

)1(

sen

)1(sen)1(sen

)1(

sen

)1(cos)1(cos

)1(

cos

)1(cos)1(cos

)1(

cos

)(cot

ααφββφ

φα

βα

βαφ

nnngnnnge

−⋅−−⋅⋅

−

++−+

+−−−

−







+−+

+−−−

−

[4.8]

[][]

[]

)cossen(cot)cossen(cot

cot

)(sen2

)1(cos)1(cos

)1(

sen

)1(cos)1(cos

)1(

sen

)1(sen)1(sen

)1(

cos

)1(sen)1(sen

)1(

cos

)(cot

ααφββφ

φα

αβ

βα

αβ

βαφ

nnngnnnge

+⋅−+⋅⋅

−

++−+

+−−−

−







+−+

+−−−

−

[4.9]

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 41

Seja I

a amplitude da harmônica de ordem n. Assim:

Iab

nnn

[4.10]

Como tratam-se de funções dependentes de várias variáveis, as componentes fundamental e

harmônicas podem ser mais facilmente determinadas por meio de tábuas (ábacos).

Fig. 4.3

Componente Fundamental da corrente em Função de α e φ.

Fig. 4.4

Componente 3

Harmônico da corrente em função de α e φ.

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 42

Fig. 4.5

Componente 5

Harmônico da corrente em função de α e φ.

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 43

4.2.1.3 ESTRUTURAS TRIFÁSICAS

As chaves de partida estática – Soft Starters, são gradadores destinados a partida de motores

elétricos de indução. Assim elas possibilitam arranjo em Estrela (Y), em Delta (

∆) ou com os

tiristores dentro do delta. Os motores devem ter pelo menos 6 terminais.

Fig. 4.6

Conexão Estrela.

Fig. 4.7

Conexão Delta.

Fig. 4.8

Gradador dentro do Delta.

A conexão em Estrela – Os terminais da

chave são ligados aos do motor, e os outros

terminais são curto circuitados, formando uma

estrela como na figura 4.6.

As correntes de Linha são iguais às

correntes de fase.

Não há compensação ou eliminação de

qualquer ordem harmônica.

A conexão em Delta – Os terminais da

chave são conectados em série com os do motor,

que estão ligados em Delta, como na figura 4.7.

As correntes de linha são composições das

correntes de fase. As componentes harmônicas de

seqüência 0 (múltiplas de 3) ficam circulando

dentro do Delta, assim elas não se propagam pela

rede.

Com os tiristores dentro do Delta – Os

terminais da chave são ligados aos do motor, que

juntos formam o Delta, como na figura 4.8.

A grande vantagem dessa configuração é

que a corrente do gradador é a corrente de fase do

motor,

√3 vezes menor que a corrente de linha.

Assim a mesma chave usada na figura 4.7 pode

acionar um motor 58% mais potente.

Como desvantagem tem-se o fato dos

tiristores conduzirem todas as ordens harmônicas,

inclusive as múltiplas de 3. O que tende a

aumentar a corrente durante o funcionamento;

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 44

4.2.2 MIT.

Nos motores de indução, a corrente é fornecida ao estator diretamente e ao rotor por indução.

Durante o processo de partida, com o rotor parado, esses motores podem ser considerados

transformadores com o enrolamento secundário curto circuitados. A freqüência das correntes

induzidas no rotor é igual á freqüência das correntes do estator. O campo produzido pelas correntes

do rotor gira com a mesma velocidade do produzido pelo estator, e resulta um conjugado de partida,

tendendo a girar o rotor na direção de rotação do campo induzido pelo estator.

A relação entre as velocidades do rotor e do estator é conhecida como escorregamento (s).

Sendo n a rotação do rotor e n

a velocidade síncrona temos:

−

[4.11]

Onde s é igual a 1 para o rotor parado e igual a 0 para o rotor girando à velocidade síncrona. s

As funções de corrente e conjugado são dependentes da tensão terminal e do escorregamento.

A corrente do motor é proporcional à tensão de entrada enquanto que o conjugado varia com o

quadrado da tensão. O objetivo dos sistemas de partida é diminuir a corrente necessária para partir o

motor sem prejudicar o torque (conjugado) necessário para acionar a carga. A variação com relação

ao escorregamento e consequentemente com a velocidade, são mostradas na Figura 4.9.

Fig. 4.9

Curvas típicas de Conjugado e Potência para MIT.

O motor acelera, mas nunca alcança a velocidade síncrona, pois os condutores do rotor

estariam imóveis em relação ao campo do estator e não haveria indução de correntes. Como se

observa na Fig. 4.9 o conjugado e a potência nessas condições são nulos.

Quando o motor está trabalhando com rotação nominal, ligeiramente abaixo da rotação

síncrona, temos a interação dos campos, com o escorregamento próximo (mas nunca igual) a zero.

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 45

4.3 ESTUDO DA CHAVE DE PARTIDA ESTÁTICA

4.3.1 CONCEITOS

Uma Chave de Partida Estática – “SOFT STARTER” consiste de um circuito de potência,

onde a tensão da rede é controlada através de tiristores, distribuídos nas três fases ligados em

antiparalelo. Pode haver variações possíveis como o uso de Triac (para baixas potências) ou de um

maior número de tiristores por fase (para altas potências). O circuito de potência é controlado por

um circuito eletrônico que pode ser microprocessado. O acionamento e a programação dos

parâmetros da chave é feito através da IHM (Interface Homem–Máquina) ou remotamente através

de um microcomputador.

4.3.2 PARÂMETROS

O principal parâmetro das chaves de partida estática é a rampa de partida. A tensão inicial

aplicada é uma parcela da tensão nominal e o valor vai aumentando até a tensão plena. Assim,

limitando-se a tensão aplicada ao motor, a corrente de partida também é limitada. Esse parâmetro

pode se livremente variado, a tensão inicial e o tempo da aceleração são as variáveis. Os valores

para a chave estudada são dados na tabela 4.1.

Variável Menor Valor Maior Valor

Tensão Inicial (% V

) 25 90

Tempo da Rampa (seg) 1 240

Tabela 4.1 – Valores para a Rampa de Partida.

Fig. 4.10

Rampa de Partida.

Rampa de partida: A tensão inicia-se em V

(Tensão Inicial) e aumenta até V

(Tensão

Nominal) e O tempo é dado por Tac (Tempo da Rampa de Aceleração).

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 46

A determinação dos valores de Tensão Inicial e do Tempo da Rampa de Aceleração depende

da potência do motor e da carga ligada ao eixo durante o processo de partida. Para um motor a

vazio, o conjugado necessário para partir a carga será o mínimo. Pode-se optar por uma tensão

inicial baixa (40% de V

) e por um tempo pequeno (10s pode ser suficiente). Esses valores podem

ser variados com o aumento da carga.

Outros parâmetros são de uso mais específico, como a rampa de desaceleração, recomendada

em sistemas de bombeamento para evitar os golpes de aríete nas tubulações. Ao ser acionado o

desligamento do motor, a tensão vai de um valor inicial que pode ou não ser o valor nominal até

zero. A frenagem torna-se então mais lenta que se fosse realizada um desligamento brusco.

A tabela 3.2 indica os valores dessa função para a chave estudada.

Variável Menor Valor Maior Valor

Tensão Inicial (% V

) 40 100

Tempo da Rampa (seg) 1 240

Tabela 4.2 – Valores para a Rampa de Desceleração.

Fig. 4.11

Rampa de desacelaração.

Rampa de desaceleração, pode iniciar em V

ou em um valor abaixo, vai até 0 e dura T

DES

(Tempo de Desligamento)

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 47

O pulso de partida é aplicado quando a inércia estática da carga ligada ao motor é muito alta,

é necessário aplicar um pulso de tensão próximo da nominal para movimentar a carga antes da

aplicação da rampa.

Fig. 4.12

Pulso de partida seguido pela Rampa.

Observa-se na figura 4.12:

 Pulso de partida, onde V

(Tensão do Pulso) é próximo da tensão nominal e dura T

PUL

(Tempo do Pulso).

 Rampa de partida, vai de V

(Tensão Inicial) até V

(Tensão Nominal) e dura Tac (Tempo

de Aceleração).

A frenagem por Corrente Contínua é outra função que pode ser oferecida pelas chaves de

partida estática. Neste caso o circuito do gradador funciona em apenas um ciclo, formando um

retificador. Injetando corrente contínua nos enrolamentos do estator do motor de indução trifásico

ocorre a brusca parada do campo girante e consequentemente o parada do rotor.

A programação da chave inclui ainda determinação das especificações do motor, como

tensão, corrente nominal, fator de serviço. E as informações referentes a limitação de corrente.

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 48

4.3.3 FUNÇÃO ECONOMIA DE ENERGIA

A uso das chaves de partida estática não é preocupante no contexto da qualidade de energia

elétrica porque, apesar da corrente altamente distorcida, ela só é usada durante a partida do motor, o

tempo de alguns segundos é muito pequeno se comparado ao funcionamento do motor. Em geral,

após a partida essa chave é retirada do sistema por meio de um contator, sendo que em algumas

situações uma única chave pode acionar vários motores em um linha de produção, desde que os

motores sejam de potência equivalente. Com isso aumenta-se a vida útil dos componentes

eletrônicos.

O mesmo circuito básico da chave (Gradador Trifásico) pode ser usado também para limitar a

tensão aplicada ao motor durante o seu funcionamento normal. Com a redução da tensão de

alimentação há uma variação correspondente na curva de conjugado do motor, diminuindo o

conjugado máximo e a sua capacidade de carga. Por essas características, a função também é

conhecida como otimização de torque.

Seu uso é interessante com o motor trabalhando a vazio ou subcarregado, o conjugado exigido

pela carga é mais próximo do novo conjugado nominal, aumentado-se a eficiência do motor. Além

do mais, com a tensão eficaz é diminuída, a corrente de magnetização também diminui, reduzindo

as perdas de magnetização (Ferro) e nos enrolamentos (Cobre) do motor, aumentado o Fator de

Potência, que normalmente é baixo para o sub carregamento.

Na chave estudada, essa função podia ser acionada pela IHM. Ela entrava em funcionamento

logo após concluída a partida do motor (Rampa). Sua faixa de atuação observada foi de 80 a 100%

da tensão nominal.

Um estudo mais elaborado será realizado com esta função. O objetivo é determinar as

vantagens e desvantagens do uso da função economia de energia. Sabe-se que o efeito das

componentes harmônicos de corrente no circuito magnético dos motores traz certas complicações.

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 49

4.4 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

Os ensaios visam determinar a sensibilidade da chave quando ocorre um distúrbio na tensão

de alimentação durante a atividade normal da chave. Para tal, foi montado um sistema consistindo

de um motor de indução alimentado por uma chave de partida estática. Foi utilizada a ligação em

delta, esquematizada na fig. 4.7.

Foram realizados também estudos sobre a partida do motor e sobre o uso da função

conservação de energia. Os estudos visam determinar se o uso das chaves de partida estática é

prejudicial ao sistema de energia sob o ponto de vista de propagação de correntes e tensões

harmônicas pelo sistema.

4.4.1 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS:

Para a realização dos ensaios sobre o comportamento dos contatores aos distúrbios da tensão

de alimentação, foram utilizados os seguintes equipamentos.

 Motor – 2CV – 220V – 6A;

 Chave de Partida Estática 16A;

 Fonte de alimentação controlada/programável California Instruments® – modelo 6000l –

trifásica;

 Sistema de Aquisição de Dados – “Wave Book 516” – IoTech®;

 Software de processamento de sinais DasyLab 4.0, DasyTec®.

 Micro Computador IBM® PC166;

 Osciloscópio Tectronix® TDS 320;

 Transdutores de Tensão e Corrente;

 Cabos para Ligação de Força e Sinais.

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 50

A análise segue o roteiro da fig. 4.13 em todos os ensaios. A fonte de alimentação controlada/

programável fornece a tensão de alimentação à chave, que por sua vez aciona o motor. As tensões

de alimentação (Fase – Fase) na entrada e na saída da chave são amostradas por transdutores de

tensão e as correntes na entrada do motor são amostrada por um transdutor de corrente (TC do tipo

garra), os sinais são enviados ao sistema da aquisição de dados que após digitalizados são enviados,

analisados e armazenados no microcomputador.

Fig. 4.13

Roteiro do experimento

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 51

4.4.2 PARTIDA DO MOTOR

Foi realizado uma análise da partida do motor acionado pela Chave de Partida Estática.

A figura 4.14 mostra os gráficos de tensão de alimentação da chave, tensão do motor (saída da

chave) e corrente do motor durante o processo de partida.

Fig. 4.14

Partida do motor.

Observa-se no segundo gráfico a tensão imposta ao motor logo após a partida é recortada. O

terceiro gráfico mostra a corrente que mesmo com o uso da “Soft – starter” é bem maior que a

corrente nominal do motor.

O processo de partida leva em torno de 10 segundos, este é o tempo programado para a rampa

de partida. Entretanto o motor leva cerca de um segundo e meio (1,5seg) para chegar a velocidade

próxima a nominal, observados facilmente na curva de corrente. Esta situação é observada em

partidas com o motor a vazio. Com o aumento da carga acoplada ao motor a partida se torna mais

lenta e podem ser necessárias mudanças na programação da chave.

Para visualizar os efeitos a partida, foram selecionadas 4 instantes durante a partida (linhas

verticais da curva da figura 4.14) e detalhados os gráficos.

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 52

A figura 4.15 mostra os primeiros ciclos logo após a partida. A tensão imposta ao motor é

muito distorcida (recortada), sendo equivalente a 30% da tensão nominal (220V).

A corrente aumenta a cada ciclo, o eixo do motor ainda permanece parado.

Fig. 4.15

Formas de onda no início da partida.

A figura 4.16 mostra os espectros harmônicos das formas de onda da figura 4.15. Observa-se

a forte presença de ordens múltiplas de 5 e 7 nas formas de onda de tensão (curva 2) e corrente

(curva 3) do motor. A forma de onda da tensão de entrada (curva 1) permanece senoidal, mas

apresenta pequenas distorções em alguns trechos causadas pela circulação das correntes harmônicas

pelos circuitos de alimentação (cabos e a própria fonte)

Fig. 4.16

Espectro Harmônico das formas de onda da figura 4.15 e valores RMS.

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 53

A figura 4.17 mostra alguns ciclos no pico de corrente. A tensão imposta ao motor ainda é

muito distorcida (recortada), sendo equivalente a 45% da tensão nominal (220V).

O eixo do motor já venceu a inércia inicial e ocorre uma rápida aceleração, a corrente cai

rapidamente para o valor correspondente ao motor funcionando a vazio.

Fig. 4.17

Formas de onda mostrando o pico de corrente.

A figura 4.18 mostra os espectros harmônicos das formas de onda da figura 4.17. As formas

de onda de tensão (2) e corrente (3) do motor ainda apresentam uma alta taxa de distorção

harmônica. A forma de onda da tensão de entrada (1) apresenta a máxima distorção harmônica

coincidindo com a máxima corrente no motor.

Fig. 4.18

Espectro Harmônico das formas de onda da figura 4.17 e valores RMS.

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 54

A figura 4.19 mostra alguns ciclos no final do processo de partida. A tensão imposta ao motor

ainda já apresenta uma forma senoidal, mas ainda apresenta uma distorção.

O eixo do motor está a rotação nominal, a corrente apresenta um valor abaixo do valor final,

pois a tensão sobre o motor ainda não atingiu o valor nominal.

Fig. 4.19

Formas de onda no final do processo de partida.

A figura 4.20 mostra os espectros harmônicos das formas de onda da figura 4.19. A

componente fundamental (60Hz) é predominante em todas as formas de onda. A Tensão (2) e

corrente (3) do motor ainda apresentam uma pequena distorção.

Fig. 4.20

Espectro Harmônico das formas de onda da figura 4.19 e valores RMS.

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 55

A figura 4.21 mostra o funcionamento do motor após completo processo de partida. A Tensão

(2) e corrente (3) do motor ainda apresentam uma pequena distorção, produzida por imperfeições no

disparo dos tiristores.

O eixo do motor está a rotação nominal, a corrente apresenta o valor correspondente ao motor

funcionando a vazio.

Fig. 4.21

Formas de onda após o processo de partida.

A figura 4.22 mostra os espectros harmônicos das formas de onda da figura 4.21. A

componente fundamental (60Hz) é a única presente em todas as formas de onda.

Fig. 4.22

Espectro Harmônico das formas de onda da figura 4.21 e valores RMS.

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 56

4.4.3 FUNÇÃO ECONOMIA DE ENERGIA

Neste experimento foram realizadas aquisições da tensão e corrente do motor após concluído

o processo de partida. O estudo visa mostrar graficamente as formas de onda e os componentes

harmônicos para o funcionamento normal e com a função economia de energia ativada.

Fig. 4.23

formas de onda.

A figura 4.24 mostra a composição harmônica da forma de onda da tensão aplicada ao motor.

Fig. 4.24

Composição Harmônica da Tensão.

A figura 4.25 mostra a composição harmônica da forma de onda da corrente aplicada ao

motor.

Fig. 4.25

Composição Harmônica da Corrente.

A primeira aquisição foi

realizada com a função economia de

energia desativada. A figura 4.23

mostra as formas de onda de tensão e

corrente. Observa-se uma pequena

distorção produzida pelos disparos

dos tiristores em

α = 0º.

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 57

Fig. 4.26

formas de onda.

A figura 4.27 mostra a composição harmônica da forma de onda da tensão aplicada ao motor.

Fig. 4.27

Composição Harmônica da Tensão.

A figura 4.28 mostra a composição harmônica da forma de onda da corrente aplicada ao

motor.

Fig. 4.28

Composição Harmônica da Corrente.

A segunda aquisição foi

realizada com a função economia de

energia ativada. A figura 4.26 mostra

as formas de onda de tensão e

corrente. Observa-se uma distorção

bem maior, produzida pelo atraso no

disparos dos tiristores (

α > 0º).

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 58

4.4.4 SENSIBILIDADE A DISTÚRBIOS

4.4.4.1 DISTÚRBIOS 1Ø (FASE DO ALIMENTADOR)

Neste experimento, a fonte geradora foi programada a aplicar um distúrbio em apenas uma

das fases o distúrbio aplicado variava com a tensão, iniciando-se com 0% de Vn (Interrupção) até

determinar a tensão mínima suportada por longos períodos (regime permanente). Foi observado o

comportamento do conjunto e elaborada a curva de sensibilidade do equipamento.

A figura 4.29 mostra uma interrupção em uma das fases do alimentador. O primeiro gráfico

mostra a tensão de linha V

na entrada da chave. O segundo gráfico mostra a mesma tensão na

saída da chave, alimentando o motor. O tempo suportado foi de cerca de 10 ciclos.

Fig. 4.29

Interrupção

A figura 4.30 mostra um afundamento de 90% em uma das fases do alimentador. O tempo

suportado foi de cerca de 12 ciclos.

Fig. 4.30

Afundamento 90% (10% V

)

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 59

A figura 4.31 mostra um afundamento de 80% em uma das fases do alimentador. O tempo

suportado também foi de cerca de 12 ciclos.

Fig. 4.31

Afundamento 80% (20% V

)

A figura 4.32 mostra um afundamento de 70% em uma das fases do alimentador. O tempo

suportado foi de cerca de 14 ciclos.

Fig. 4.32

Afundamento 70% (30% V

)

A figura 4.33 mostra que um afundamento de 68% pode ser suportado por um tempo muito

longo pelo conjunto. A proteção por falta de fase pode atuar após alguns segundos, dependendo do

nível de tensão.

Fig. 4.33

Afundamento longo (32% V

)

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 60

4.4.4.2 DISTÚRBIOS 3Ø

Neste experimento, a fonte geradora foi programada a aplicar um distúrbio em todas as fases

com as mesmas características Tensão x Tempo. O distúrbio aplicado variava com a tensão,

iniciando-se com 0% de Vn (Interrupção) até determinar a tensão mínima suportada por longos

períodos (regime permanente). Foi observado o comportamento do conjunto e elaborada a curva de

sensibilidade do equipamento.

A figura 4.34 mostra uma interrupção. O primeiro gráfico mostra a tensão de linha V

entrada da chave. O segundo gráfico mostra a mesma tensão na saída da chave, alimentando o

motor. O tempo suportado foi de cerca de 18 ciclos.

Fig. 4.34

Interrupção

A figura 4.35 mostra um afundamento de 90%. O tempo suportado foi de cerca de 10 ciclos.

Fig. 4.35

Afundamento 90% (10% V

)

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 61

A figura 4.36 e 4.37 mostram afundamentos de 70%. Na primeira curva, foi aplicado um

afundamento com duração de 10 ciclos. Após a tensão de entrada voltar ao valor normal, a tensão

de saída também se normalizou.

Fig. 4.36

Afundamento 70% (30% V

). Não falhou.

Na figura 4.37 o tempo suportado foi de cerca de 11 ciclos,

Fig. 4.37

Afundamento 70% (30% V

)

A figura 4.38 mostra que um afundamento de 68% pode ser suportado indefinidamente pelo

conjunto. Neste caso uma eventual carga no motor poderia não ser suportada e a proteção por rotor

bloqueado presente nas chaves de partida estática podem atuar

Fig. 4.38

Afundamento longo (32% V

)

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 62

4.4.4.3 RESULTADOS

Os ensaios nos itens acima determinaram a sensibilidade da chave de partida estática a

afundamentos com diversos níveis de tensão. Plotando os resultados em um gráfico, obtemos a

curva de sensibilidade do equipamento.

Com os resultados do item 1.4.4.1, pode-se elaborar a curva de sensibilidade ao distúrbios

monofásicos.

Fig. 4.39

Curva de sensibilidade para distúrbios monofásicos.

Com os resultados do item 1.4.4.2, pode-se elaborar a curva de sensibilidade ao distúrbios

trifásicos.

Fig. 4.40

Curva de sensibilidade para distúrbios trifásicos.

Os resultados das apresentam muitas semelhanças ao longo das duas curvas, desde as

interrupções momentâneas até os afundamentos de longa duração.

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. IV – Chaves de Partida Estática – “Soft Starter”

Pág. 63

4.5 CONCLUSÃO

Comparado com os método convencionais de partida, as Chaves de Partida Estática fornecem

vantagens que vão além da partida suave. Os recursos como possibilidade de parada suave, parada

rápida com a injeção de Corrente Contínua, programações especiais para operação de equipamentos

como bombas submersas e a otimização da curva de torque, que recebe o nome de Função

Economia de Energia.

Como todo equipamento, não tem apenas vantagens. As principais desvantagens estão no nas

características dos seus circuitos de potência, a presença de harmônicos na corrente, especialmente

durante o processo de partida e com a Função Economia de Energia ativada. Cita-se também o fato

de um equipamento constituído por um circuito de potência (Tiristores) controlados por um circuito

lógico (microprocessador), o que, segundo a bibliografia resulta em um equipamento sensível a

distúrbios.

Neste capítulo foram abordados experimentalmente as principais características das chaves de

partida estática, os componentes harmônicos produzidos durante a partida e com a Função

conservação de energia ativados e um estudo de sensibilidade do equipamento a distúrbios na

tensão de alimentação, como as interrupções e afundamentos de tensão.

No estudo do conteúdo harmônico produzido durante a partida, verifica-se formas de onda

muito distorcidas, o que provoca distorção na própria tensão de alimentação. Esse efeito pode ser

sentido em toda a instalação e até nas instalações de consumidores adjacentes, dependendo da

potência e do número de motores acionados.

No estudo dos harmônicos produzidos durante o funcionamento com a função economia de

energia ativada, correntes com altos níveis de distorção são introduzida no sistema, levando em

conta que essa é uma operação contínua, a operação é bem mais preocupante que a partida do motor

em si.

No estudo experimental para a determinação da sensibilidade, a chave se mostrou bem

resistente a interrupções em ambos os casos, distúrbios mono ou trifásicos (1ø e 3ø). Já quanto aos

afundamentos de tensão a sensibilidade foi menor que a dos principais equipamentos encontrados

junto com as chaves nas instalações, os contatores abordado no capítulo 3. Mas a sensibilidade foi

bem superior ao do CLP abordado no capítulo 2. Após a elaboração das curvas observou-se uma

semelhança no comportamento do dispositivo aos distúrbios mono e trifásicos, essa semelhança

mostra que região mais sensível é o sistema de controle, composto essencialmente por dispositivos

semicondutores como microprocessador, módulos de memória, transistores entre outros, esse

circuito é alimentado por uma fase apenas (em 127V).

Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 64

5 LÂMPADAS DE DESCARGA DE ALTA PRESSÃO

5.1 INTRODUÇÃO

Na iluminação de grandes áreas como plantas industriais, galpões e de áreas externas como

pátios, estacionamentos, ruas e avenidas o uso de lâmpadas de descarga é imprescindível. As

vantagens dessas lâmpadas sobre as lâmpadas incandescentes são a grande gama de potências, de

algumas dezenas até milhares de Watts, a alta eficiência energética, vida útil mais longa.

As lâmpadas de descarga de alta pressão são, pela sua construção, muito sensíveis a um

distúrbio na tensão de alimentação. Quando a descarga dentro do tubo está estabilizada, corrente e

tensão estão dentro dos valores permitidos para a lâmpada. A ocorrência de uma variação na tensão

provoca instabilidade na descarga. Se ocorrer dentro de valores determinados, a descarga cessa e a

lâmpada se apaga.

Para a determinação da curva de sensibilidade de uma lâmpada é necessário realizar ensaios

com diversos níveis de tensão e determinar o tempo máximo que a lâmpada suporta o distúrbio. Os

resultados são colocados em um gráfico de tempo x tensão. A área acima da linha é a região de

operação normal da lâmpada.

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Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 65

5.1.1 LÂMPADAS DE DESCARGA

As lâmpadas de descarga produzem fluxo luminoso pela passagem da corrente elétrica através

de um meio ionizado que pode ser gás, mistura de gases e/ou vapores. O meio está contido em um

tubo, chamado de tubo de descarga que possui dois eletrodos que conduzem a corrente elétrica. O

meios mais usados são gases como argônio, xenônio, criptônio ou ainda nitrogênio, que podem ser

misturados a vapores de mercúrio, sódio e outros metais como tálio índio.

A pressão interna dentro do tubo de descarga pode variar de menos de um milésimo de

atmosfera até várias atmosferas. As lâmpadas de descarga em gases, como as lâmpadas de gás néon

apresentam pressão muito baixa e a descarga se inicia pela ruptura do isolamento (arco elétrico),

necessitando de altas tensões para o funcionamento. Nas descargas em vapores de alta ou de baixa

pressão, a pressão inicial é sempre muito baixa, a partida se dá pela ruptura do isolamento, o

aquecimento provoca a volatização dos metais no interior da lâmpada, que aumentam a pressão no

interior do tubo. O processo pode ser rápido, quase instantâneo, como nas lâmpadas fluorescentes

que trabalham com baixa pressão ou muito lento, como nas lâmpadas de alta pressão, levando

vários minutos para completar a partida e a lâmpada alcance a máxima luminosidade. Se uma

lâmpada de alta pressão for desligada, o processo de religamento é ainda mais lento, pois a pressão

no interior do tubo é muito alta, o processo de partida não funciona com alta pressão. É necessário

esperar o resfriamento da lâmpada, que faz o metal voltar ao estado líquido e a pressão abaixar.

Durante a passagem da corrente pelo meio ionizado, os elétrons se chocam com as moléculas

e/ou átomos dos gases e metais presentes. Ocorre então a excitação dos elétrons constituintes desses

átomos, resultando em emissão de radiações cujo comprimento de onda depende da natureza do

material constituinte do meio e da pressão que se encontra o mesmo, podendo o espectro se situar

na região de luz visível ou na região do ultravioleta.

No caso da presença de radiações ultravioletas no espectro gerado, elas podem ser convertidas

em luz visível através da excitação de um material fluorescente. Esse material é formado por

compostos de fósforo, conhecido como Fósfor. O fenômeno é idêntico ao da descarga no meio

gasoso, ao ser excitado por radiações ultravioletas esses compostos emitem radiações em uma

freqüência diferente. Nas lâmpadas fluorescentes que emitem exclusivamente radiações ultravioleta,

produzem luz branca, devido à grande variedade de impurezas que aumentam o espectro. Nas

lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão produzem as cores quentes, especialmente o

vermelho, já que essa lâmpadas produzem além das radiações ultravioletas as cores frias, como o

verde, azul e o violeta.

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Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 66

5.1.2 EFEITO ESTROBOSCÓPICO

O efeito estroboscópico é comum em qualquer lâmpada ligada á tensão alternada. A

intensidade da radiação é proporcional à corrente instantânea que passa pelo tubo. Como não há

polaridade, a cada ciclo há dois pulsos de corrente, assim o fluxo luminoso varia com o dobro da

freqüência da corrente. Nas lâmpadas incandescentes, esse efeito é amortizado pela inércia térmica

do filamento, isto é, a corrente vai a zero mas o filamento não chega a se apagar pois mantém uma

alta temperatura. Nas lâmpadas de descarga o efeito é mais grave, a emissão de radiação chega

praticamente a zero no momento em que a corrente cessa. Nas lâmpadas com revestimento

fluorescente há também uma compensação devido à inércia dos sais fluorescentes.

Fig. 5.1

Efeito Estroboscópico

Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 67

5.2 TIPOS DE LÂMPADAS DE DESCARGA

5.2.1 LÂMPADA VAPOR DE MERCÚRIO

A lâmpada de vapor de mercúrio consta de um tubo de material cerâmico, geralmente quartzo,

resistente a altas pressões e temperaturas. Possui em cada extremidade um eletrodo principal. Junto

a um dos eletrodos existe um eletrodo auxiliar ou de partida, ligado externamente a um resistor de

partida. O interior do tubo é preenchido com gás inerte (argônio) em pressão muito baixa e possui

mercúrio em estado líquido (pequenas gotas).

Fig. 5.2

Lâmpada de Vapor de Mercúrio

Quando é aplicada uma tensão de valor adequado na lâmpada, forma-se um arco elétrico entre

os eletrodos auxiliar e o principal mais próximo. O arco aquece a região próxima, vaporizando o

mercúrio, que aumenta a pressão do gás no interior do tubo. O tempo da partida é de 2 a 10

minutos, dependendo da potência da lâmpada, fabricante, material auxiliar entre outros.

As lâmpadas de vapor de mercúrio não podem ser ligadas diretamente à rede. Após a partida,

o tubo de descarga adquire uma impedância muito baixa, exigindo uma tensão inferior à da partida.

Esse controle é feito pelo reator, uma indutância colocada em série com a lâmpada. Durante a

partida a tensão plena se localiza entre os eletrodos auxiliar e principal, conforme a corrente da

lâmpada vai aumentado, aumenta também a queda de tensão sobre o reator, e consequentemente

diminui a tensão entre esses eletrodos. No final do processo de partida a queda de tensão do reator

somada à do resistor de partida se torna muito alta e cessa o arco formado entre os resistores de

partida (auxiliar) e o principal, neste momento a lâmpada entra no estágio final da partida, com a

corrente, controlada pelo reator, fluindo entre os eletrodos principais.

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Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 68

As perdas no reator são muito baixas comparadas com a potência da lâmpada. Os reatores

levam o fator de potência do conjunto a valores muito baixos (0,4–0,5), o que exige correção por

meio de instalação de capacitores. A maioria dos reatores modernos já inclui um capacitor em

paralelo com o conjunto.

Devidos às características do gás no interior do tubo (vapor de mercúrio a alta pressão), a

radiação produzida se situa na região do azul, violeta e do ultra–violeta. Externamente há um bulbo,

semelhante aos bulbos das lâmpadas incandescentes. O bulbo é recoberto com um material

fosforescente, cuja função é a correção de cores. Esse material (fosfor) transforma as radiações

ultravioletas provenientes da lâmpada em luz visível de natureza quente, principalmente o

vermelho. Assim melhora-se o índice de reprodução de cores da lâmpada, tornando-a mais natural

A eficiência das lâmpadas de vapor de mercúrio de alta pressão é bem superior ao das

lâmpadas incandescentes e mistas. Sendo pouco superior à das lâmpadas fluorescentes.

Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 69

5.2.2 LÂMPADA DE LUZ MISTA

As lâmpadas de luz mistas empregam os efeitos de incandescência e descarga para

produzirem luz. Constam basicamente de uma lâmpada de vapor de mercúrio com um filamento em

série com um dos eletrodos principais (oposto ao eletrodo auxiliar). A partida segue o mesmo

princípio das lâmpadas de vapor de mercúrio. O arco é criado entre os eletrodos auxiliar e principal

mais próximo. Após a ionização do gás (vaporização do mercúrio) no interior do tubo de descarga,

a corrente passa a fluir entre os eletrodos principais e pelo filamento resistivo.

Fig. 5.3

Lâmpada de Luz Mista

O filamento é dimensionado a limitar a corrente que flui pelo tubo de descarga, assim é

dispensado o uso de reator externo. O filamento também emite radiações na faixa do laranja e

amarelo, que somadas aos raios frios (azul) do tubo de descarga e os da faixa do vermelho da

camada fluorescente produzem um efeito mais natural e agradável que o das lâmpadas de descarga

comuns, com índice de reprodução de cores bem superior.

Essas lâmpadas são geralmente de tensão 220V, pois tensões menores não seriam suficientes

para formar o arco elétrico. Assim como as lâmpadas incandescentes, o filamento é de baixa

eficiência, ele diminui a eficiência do conjunto que é menos de metade de uma lâmpada de vapor

de mercúrio comum. As vantagens das lâmpadas de luz mista são baixo custo inicial, pois

dispensam o uso de reator e o alto fator de potência (unitário).

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Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 70

5.2.3 LÂMPADA DE VAPOR DE SÓDIO

As lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão constam de um tubo de descarga cujo material

deve suportar altas temperaturas e a prova do vapor de sódio, altamente abrasivo. O quartzo, usado

nas lâmpadas de vapor de mercúrio, não atende a essas exigências. Outros materiais cerâmicos são

usados. O óxido de alumínio suporta temperaturas de até 2050ºC e é um dos mais usados

atualmente. Nas extremidades do tubo há um eletrodo. O interior do tubo consta de gás xenônio,

mercúrio e sódio metálico. Não há eletrodo auxiliar. A partida é resultado da ionização do gás no

interior do tubo e exige altos pulsos de tensão, da ordem do 1500V ou mais.

Fig. 5.4

Lâmpada de Vapor de Sódio

Para produzir o pulso de partida é necessário além do reator um ignitor. O ignitor é

geralmente formado por um contato bimetálico, que ao se aquecer com a passagem da corrente

elétrica se deforma, já que os metais constituintes tem coeficiente de dilatação diferentes. Essa

deformação produz o chaveamento do circuito do reator, que pela Lei de Faraday provoca a

sobretensão nos eletrodos.

São também usados ignitores a estado sólido (transistorizados), que são mais eficientes que os

bimetálicos.

As lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão na verdade trabalham com uma pressão de

0,2~0,3 bar, que produz um espectro contínuo, que resulta na cor dourada. As lâmpadas de vapor de

sódio de baixa pressão trabalham com uma pressão de 0,01 bar, o que produz um espectro

monocromático de luz amarela. Algumas lâmpadas possuem uma camada fluorescente para a

correção cromática, mas em geral ela não é necessária. As lâmpadas de vapor de sódio de alta

pressão são as lâmpadas mais eficientes disponíveis para uso comercial, entretanto como

apresentam um baixo índice de reprodução de cores são usada quase que exclusivamente para

iluminação de áreas externas, tais como estacionamentos, pátios. ruas entre outros.

Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 71

5.2.4 LÂMPADA DE MULTIVAPORES METÁLICOS

São derivadas das lâmpadas de vapor de mercúrio, onde são introduzidos outros elementos no

tubo de descarga. O arco elétrico se realiza numa atmosfera de vários vapores misturados.

Consegue-se uma maior eficiência luminosa e melhor composição espectral do que as lâmpadas de

vapor de mercúrio comuns.

Como a composição química do gás dentro do tubo de descarga é diferente das lâmpadas de

vapor de mercúrio, as lâmpadas de multivapores metálicos exigem equipamento auxiliar (Reator)

projetados às suas necessidades e em alguns casos também de um ignitor que pode ser incorporado

ao reator.

As faixas de potência das lâmpada modernas vão desde dezenas de Watts, destinadas a

iluminação de interiores (restaurantes, vitrines) onde se deseja uma alta definição de cores, até

milhares de Watts, destinadas a iluminação de grandes ambientes esportivos, como ginásios de

esporte e estádios.

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Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

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5.3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Os ensaios visam determinar a sensibilidade de uma lâmpada de descarga em pleno

funcionamento aos distúrbios na tensão de alimentação. Como resultado são apresentadas as curvas

de sensibilidade dos diversos tipos de lâmpadas.

5.3.1 MATERIAIS UTILIZADOS

Para a realização do estudo experimental sobre o comportamento de lâmpadas de descarga

foram selecionados os seguintes equipamentos:

 Fonte de alimentação Califórnia Instruments® – 5001i – Monofásica;

 Sistema de Aquisição de Dados – “Wave Book 516®” – IoTech®;

 Micro Computador IBM® PC166;

 Software de processamento de sinais Dasylab4.0® – DasyTec®;

 Lâmpadas de descarga;

 Reatores (quando necessário);

 Soquetes E – 27 / E – 40;

 Luxímetro YEW – escala 3000 lux.

 Materiais de Laboratório (cabos, ferramentas, placa de bornes).

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Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

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5.3.2 ROTEIRO

No roteiro apresentado na figura 5.5 é mostrado o esquema de ligação da lâmpada, que pode

ser feito diretamente na fonte (Lâmpadas Mistas) ou através de um reator (Lâmpadas de Vapor de

Mercúrio e Vapor de Sódio). A fonte 5001i, controlada pelo microcomputador, fornece tensão com

valor constante (220V em todos os ensaios) e sem distorções.

Fig. 5.5

Roteiro dos Ensaios.

No circuito de alimentação da lâmpada são realizadas as aquisições de tensão e corrente por

meio de transdutores: um trandutor de tensão na razão 200V para 1V e uma garra (TC) de 1A para

10mV. Para a medida da intensidade luminosa foi utilizado um luxímetro, cujo sensor óptico foi

suspenso por um pedestal a 1,5 m de distância da lâmpada. A distância mais apropriada seria de 1

m, mas quando eram ligadas as lâmpadas de maior potência o sensor saturava e o luxímetro

chegava ao fim de escala. Os dados provenientes do sensor podiam ser visualizados no mostrador

do luxímetro e também eram enviados ao sistema de aquisição, onde eram analisados junto com os

sinais de tensão e corrente.

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Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 74

A figura 5.6 mostra o sensor óptico preso ao pedestal e o detalhe da distância à lâmpada.

Fig. 5.6

Sensor Óptico.

Os dados do ensaio (tensão, corrente e fluxo luminoso amostrados pelos transdutores) são

enviados ao sistema de aquisição de dados onde após serem digitalizados são transferidos para o

microcomputador, o programa Dasylab analisa e armazena os dados em disco. Os dados podem ser

apresentados sob a forma de gráficos no tempo ou em valores numéricos absolutos (RMS). Os

dados podem ser trabalhados, por exemplo, a partir da tensão de da corrente determina-se potência

ativa, potência aparente e fator de potência com grande precisão.

Para cada lâmpada é realizada uma série de ensaios. A primeira providência é ligar a lâmpada

e aguardar o tempo necessário para completar o processo de partida, esse procedimento pode ser

acompanhado através do luxímetro. O procedimento a seguir orienta a realização dos ensaios.

Com a lâmpada acesa , aplicar um subtensão de intensidade determinada (iniciando em

100% da tensão nominal) e tempo de duração curta (a partir de 1ms);

Verificar o comportamento da lâmpada;

Se não ocorrer o desligamento, aumentar o tempo de duração e aplicar novamente o

distúrbio, sobrescrevendo o arquivo dos dados;

Repetir o item 3 até determinar o tempo máximo que a lâmpada suportava sem se apagar;

Registrar o arquivo com os dados;

Diminuir a intensidade da subtensão (aumentar o nível de tensão) e voltar ao item 1.

Após feita a aquisição, os dados são analisados e é montada a curva de sensibilidade.

Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 75

5.3.3 LÂMPADAS UTILIZADAS NOS ENSAIOS

LÂMPADAS DE LUZ MISTA

LÂMPADA POTÊNCIA (W) TENSÃO (V) BASE

MISTA 1 160 220 E–27

MISTA 2 250 220 E–40

MISTA 3 500 220 E–40

LÂMPADAS DE VAPOR DE MERCÚRIO

LÂMPADA POTÊNCIA (W) BASE

MERCÚRIO 1 80 E–27

MERCÚRIO 2 125 E–27

MERCÚRIO 3 125 E–27

MERCÚRIO 4 400 E–40

REATORES PARA LÂMPADAS VAPOR DE MERCÚRIO

REATOR POTÊNCIA (W) TENSÃO (V) FP

∆t (°C)

TW (°C)

REATOR 1 80 220 0,90 65 105

REATOR 2 125 220 0,90 65 105

REATOR 3 125 220 0,92 65 105

REATOR 4 400 220 0,93 65 105

LÂMPADAS DE VAPOR DE SÓDIO

LÂMPADA POTÊNCIA (W) BASE

SÓDIO 400 E–40

REATORES PARA LÂMPADA VAPOR DE SÓDIO

REATOR POTÊNCIA (W) TENSÃO (V) FP

∆t (°C)

TW (°C)

REATOR SÓDIO 1 400 220 0,92 90 130

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Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 76

5.4 RESULTADOS

5.4.1 LÂMPADAS DE LUZ MISTA

5.4.1.1 160W

Em condições normais de funcionamento, essa lâmpada apresentou os seguintes resultados:

 Tensão: 220V

 Corrente: 0,81A

 Potência: 174W

 Fator de potência: 0,99

 Fluxo luminoso: 191

5.4.1.2 250W

Em condições normais de funcionamento, essa lâmpada apresentou os seguintes resultados:

 Tensão: 220V

 Corrente: 1,27A

 Potência: 273W

 Fator de potência: 0,97

 Fluxo luminoso: 370

5.4.1.3 500W

Em condições normais de funcionamento, essa lâmpada apresentou os seguintes resultados:

 Tensão: 220V

 Corrente: 2,45A

 Potência: 528W

 Fator de potência: 0,98

 Fluxo luminoso: 715

Para essa lâmpada foi feito uma análise mais detalhada, são apresentados as curvas para

diversas condições de funcionamento.

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Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 77

A Figura 5.7 mostra as curvas de tensão, corrente e fluxo luminoso amostrados sob condições

normais. Observa-se que a cada ciclo da corrente ocorrem dois ciclos do fluxo luminoso.

Fig. 5.7

Curvas de Tensão, Corrente e Fluxo Luminoso da Mista 500W

A figura 5.8 mostra uma interrupção instantânea na tensão de alimentação. O período de 1

ciclo foi o mínimo necessário para a lâmpada se apagar. Com tempos inferiores apenas diminui a

luminosidade da lâmpada, mas voltava ao normal com o restabelecimento da tensão.

Fig. 5.8

Ocorrência de uma Interrupção Instantânea na Mista 500W

Para os afundamentos de tensão muito grandes, onde a tensão sobre a lâmpada chegava a 10%

e a 30% da tensão nominal, o resultado era muito próximo da ocorrência de uma interrupção,

ficando em torno de 1 a 1,2 ciclos.

Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 78

A figura 5.9 mostra um afundamento de tensão de 40%, onde a tensão chegava a 60% da

tensão nominal. Observa-se que a lâmpada continua ligada mas com a luminosidade muito inferior

ao normal por um tempo um pouco superior a dois ciclos. Logo após a luminosidade cai a zero,

resultado do desligamento da lâmpada.

Fig. 5.9

Ocorrência de Sag, com intensidade de 40% na Mista 500W

figura 5.6 mostra um afundamento de tensão de 36%, onde a tensão chegava a 64% da tensão

nominal. Observa-se que a lâmpada continua ligada, com a luminosidade reduzida por um tempo

equivalente a 16,5 ciclos. Alguns ciclos após início do distúrbio, o fluxo luminoso vai a zero no

momento em que a corrente cessa (ponto de mínima luminosidade).

Fig. 5.10

Ocorrência de Sag, com intensidade de 36% na Mista 500W

Se a tensão fosse restabelecida antes dos 16,5 ciclos certamente a lâmpada voltaria à

luminosidade normal.

Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 79

Para um afundamento de tensão com intensidade de 35%, o desligamento ocorreu em cerca de

cem ciclos. Para distúrbios menos severos, isto é, com a tensão acima de 65% da tensão nominal

não foi observado o desligamento da lâmpada. Neste caso o efeito observado foi a baixa

luminosidade, e consequentemente baixa eficiência luminosa.

A figura 5.11 mostra como resultado dos ensaios, a curva de sensibilidade da lâmpada de luz

Mista 500W.

Fig. 5.11

Curva de Sensibilidade da Mista 500W

Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 80

5.4.2 LÂMPADAS DE VAPOR DE MERCÚRIO

5.4.2.1 80W

 Tensão: 220V

 Corrente: 0,42A

 Potência: 89W

 Fator de potência: 0,96

 Fluxo luminoso: 264

5.4.2.2 125W

 Tensão: 220V

 Corrente: 0,63A

 Potência: 133,5W

 Fator de potência: 0,96

 Fluxo luminoso: 412

5.4.2.3 125W (Fabricante 2)

 Tensão: 220V

 Corrente: 0,63A

 Potência: 133,5W

 Fator de potência: 0,96

 Fluxo luminoso: 413

As duas lâmpadas de vapor de mercúrio 125W ensaiadas apresentaram um resultado muito

parecido, mesmo sendo de diferentes fabricantes

. Também foram testados os dois diferentes

reatores, na mesma lâmpada, não foram observadas diferenças significativas. Os resultados dos

ensaios foram usados para montar a curva de sensibilidade da lâmpada Vapor de Mercúrio 125W.

Fig. 5.12

Curva de Sensibilidade da Vapor de Mercúrio 125W

Formatados: Marcadores e

numeração

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numeração

Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 81

5.4.2.4 400W

Em condições normais de funcionamento, essa lâmpada apresentou os seguintes resultados:

 Tensão: 220V

 Corrente: 2,17A

 Potência: 442W

 Fator de potência: 0,93

 Fluxo luminoso: 1454

A figura 5.13 mostra duas interrupções instantâneas aplicadas à lâmpada. A primeira com

duração de 0,5 ciclo houve um impulso de corrente no início e no final do distúrbio, a luminosidade

caiu a zero e recuperou o valor normal após alguns ciclos. A segunda interrupção foi um pouco

mais severa, 0,6 ciclos. Os efeitos foram parecidos com os da primeira, mas a lâmpada não

conseguiu se religar após o restabelecimento da tensão. A luminosidade cai a zero.

Fig. 5.13

Ocorrência de uma Interrupção Instantânea na VM 400.

Observa-se a corrente antes e depois do segundo distúrbio. A linha tracejada mostra a posição

das ondas e ajuda a determinar a defasagem angular. Antes do distúrbio, tensão e corrente estão

Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 82

aproximadamente em fase. Considerando o fator de potência de 0,93 da lâmpada. Após o distúrbio,

a corrente está completamente adiantada em relação à tensão. O valor da corrente nesta situação é

de 1,62A e eqüivale à circulação de corrente no capacitor de 20uF para correção de potência.

Para afundamentos de tensão mais severos, o comportamento da lâmpada foi parecido quando

da aplicação das interrupções. Foram realizados ensaios com afundamentos de 90%, 70% e 50% de,

os períodos de tempo encontrados estavam no intervalo de 0,6 a 1 ciclo.

A figura 5.14 mostra a ocorrência de um afundamento de tensão com intensidade de 40%.O

tempo mínimo necessário para provocar o desligamento da lâmpada foi de 1,3 ciclos.

Fig. 5.14

Ocorrência de um SAG com intensidade de 40% na VM 400.

A figura 5.15 mostra a ocorrência de um afundamento de tensão com intensidade de 25% e

duração de 10 ciclos. Observa-se que a luminosidade da lâmpada cai um pouco antes do

restabelecimento da tensão nominal.

Fig. 5.15

Ocorrência de um SAG – 25% na VM 400.

Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 83

Para uma tensão de 77% da nominal (23% de afundamento) foi observado um tempo ainda

maior, entre 23 e 25 ciclos. A figura 5.16 mostra o comportamento da lâmpada ao ser aplicado este

distúrbio.

Fig. 5.16

Ocorrência de um SAG – 23% na VM 400.

Nas figuras 5.17 e 5.18 foram aplicados distúrbios com a mesma intensidade, 22% de

afundamento. No primeiro caso foi aplicado um SAG, a tensão cai abruptamente para 78% da

tensão nominal, observa-se uma sobrecorrente, a lâmpada se mantém acesa com luminosidade

reduzida por cerca de 1,3 Seg.(80 ciclos). No segundo caso, a tensão cai linearmente ao longo de 10

ciclos até o valor de 78% de tensão nominal. Neste caso não há pulsos de corrente. Após esse

período a lâmpada permanece acessa por cerca de 1,6 Seg.(98 ciclos). Esse distúrbio é muito mais

raro no sistema elétrico do que um afundamento de tensão (SAG).

Fig. 5.17

Ocorrência de um SAG – 22% na VM 400

Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 84

Fig. 5.18

Ocorrência de um afundamento (SWEEP) – 22% na VM 400.

A figura 5.19 apresenta o resultado final dos ensaios da Lâmpada VM 400W. Comparada com

a curva de sensibilidade da lâmpada de 125W (figura 5.8) observa-se muitos pontos em comum.

Assim pode-se concluir que esta curva se aplica a qualquer lâmpada de vapor de mercúrio.

Fig. 5.19

Curva de Sensibilidade da Vapor de Mercúrio 400W

Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 85

5.4.3 LÂMPADA DE VAPOR DE SÓDIO

5.4.3.1 400W

Em condições normais de funcionamento, essa lâmpada apresentou os seguintes resultados:

 Tensão: 220V

 Corrente: 2,02a

 Potência: 430W

 Fator de potência: 0,968

 Fluxo luminoso: 2830

A sensibilidade da lâmpada a interrupções é muito grande, uma interrupção com duração

inferior a 0,1 ciclo foi suficiente para provocar o desligamento da lâmpada. A figura 5.20 mostra a

aplicação de uma interrupção com duração de 0,1 ciclos.

Fig. 5.20

Ocorrência de uma interrupção – 0,1ciclos.

Observa-se as formas de onda da corrente e da tensão durante a aplicação da interrupção. A

corrente se torna instável, a grande variação de tensão provoca a atuação do ignitor. Após o

desligamento da lâmpada, a corrente está adiantada 90

em relação à tensão, o valor de 3,73A

eqüivale à circulação de corrente no capacitor de 45

µF para correção do fator de potência.

Afundamentos de tensão muito grandes também não foram suportados por um tempo superior

a 1 ciclo. A figura 5.21 mostra a aplicação de um afundamento de tensão de 70 %. A tensão se

manteve a 30% da nominal por apenas 0,4 ciclos, que foram suficientes para provocar o

desligamento da lâmpada.

Formatados: Marcadores e

numeração

Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 86

Fig. 5.21

Ocorrência de um SAG – 70%.

Das lâmpadas analisadas o efeito estroboscópico foi mais intenso na lâmpada de vapor de

sódio. Observa-se na figura 5.17 a grande diferença entre o máximo e o mínimo de luminosidade.

Não havia camada corretora de cor na lâmpada testada.

A figura 5.22 mostra a aplicação de um afundamento de tensão de 40 %.

Fig. 5.22

Ocorrência de um SAG – 40%.

A figura 5.23 mostra a aplicação de um afundamento de tensão de 23% na Lâmpada de Vapor

de Sódio SYILVANIA 400W.

Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 87

Fig. 5.23

Ocorrência de um SAG – 23%.

A figura 5.24 mostra a curva de sensibilidade da Lâmpada de Vapor de Sódio SYILVANIA

400W. A grande sensibilidade da lâmpada aos distúrbios de grande variação de tensão, mais de

50% podem ser explicados pela presença do ignitor.

Fig. 5.24

Curva de Sensibilidade da Lâmpada Vapor de Sódio 400W

Cap. V – Lâmpadas de Descarga de Alta Pressão

Pág. 88

5.5 CONCLUSÃO

As lâmpadas de descarga de alta pressão são utilizadas para iluminação de grande porte ou

sempre que se deseja alta eficiência energética. São aplicadas em iluminação de exteriores, como

ruas, avenidas, pátios, galpões, plantas industriais, fachadas, etc.

Um distúrbio na tensão de alimentação pode provocar a parada dessas lâmpadas, o que pode

resultar em acidentes ou paradas na linha de produção. A partida das lâmpadas de descarga é lenta,

levando vários minutos, no caso de uma falha o tempo necessário para o reacender é ainda maior, já

que a lâmpada deve se resfriar para diminuir a pressão do gás no interior do tubo para depois

realizar o processo de partida.

As lâmpadas de luz mista foram as menos sensíveis entre as lâmpadas testadas, com pequena

variação com a potência da lâmpada, pode-se adotar a curva de sensibilidade da lâmpada de 500W

(fig. 5.7) como padrão para qualquer lâmpada de luz mista. A robustez desses tipos de lâmpadas

pode ser explicado pelo fato de não possuir reatores eletromagnéticos, sendo a descarga controlada

por filamento com características resistivas.

A presença do reator nas lâmpadas de vapor de mercúrio pode ser a explicação para a alta

sensibilidade dessas lâmpadas aos distúrbios na tensão de alimentação. Com reatores altamente

indutivos, as perdas do conjunto são muito baixas, mas a resposta aos distúrbios são mais rápidas, o

que deixa o circuito principal da lâmpada (tubo de descarga) mais exposto a eles. A sensibilidade

das lâmpadas de vapor de mercúrio em relação às lâmpadas de luz mista e observada em toda a

curva de sensibilidade. Nas interrupções observa-se 0,5 ciclo nas lâmpadas VM contra 1 ciclo nas

lâmpadas mistas. Nos afundamentos de longa duração as lâmpadas de luz mista funcionam

indefinidamente a uma tensão de apenas 65% da nominal, contra 80% das lâmpadas de vapor de

mercúrio.

As lâmpadas de vapor de sódio apresentam um agravante a mais, o ignitor. Comparada com

as lâmpadas de vapor de mercúrio, a região de afundamentos de longa duração e menos severos e

muito parecida, suportando em torno de 79% de tensão nominal indefinidamente. Entretanto, na

região de afundamentos mais severos, incluindo as interrupções, essa lâmpada é muito mais

sensível. Interrupções com duração inferior a 0,1 ciclo (1,67ms) não puderam ser testadas por

limitação do equipamento, mas mesmo esse valor já é muito inferior ao das outras lâmpadas

ensaiadas.

Cap. VI – Aplicações Computacionais

Pág. 89

6 APLICAÇÕES COMPUTACIONAIS

6.1 INTRODUÇÃO

Os estudos experimentais dos equipamentos nos forneceu uma base de dados sobre a

sensibilidade aos distúrbios na tensão de alimentação. Os resultados na forma de gráficos são de

fácil análise, mas para a divulgação e o armazenamento deve-se levar em conta também a

possibilidade de se utilizar um banco de dados, isso facilita o uso das informações e possibita a

implementação de programas de computador (“Software”) em projetos e sistemas.

Com a base de dados disponível, foi desenvolvido um sistema de análise que possibilita a

detecção de problemas em instalações elétricas industriais que possuam equipamentos classificados

como sensíveis. O objetivo do projeto é a previsão da ocorrência de uma parada na linha produção e

qual foi o equipamento responsável, provocada pela ocorrência de um distúrbio na tensão de

alimentação. Há a possibilidade ainda de utilizar dados estatísticos da ocorrência de distúrbios, que

podem ser solicitados junto à empresa concessionária fornecedora de energia elétrica e assim prever

a possibilidade de uma ocorrência provocar em uma parada.

Para tal aplicação foi necessário montar o banco de dados em um formato compatível. Foi

utilizado o Microsoft® Access®, uma instrução básica sobre o banco de dados é descrita no item

6.1.1. A adaptação dos dados provenientes dos ensaios aos requisitos do programa são descritas no

item 6.1.2.

O programa foi desenvolvido através do Microsoft® Visual Basic®, por ele possuir total

interatividade com o banco de dados escolhido. O item 6.2 descreve a estrutura do programa e os

diversos módulos que o compõe.

Cap. VI – Aplicações Computacionais

Pág. 90

6.1.1 BANCO DE DADOS – ESTRUTURA

Um banco de dados é uma coleção de informações relacionadas a um determinado assunto ou

finalidade. Um banco de dados está estruturados em tabelas.

A figura 6.1 mostra um banco de dados constituído por duas tabelas: Planta e Resultados.

Fig. 6.1

Tabelas do banco de dados Oficina.

Uma tabela é uma coleção de dados sobre um determinado tópico ou item. O uso de várias

tabelas em um mesmo banco de dados facilita a programação e o acesso aos dados.

A figura 6.2 mostra a tabela Planta do banco de dados da figura 6.1.

Fig. 6.2

Campos e Registros da tabela Planta.

A tabela Planta da figura 6.2 é constituída de 3 Campos: Equipamento, Linha e Posição e por

10 registros. Posicionando o Banco de Dados no 9

registro, pode-se ler o dado armazenado nos

campos. No caso do campo POSICAO, o dado lido é 8.

Cap. VI – Aplicações Computacionais

Pág. 91

6.1.2 ELABORAÇÃO DO BANCO DE DADOS

O banco de dados foi elaborado de forma a fornecer dados padronizados sobre os

equipamentos ensaiados. As curvas de sensibilidade elaboradas a partir dos dados experimentais são

eficientes na determinação, mas não seguem um padrão determinado a partir de suas variáveis.

Fazendo-se uma comparação entre as curvas de sensibilidade contator 1 (Figura 3.9) e da Lâmpada

de Luz Mista 500W (Figura 5.11) pode-se concluir que as curvas são fáceis de visualizar, mas há

muitas diferenças especialmente no número de pontos que compõe a curva.

Fig. 3.9 Curva de sensibilidade – Contator CW37 11E.

Fig. 5.11 Curva de Sensibilidade da Hua-Ning 500W

Para a padronização dos dados e facilidade na manipulação foi elaborado um método de

simplificação da curva de sensibilidade. O método consiste em determinar as regiões vertical e

horizontal da curva.

A região vertical é que delimita a suportabilidade aos distúrbios de grande intensidade e de

pequena duração, como as interrupções momentâneas e os afundamentos mais severos. Nessa

região, há uma grande variação no eixo da tensão para uma pequena variação no eixo tempo do

ciclo.

A região horizontal, é a que delimita a suportabilidade aos distúrbios de menor intensidade e

grande duração, o final dessa região é o ponto de regime permanente ou de operação contínua.

Cap. VI – Aplicações Computacionais

Pág. 92

As curvas de sensibilidade são apresentadas em escala logarítmica para detalhar a região

vertical da curva. Plotando esta curva em escala linear, ficam evidenciadas as regiões vertical e

horizontal. As duas regiões formam duas retas, assim apenas 3 (três) pontos são necessários para

determina a nova curva de sensibilidade. A figura 6.3 mostra a curva de sensibilidade da Lâmpada

de Luz Mista 500W em escala linear e a curva simplificada em três pontos.

Fig. 6.3

Curva de sensibilidade e a curva simplificada em três pontos.

Na curva simplificada da Figura 6.3, pode-se definir os três pontos:

 P

: define a sensibilidade a Interrupções momentâneas de tensão, suas coordenadas são

Tempo

e V

;

 P

: delimita as regiões vertical e horizontal da curva, suas coordenadas são Tempo

e V

;;

 P

: define a sensibilidade a Distúrbios de longa duração, suas coordenadas são Tempo

Os pontos podem ser determinados por interpolação da curva de sensibilidade completa. Para

a determinação dos pontos dos equipamentos tratados nesse trabalho foi montada uma rotina em

Excel, onde colocamos os dados da curva de sensibilidade e como resposta temos os três pontos.

Eles são então arquivados em uma tabela do banco de dados Access, juntamente com dados

relativos a identificação do equipamento.

Cap. VI – Aplicações Computacionais

Pág. 93

6.2 O PROGRAMA

O programa foi elaborado em uma aplicação principal e quatros módulos que executam a

funções de acesso e montagem ao banco de dados, modelagem da instalação, análise das

ocorrências de distúrbios caracterizados, montagem e impressão de relatório da ocorrência.

A janela principal do programa traz os diversos recursos. São quatro módulos (Sub

Programas).

Fig. 6.4

A janela principal do programa.

Cap. VI – Aplicações Computacionais

Pág. 94

O primeiro módulo é acessado clicando-se com o mouse sobre o comando Banco de Dados.

Como o próprio nome diz, ele manipula os dados dos equipamentos, como nome e os pontos da

curva de sensibilidade.

Quando for ensaiado um novo equipamento, os dados do mesmo pode ser adicionado ao

banco de dados a partir desse módulo. Para entrar com um novo registro, basta posicionar o banco

de dados no último registro e digitar os dados nos campos apropriados.

Fig. 6.5

Janela do módulo de manipulação do Banco de Dados.

Um recurso relevante desse módulo, mas que pode ajudar o usuário é a visualização (gráfica)

da curva de sensibilidade. Ao se mudar o registro ou clicando-se sobre o comando

PREVISUALIZAÇÃO pode-se ter uma idéia da forma das curvas e até determinar visualmente a

sensibilidade de um determinado equipamento.

Cap. VI – Aplicações Computacionais

Pág. 95

O segundo módulo do programa é acessado clicando-se sobre o comando instalação. Este

módulo realiza a modelagem de uma instalação, caracterizando os diversos equipamentos sensíveis

através do circuito pertencente e da sua posição.

Fig. 6.6

Janela do módulo de modelagem da instalação.

Inicialmente o usuário entra com o nome do arquivo da instalação, este pode ser criado como

novo arquivo ou se existente aberto para modificação. Este arquivo também é um banco de dados

em Access, mas diferente do banco de dados de equipamentos. No entanto se baseia neste, de onde

extrai os dados relativos aos equipamentos.

Logo abaixo na janela, há um comando, onde o usuário pode selecionar o equipamento

desejado, que aparece no campo equipamento logo abaixo, esse está sendo manipulado direto do

banco de dados de equipamentos. Clicando-se sobre o comando escolher, o equipamento

selecionado é adicionado à instalação e ao arquivo aberto, assim como os dados linha (circuito) e

posição (posição física) do equipamento.

Ao lado dos campos, há três comandos:

Seta a esquerda (<=) e seta a direita (=>), posiciona o arquivo da instalação sobre

determinado equipamento.

Excluir, apaga o registro do equipamento selecionado.

Os dados são armazenados na tabela PLANTA do arquivo. A figura 6.2 mostra um exemplo.

Cap. VI – Aplicações Computacionais

Pág. 96

O terceiro módulo do programa é acessado clicando-se sobre o comando análise. Este módulo

realiza a análise dos equipamentos da instalação, determinando se um determinado equipamento vai

falhar com um distúrbio aplicado. Analisa ainda se a linha a qual o equipamento faz parte vai parar

com a falha de um dos equipamentos presentes.

Fig. 6.7

Janela do módulo de análise da instalação.

Este módulo necessita das informações dos dois banco de dados. Do banco de dados principal

(EQUIPAMENTOS.MDB), são extraídas as informações da curva se sensibilidade e do arquivo da

instalação, o equipamento, o circuito pertencente e a posição.

O usuário deve entrar com o nome do arquivo das instalações, logo abaixo os campos

relativos a caracterização do distúrbio, com o tempo de duração (em ciclos) e a magnitude da tensão

aplicada (em % de V

Para iniciar a análise, deve-se clicar com o mouse sobre o comando ANALISAR. Por um

método de interpolação da curva se sensibilidade e comparação lógica é determinado a condição do

equipamento após a aplicação do distúrbio.

Os dados são armazenados na tabela RESULTADOS do banco de dados da instalação.

Cap. VI – Aplicações Computacionais

Pág. 97

O quarto e último módulo do é acessado clicando-se sobre o comando RELATÓRIO. Esse

módulo mostra, de forma organizada o resultado do módulo análise.

O usuário deve entrar com o nome do arquivo da instalação e clicar no comando abrir.

Fig. 6.8

Janela do módulo de análise da instalação.

São exibidos na tela informações sobre o distúrbio (duração e intensidade) e a condição de

cada equipamento, esses são classificados pelo circuito pertencente (linha)

Clicando-se sobre o comando imprimir, o relatório e enviado à impressora padrão do

computador, no formato que é exibido na tela.

Cap. VI – Aplicações Computacionais

Pág. 98

6.3 CONCLUSÃO

O desenvolvimento do banco de dados e do programa de análise de instalação sensíveis muda

um pouco a direção tomada inicialmente neste trabalho, mas se consolida como uma das

contribuição do mesmo.

A adoção do método de banco de dados foi uma forma de se adequar às tendência atuais e

facilitar a divulgação dos resultados, bem como a possibilidade de continuidade, mesmo por outras

instituições. A linguagem escolhida para a elaboração do programa também segue as mesmas

tendências.

O programa pode ser utilizado na determinação da sensibilidade de um determinado

equipamento ou na análise de uma planta industrial completa, modelada com base nos

equipamentos sensíveis presentes na mesma. Uma das possibilidades de aplicação é a identificação

de áreas de maior sensibilidade, permitindo aos responsáveis a implementação de melhorias apenas

nesses setores, o que diminui os custos.

Cap. VII – Conclusões Gerais

Pág. 99

7 CONCLUSÕES GERAIS

Os capítulos anteriores apresentaram estudos realizados em equipamentos presentes em uma

indústria moderna, com o objetivo de se determinar características próprias de cada equipamento,

especialmente o comportamento do mesmo sob condições adversas na tensão de alimentação.

Procurou-se padronizar os ensaios independente do uso ou natureza do equipamento, assim os

resultados podem ser comparados a partir de uma óptica, levando em consideração apenas as

características do distúrbio aplicado e o comportamento observado.

Os estudo realizado no capítulo 2 com o CLP – Controlador Lógico Programável, foi o

primeiro a ser realizado, logo no início dos trabalhos e neste caso pode-se confirmar que não foi

aplicada a melhor metodologia ao ensaio. Durante os ensaios procurou-se fixar um tempo para o

distúrbio e procurar a menor tensão que o equipamento suportava sem sofrer desligamento ou erro

de acionamento. O resultado final entretanto não foi prejudicado.

Os estudos dos capítulos posteriores foram realizados utilizando uma metodologia um pouco

diferente para a determinação da sensibilidade do equipamento a um determinado distúrbio, nestes

casos, foi fixada um nível de tensão e procurou-se variar o tempo do distúrbio, com o objetivo de

determinar o tempo máximo suportado pelo equipamento. Essa metodologia se apresentou mais

coerente e os resultados podem ser considerados mais precisos.

Os equipamentos ensaiados durante a realização desse trabalho apresentaram um resultado

diferente ao apresentado inicialmente na bibliografia. Especialmente os equipamentos eletrônicos,

que eram inicialmente considerados muito sensíveis aos distúrbios, mas que apresentaram um

comportamento muito bom se comparados com os outros equipamentos ensaiados. Esse

equipamentos não eletrônicos, já passaram pelas evoluções em seu princípio de funcionamento e

métodos de fabricação, assim não se espera um grande avanço e melhoria da sensibilidade em um

futuro próximo.

Já os equipamentos eletrônicos evoluem com uma velocidade surpreendente, uma mudança

no projeto, visando a redução da sensibilidade à variações da tensão de alimentação e o uso de

dispositivos semicondutores mais modernos ,mostram que esses equipamentos se adaptaram

rapidamente à realidade do sistema elétrico e também indicam que a evolução não deve diminuir

tão cedo.

Cap. VII – Conclusões Gerais

Pág. 100

Para os equipamento não eletrônicos como as lâmpadas de descarga, já existem reatores

eletrônicos especiais para certos tipos de lâmpadas, esse garantem uma partida mais rápida maior

eficiência energética e menor sensibilidade às variações de tensão. No entanto ainda são muito

pouco usados. Já os contatores não devem evoluir mais, uma das possíveis soluções seria substituir

os acionadores eletromecânicos (relês e contatores) por chaves a estado sólido, mas que ainda não

se popularizaram, e tem uso muito restrito.

Referências Bibliográficas

Pág. 101

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Índice de Figuras

Pág. 103

ÍNDICE DE FIGURAS

1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................................1

Fig. 1.1 Custo da interrupção de um processo produtivo.......................................................................................2

Fig. 1.2 Forma de onda da tensão durante uma Interrupção...................................................................................5

Fig. 1.3 Forma de onda da tensão durante um SAG...............................................................................................6

Fig. 1.4 Forma de onda da tensão durante um Salto. .............................................................................................8

Fig. 1.5 Forma de onda da tensão durante um Surto..............................................................................................8

Fig. 1.6 Forma de onda da tensão durante um Transitório Oscilatório. .................................................................8

Fig. 1.7 Forma de onda de corrente comum em equipamentos eletrônicos............................................................9

Fig. 1.8 Distorção provocada por uma carga não linear.........................................................................................9

Fig. 1.9 Curva CBEMA .........................................................................................................................................10

Fig. 1.10 Sensibilidade de um AVV e de um Contator............................................................................................11

2 CLP – CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL.....................................................................................12

Fig. 2.1 Programa executado pelo CLP..................................................................................................................13

Fig. 2.2 Montagem em laboratório.........................................................................................................................14

Fig. 2.3 CLP e a sequência de SAG de 45 ciclos. ..................................................................................................15

Fig. 2.4 CLP e a sequência de SAG de 90 ciclos. ..................................................................................................16

Fig. 2.5 CLP e a sequência de Interrupções. ..........................................................................................................17

Fig. 2.6 Curva de sensibilidade do CLP.................................................................................................................18

3 CONTATORES ...................................................................................................................................................20

Fig. 3.1 Circuito magnético do contator.................................................................................................................20

Fig. 3.2 Esquema de ligação do contator................................................................................................................21

Fig. 3.3 Montagem em laboratório.........................................................................................................................22

Fig. 3.4 Interrupção................................................................................................................................................24

Fig. 3.5 Afundamento 90% (10% V

)....................................................................................................................24

Fig. 3.6 Afundamento 70% (30% VN)...................................................................................................................25

Fig. 3.7 Afundamento 50% (50% V

)....................................................................................................................25

Fig. 3.8 Afundamento 45% (55% V

)....................................................................................................................25

Fig. 3.9 Curva de sensibilidade ..............................................................................................................................26

Fig. 3.10 Interrupção................................................................................................................................................27

Fig. 3.11 Afundamento 10% (90% V

)....................................................................................................................27

Fig. 3.12 Afundamento 70% (30% V

)....................................................................................................................28

Fig. 3.13 Afundamento 50% (50% V

)....................................................................................................................28

Fig. 3.14 Afundamento 30% (70% V

)....................................................................................................................28

Fig. 3.15 Curva de Sensibilidade. ............................................................................................................................29

Fig. 3.16 Interrupção................................................................................................................................................30

Fig. 3.17 Afundamento 90% (10% V

)....................................................................................................................30

Fig. 3.18 Afundamento 80% (20% V

)....................................................................................................................31

Fig. 3.19 Afundamento 60% (40% V

)....................................................................................................................31

Fig. 3.20 Afundamento 40% (60% V

)....................................................................................................................31

Fig. 3.21 Curva de Sensibilidade. ............................................................................................................................32

Índice de Figuras

Pág. 104

Fig. 3.22 Interrupção................................................................................................................................................33

Fig. 3.23 Afundamento 90% (10% V

)....................................................................................................................33

Fig. 3.24 Afundamento 70% (30% V

)....................................................................................................................34

Fig. 3.25 Afundamento 60% (40% V

)....................................................................................................................34

Fig. 3.26 Afundamento 55% (45% V

)....................................................................................................................34

Fig. 3.27 Afundamento 51% (49% V

)....................................................................................................................35

Fig. 3.28 Curva de sensibilidade. .............................................................................................................................35

4 CHAVES DE PARTIDA ESTÁTICAS – SOFT-STARTER ..............................................................................37

Fig. 4.1 Gradador monofásico com carga RL. .......................................................................................................38

Fig. 4.2 Correntes e tensões para o circuito da Fig. 4.1 .........................................................................................38

Fig. 4.3 Componente Fundamental da corrente em Função de α e φ.....................................................................41

Fig. 4.4 Componente 3

Harmônico da corrente em função de α e φ. ...................................................................41

Fig. 4.5 Componente 5

Harmônico da corrente em função de α e φ. ...................................................................42

Fig. 4.6 Conexão Estrela........................................................................................................................................43

Fig. 4.7 Conexão Delta...........................................................................................................................................43

Fig. 4.8 Gradador dentro do Delta..........................................................................................................................43

Fig. 4.9 Curvas típicas de Conjugado e Potência para MIT...................................................................................44

Fig. 4.10 Rampa de Partida......................................................................................................................................45

Fig. 4.11 Rampa de desacelaração. ..........................................................................................................................46

Fig. 4.12 Pulso de partida seguido pela Rampa. ......................................................................................................47

Fig. 4.13 Roteiro do experimento.............................................................................................................................50

Fig. 4.14 Partida do motor........................................................................................................................................51

Fig. 4.15 Formas de onda no início da partida. ........................................................................................................52

Fig. 4.16 Espectro Harmônico das formas de onda da figura 4.15 e valores RMS..................................................52

Fig. 4.17 Formas de onda mostrando o pico de corrente..........................................................................................53

Fig. 4.18 Espectro Harmônico das formas de onda da figura 4.17 e valores RMS..................................................53

Fig. 4.19 Formas de onda no final do processo de partida.......................................................................................54

Fig. 4.20 Espectro Harmônico das formas de onda da figura 4.19 e valores RMS..................................................54

Fig. 4.21 Formas de onda após o processo de partida..............................................................................................55

Fig. 4.22 Espectro Harmônico das formas de onda da figura 4.21 e valores RMS..................................................55

Fig. 4.23 formas de onda..........................................................................................................................................56

Fig. 4.24 Composição Harmônica da Tensão...........................................................................................................56

Fig. 4.25 Composição Harmônica da Corrente. .......................................................................................................56

Fig. 4.26 formas de onda..........................................................................................................................................57

Fig. 4.27 Composição Harmônica da Tensão...........................................................................................................57

Fig. 4.28 Composição Harmônica da Corrente. .......................................................................................................57

Fig. 4.29 Interrupção................................................................................................................................................58

Fig. 4.30 Afundamento 90% (10% V

)....................................................................................................................58

Fig. 4.31 Afundamento 80% (20% V

)....................................................................................................................59

Fig. 4.32 Afundamento 70% (30% V

)....................................................................................................................59

Fig. 4.33 Afundamento longo (32% V

)..................................................................................................................59

Fig. 4.34 Interrupção................................................................................................................................................60

Fig. 4.35 Afundamento 90% (10% V

)....................................................................................................................60

Fig. 4.36 Afundamento 70% (30% V

). Não falhou................................................................................................61

Fig. 4.37 Afundamento 70% (30% V

)....................................................................................................................61

Fig. 4.38 Afundamento longo (32% V

)..................................................................................................................61

Índice de Figuras

Pág. 105

Fig. 4.39 Curva de sensibilidade para distúrbios monofásicos.................................................................................62

Fig. 4.40 Curva de sensibilidade para distúrbios trifásicos......................................................................................62

5 LÂMPADAS DE DESCARGA DE ALTA PRESSÃO.......................................................................................64

Fig. 5.1 Efeito Estroboscópico ...............................................................................................................................66

Fig. 5.2 Lâmpada de Vapor de Mercúrio ...............................................................................................................67

Fig. 5.3 Lâmpada de Luz Mista..............................................................................................................................69

Fig. 5.4 Lâmpada de Vapor de Sódio.....................................................................................................................70

Fig. 5.5 Roteiro dos Ensaios. .................................................................................................................................73

Fig. 5.6 Sensor Óptico............................................................................................................................................74

Fig. 5.7 Curvas de Tensão, Corrente e Fluxo Luminoso da Mista 500W ..............................................................77

Fig. 5.8 Ocorrência de uma Interrupção Instantânea na Mista 500W ....................................................................77

Fig. 5.9 Ocorrência de Sag, com intensidade de 40% na Mista 500W...................................................................78

Fig. 5.10 Ocorrência de Sag, com intensidade de 36% na Mista 500W...................................................................78

Fig. 5.11 Curva de Sensibilidade da Mista 500W....................................................................................................79

Fig. 5.12 Curva de Sensibilidade da Vapor de Mercúrio 125W...............................................................................80

Fig. 5.13 Ocorrência de uma Interrupção Instantânea na VM 400...........................................................................81

Fig. 5.14 Ocorrência de um SAG com intensidade de 40% na VM 400..................................................................82

Fig. 5.15 Ocorrência de um SAG – 25% na VM 400...............................................................................................82

Fig. 5.16 Ocorrência de um SAG – 23% na VM 400...............................................................................................83

Fig. 5.17 Ocorrência de um SAG – 22% na VM 400..............................................................................................83

Fig. 5.18 Ocorrência de um afundamento (SWEEP) – 22% na VM 400. ................................................................84

Fig. 5.19 Curva de Sensibilidade da Vapor de Mercúrio 400W...............................................................................84

Fig. 5.20 Ocorrência de uma interrupção – 0,1ciclos...............................................................................................85

Fig. 5.21 Ocorrência de um SAG – 70%..................................................................................................................86

Fig. 5.22 Ocorrência de um SAG – 40%..................................................................................................................86

Fig. 5.23 Ocorrência de um SAG – 23%..................................................................................................................87

Fig. 5.24 Curva de Sensibilidade da Lâmpada Vapor de Sódio 400W ....................................................................87

6 APLICAÇÕES COMPUTACIONAIS.................................................................................................................89

Fig. 6.1 Tabelas do banco de dados Oficina...........................................................................................................90

Fig. 6.2 Campos e Registros da tabela Planta. .......................................................................................................90

Fig. 6.3 Curva de sensibilidade e a curva simplificada em três pontos..................................................................92

Fig. 6.4 A janela principal do programa.................................................................................................................93

Fig. 6.5 Janela do módulo de manipulação do Banco de Dados. ...........................................................................94

Fig. 6.6 Janela do módulo de modelagem da instalação. .......................................................................................95

Fig. 6.7 Janela do módulo de análise da instalação................................................................................................96

Fig. 6.8 Janela do módulo de análise da instalação................................................................................................97

7 CONCLUSÕES GERAIS....................................................................................................................................99

APÊNDICE I...................................................................................................................................................................106

Fig. 1 – Janela do programa de interface das fontes CI. ............................................................................................107

Fig. 2 – Janela de programação de eventos................................................................................................................108

Fig. 3 – Janela de criação de formas de onda distorcidas. .........................................................................................108

Apêndice I

Pág. 106

APÊNDICE I

ESTUDO DA FONTE GERADORA DE DISTÚRBIOS

Para a realização dos testes de sensibilidade dos equipamentos, foram utilizadas as fontes

geradoras de distúrbios do LCQEE – LABORATÓRIO DE CONSERVAÇÃO E QUALIDADE

DA ENERGIA ELÉTRICA. O estudo do funcionamento dessas fontes faz parte da carga horária

teórica desta disciplina de Estudos Especiais I.

O primeiro modelo estudado foi a 6000L da

California Intruments. Possui saída trifásica e

potência de 6kVA. Esta fonte possui um módulo HGA –

Harmonic Generator / Analyzer. A

alimentação é trifásica 220V.

A aquisição mais recente do LCQEE foi a fonte 5000i, também da

California Intruments. Este

modelo não possui módulo HGA, mas pode ser adicionado. A potência nominal é de 5kVA e possui

saída monofásica. A alimentação entretanto é trifásica 220V

Estas fontes podem ser operadas localmente, pelo painel frontal ou remotamente, via

microcomputador. A segunda opção foi escolhida devido aos recursos do programa de interface que

faz parte do pacote. Com este programa é possível criar com perfeição os distúrbios estudados no

capítulo 2. Sendo que apenas o módulo HGA pode gerar formas de onda complexas e componentes

harmônicos, a fonte sem este módulo (5000i) é capaz de gerar apenas distúrbios não harmônicos,

como SAG’s, interrupções, surtos de tensão, etc.

A comunicação entre a(s) fonte e o microcomputador pode ser feita de duas maneiras:

• Via Porta Serial – RS232, conector DB9 padrão. A taxa de transferência é 9,6kbps;

• Interface IEEE488 – GPIB, onde é necessária a instalação de uma placa em um slot do

computador. Esta interface permite taxas de transferência de até 1,5MBps.

A fonte 5000i é controlada via porta serial, o que atende bem às necessidades dos ensaios

realizados. A fonte 6000L é controlada por uma placa GPIB. Para a função de analisador de

harmônicos, onde o módulo HGA trabalha como um sistema de aquisição de dados, é necessária

uma taxa de transmissão maior, que a porta serial não atende.

O programa usado para o controle das fontes é o CIGUI – California Instruments Graphical

User Interface, para Windows 16bits (3.11). Recentemente foi adquirido uma versão para 32bits

CIGUI32.

Apêndice I

Pág. 107

A figura 1 mostra a janela principal do programa, onde é feita a configuração da fonte,

determinando-se a tensão, freqüência e a corrente limite.

Fig. 1 – Janela do programa de interface das fontes CI.

A partir da janela principal, abre-se os módulo auxiliares. para programação de transitórios

(Transient Program Screen) onde pode-se programar os diversos eventos.

A figura 2 mostra a janela do módulo de programação de distúrbios com alguns eventos já

programados.

Apêndice I

Pág. 108

Fig. 2 – Janela de programação de eventos.

Pose-se ainda entrar no módulo de programação de formas de onda distorcidas (Harmonic

Generator).

A figura 3 mostra uma forma de onda gerada a partir dos componentes fundamental e

harmônicos.

Fig. 3 – Janela de criação de formas de onda distorcidas.

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