Orientador: Heloi José Fernandes Moreira,...
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SUGESTÃO E TESTE DE MUDANÇAS PARA OTIMIZAÇÃO ECONÔMICA DE UM PROJETO DE SISTEMA ELÉTRICO DE UMA INSTALAÇÃO INDUSTRIAL Pedro Bittencourt Ferreira Avila DRE:109096130 Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientador: Heloi José Fernandes Moreira, D.Sc. Rio de Janeiro Janeiro de 2016
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SUGESTÃO E TESTE DE MUDANÇAS PARA OTIMIZAÇÃO ECONÔMICA DE UM PROJETO DE SISTEMA
ELÉTRICO DE UMA INSTALAÇÃO INDUSTRIAL
Pedro Bittencourt Ferreira Avila
DRE:109096130
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro.
Orientador: Heloi José Fernandes Moreira, D.Sc.
Rio de Janeiro
Janeiro de 2016
i
SUGESTÃO E TESTE DE MUDANÇAS PARA OTIMIZAÇÃO ECONÔMICA DE UM PROJETO DE SISTEMA
ELÉTRICO DE UMA INSTALAÇÃO INDUSTRIAL
Pedro Bittencourt Ferreira Avila
PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA
ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.
Aprovado por:
________________________________________
Prof. Heloi José Fernandes Moreira, D.Sc
(Orientador)
________________________________________
Prof. Sebastião Ércules Melo de Oliveira, D.Sc
________________________________________
Prof. Severino Fonseca da Silva Neto, D.Sc
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
Janeiro/2016
ii
JANEIRO DE 2016
AVILA, PEDRO BITTENCOURT FERREIRA
Sugestão e Teste de Mudanças para Otimização
Econômica de um Projeto de Sistema Elétrico de uma Instalação
Industrial/ Pedro Bittencourt Ferreira Avila. - Rio de Janeiro:
UFRJ/ Escola Politécnica, 2015.
X, 77 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Heloi José Fernandes Moreira, D.Sc.
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso
de Engenharia Elétrica, 2016.
Referências Bibliográficas: p. 77.
1. Introdução. 2. Visão Geral do Sistema Elétrico Estudado. 3.
Mudanças Sugeridas Para Otimização Econômica do Sistema
Elétrico Industrial. 4. Estudo de Fluxo de Potência. 5. Estudo de
Curto-Circuito. 6. Estudo de Partida de motores. 7. Conclusão. 8.
Referencia Bibliográfica I. Moreira, Heloi José Fernandes II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,
Curso de Engenharia Elétrica. III. Sugestão e Teste de Mudanças
para a Otimização Econômica de um Projeto de Sistema Elétrico
de uma Instalação Industrial
iii
Agradecimentos
Primeiramente gostaria de agradecer à minha família que sempre me deram suporte e
incentivo para que eu pudesse vencer os desafios que a vida me apresentou, tentando fazer
com que eu tivesse sempre um olhar positivo sobre tudo.
Esse trabalho que representa o fim de um ciclo na minha vida é uma conquista que foi
apoiada por muitos. Foram inúmeros amigos que me ajudaram nessa caminhada e seria
impossível citar todos. Alguns decidiram trilhar rumos diferentes, outros se mantiveram
presentes nos tempos mais difíceis e outros foram essenciais na reta final. Todos tiveram sua
contribuição. Nas vésperas das provas, em trabalhos complexos ou simplesmente com
motivação em dias difíceis, não me deixando perder o foco.
Gostaria agradecer à Paula pelo amor e apoio.
Aos mestres e à Kátia, meu sincero obrigado.
iv
“Do or Do Not, There is no Try”
-Mestre Yoda
v
Resumo do Projeto Final apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica como parte dos
requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista
SUGESTÃO E TESTE DE MUDANÇAS PARA OTIMIZAÇÃO ECONÔMICA DE UM PROJETO DE SISTEMA
ELÉTRICO DE UMA INSTALAÇÃO INDUSTRIAL
Pedro Bittencourt Ferreira Avila
Janeiro/2016
Orientador: Heloi José Fernandes Moreira
Curso: Engenharia Elétrica
O presente trabalho tem como objetivo apresentar e propor mudanças em um projeto de
instalação industrial de modo a diminuir o investimento necessário para a sua construção. Esse novo
sistema elétrico será testado, através da realização de estudos elétricos. A partir disso, certos
equipamentos serão dimensionados.
Palavras-chave: Instalações Industriais, Otimização, Estudos Elétricos, Dimensionamento.
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Electrical Engineer.
Suggestion and Test of Changes for Economic Optimization of an Electric System Design of an Industrial Installation
Pedro Bittencourt Ferreira Avila
January/2016
Advisors: Heloi José Fernandes Moreira, D.Sc.
Course: Electrical Engineering
This report has as objective to present and suggest changes at the design of an industrial
installation to decrease the investment needed to its construction. The new design will be tested by
performing electrical studies. Certain electric equipment will be sized.
Key-words: Industrial Installation, Optimization, Electric Studies, Sizing.
vii
Sumário
1. Introdução ..................................................................................................................................... 11
1.1. Breve Histórico Sobre a Utilização de Energia pelo Homem ................................................ 11
1.2. Objetivo ................................................................................................................................. 13
1.3. Motivação .............................................................................................................................. 13
1.4. Estrutura do trabalho ............................................................................................................ 13
2. Visão Geral do Sistema Elétrico Estudado .................................................................................... 15
2.1. Funcionamento em H e L ...................................................................................................... 17
2.2. Limitador de corrente (Fast-acting current limiting) ............................................................ 18
2.3. Reator limitador de curto ...................................................................................................... 21
2.4. Motores ................................................................................................................................. 21
2.5. Conversor de frequência (VSD) ............................................................................................. 23
2.6. Transformadores com comutação automática de Tap ......................................................... 24
2.7. Painéis Elétricos ..................................................................................................................... 24
2.8. Resistencia de Aquecimento ................................................................................................. 26
2.9. Redundância .......................................................................................................................... 27
2.10. Aterramento ...................................................................................................................... 27
2.10.1. Aterramento de transformadores ..................................................................................... 28
2.10.2. Aterramento dos Geradores ............................................................................................. 29
2.10.3. Aterramento das Cargas .................................................................................................... 30
2.11. Áreas Classificadas ............................................................................................................ 32
2.11.1. Classificações ..................................................................................................................... 34
2.11.2. Equipamentos apropriados para áreas classificadas ........................................................ 37
3. Mudanças Sugeridas Para Otimização Econômica do Sistema Elétrico Industrial. ....................... 39
3.1. Extinção do nível de tensão 4,16KV ...................................................................................... 39
3.2. Mudança nos Níveis de Tensão ............................................................................................. 39
3.3. Junção dos CCM’s e CDC’s de baixa tensão .......................................................................... 40
3.4. Pontos Negativos................................................................................................................... 41
4. Estudo de Fluxo de Potência ......................................................................................................... 43
4.1. Modelagem do Sistema ......................................................................................................... 43
4.2. Resultados ............................................................................................................................. 47
5. Estudo de Curto-Circuito ............................................................................................................... 51
5.1. Base Teórica .......................................................................................................................... 51
viii
5.2. Introdução a norma IEC 60909 .............................................................................................. 54
5.2.1. Definições segundo a norma: ............................................................................................ 55
5.2.2. Simplificações .................................................................................................................... 56
5.2.3. Grupos de motores de baixa tensão ................................................................................. 56
5.2.4. Inversores de frequência ................................................................................................... 58
5.2.5. Método de Cálculo ............................................................................................................ 58
5.3. Realização do Estudo de Curto circuito ................................................................................. 60
5.4. Resultados ............................................................................................................................. 62
6. Partida de motores ........................................................................................................................ 64
6.1. Introdução ............................................................................................................................. 64
6.2. Problemas que Podem Ocorrer ............................................................................................. 64
6.3. Queda de tensão ................................................................................................................... 64
6.4. Realização do Estudo ............................................................................................................. 67
6.5. Resultados. ............................................................................................................................ 72
7. Conclusão ...................................................................................................................................... 75
8. Referencias Bibliograficas ............................................................................................................. 77
ix
Lista de Ilustrações
Figura 1 - Diagrama Unifilar .................................................................................................................. 16
Figura 2 - Barramento com dupla alimentação..................................................................................... 17
Figura 3 - Limitador de Corrente ........................................................................................................... 18
Figura 4 - Esquema de Funcionamento do Limitador de Corrente ....................................................... 19
Figura 5 - Exemplo de Instalação de Limitador de Corrente ................................................................. 20
Figura 6 - Corrente de Curto-Circuito Limitada ..................................................................................... 21
Figura 7 - Motor de Indução .................................................................................................................. 23
Figura 8 - CCM de Baixa Tensão ............................................................................................................ 26
Figura 9 – Resistência de Aquecimento em um MIT ............................................................................. 27
Figura 10 - Circuitos equivalentes de transformadores para sequência zero ....................................... 28
Figura 11 - DSI ....................................................................................................................................... 30
Figura 12 - Principio de funcionamento do DSI ..................................................................................... 31
Figura 13 - Exemplo de um Motor Trifásico Apresentando Falha no Isolamento ................................ 31
Figura 14 - Sistema com Monitoração de Isolamento .......................................................................... 32
Figura 15 - Triângulo do Fogo ................................................................................................................ 33
Figura 16 – Abrangência das Classificações Quanto ao Tipo de Substância ......................................... 35
Figura 17 - Exemplo de Instalação Industrial ........................................................................................ 36
Figura 18 - Exemplo de um Interruptor Ex d para Zonas I e II para Grupos IIA e IIB............................. 38
Figura 19 - Novo Diagrama Unifilar ....................................................................................................... 41
Figura 20 - Curto Circuito Trifásico ........................................................................................................ 52
Figura 21 - Contribuição de Diferentes Máquinas Elétricas para o Curto-Circuito ............................... 53
Figura 22 - Corrente de Curto-Circuito .................................................................................................. 56
Figura 23 - Representação dos Grupos de Motores ............................................................................. 57
Figura 24 – Sistema Durante a Falta ..................................................................................................... 59
Figura 25 - Sistema Equivalente Usado para o Calculo da Corrente de Curto-Circuito ........................ 59
Figura 26 - Tabela para Escolha do Fator Multiplicativo C .................................................................... 60
Figura 27 - Dados referentes aos geradores ......................................................................................... 61
Figura 28 - Dados referentes aos motores de indução ......................................................................... 61
Figura 29 - Curva Torque x Velocidade ................................................................................................. 65
Figura 30 - Tensão Terminal do Gerador x Tempo ................................................................................ 67
Figura 31 - Modelo Gráfico de Motor ................................................................................................... 69
Figura 32 - Modelo Gráfico da Carga .................................................................................................... 70
Figura 33 - Constantes intrínsecas do Gerador ..................................................................................... 71
Figura 34 - Controle da excitatriz .......................................................................................................... 71
Figura 35 - Gráfico de Velocidade x Tempo .......................................................................................... 72
Figura 36 - Gráfico de Torque e velocidade x Tempo ........................................................................... 72
Figura 37 - Gráfico de Corrente fornecida pelo gerador e Tensão no barramento de média x Tempo 73
Figura 38 - Gráfico de tensão por tempo .............................................................................................. 74
x
Lista de tabelas
Tabela 1 - Aterramento dos Transformadores ...................................................................................... 29
Tabela 2 - Classificações Quanto ao Tipo de Substância ....................................................................... 34
Tabela 3 – Classificação de temperatura .............................................................................................. 37
Tabela 4 - Dado dos Motores Modelados de Forma Individual ............................................................ 46
Tabela 5 - Equivalentes Motóricos ........................................................................................................ 47
Tabela 6 - Equivalentes Não Motóricos ................................................................................................ 47
Tabela 7 - Resultados Referentes aos Transformadores....................................................................... 48
Tabela 8 - Correntes nos Painéis ........................................................................................................... 49
Tabela 9 - Corrente Nominal dos Painéis .............................................................................................. 49
Tabela 10 – Geração .............................................................................................................................. 49
Tabela 11 – Comparação Entre Geração Máxima e Utilizada ............................................................... 50
Tabela 12 - Corrente Simétrica Inicial de Curto-Circuito....................................................................... 62
Tabela 13 - Corrente de Pico de Curto-Circuito .................................................................................... 63
Tabela 14 - Valores Nominais de Curto-Circuito para os Painéis .......................................................... 63
Tabela 15 – Mínima Tensão Permitida nos Terminais dos Motores ..................................................... 74
11
1. Introdução
1.1. Breve Histórico Sobre a Utilização de Energias pelo Homem
A diversificação do trabalho, visando à otimização das tarefas e ao aumento do nível
de conforto, demandou novas formas de utilização de energia. Estas foram sendo descobertas
e aprimoradas, através do desenvolvimento da matemática, da geometria e da engenharia,
proporcionando a criação de dispositivos mecânicos complexos, empregados para o
aproveitamento da energia [1].
Na Antiguidade, em países como China e Pérsia, encontram-se registros de máquinas
desenvolvidas com a finalidade de utilizar a energia do vento para outros fins que não a
navegação, datando do ano de 644 A.C. Isso ocorria através da utilização de moinhos de
vento, que moíam grãos e faziam a irrigação, através do bombeamento de água.
Posteriormente, essas máquinas chegaram à Europa no século XIII, por meio de guerreiros
que voltavam das cruzadas. Nesse continente elas foram empregadas nas indústrias têxteis, de
madeira e metalúrgica.
A utilização das máquinas a vapor se deu inicialmente graças ao problema de
alagamento das minas de carvão e ferro na Inglaterra. Essas máquinas possuíam grandes rodas
de água para içar baldes d’agua e sua utilização chegava a ser equivalente a 500 cavalos. A
primeira máquina a vapor utilizável foi construída por Thomas Severy em 1698.
Posteriormente, o modelo proposto por Thomas Newcomen solucionou o problema das
minas, com o cilindro separado da caldeira. Esse modelo ficou operando por
aproximadamente 75 anos, caindo em desuso graças à sua incapacidade de operar em minas
profundas. Para solucionar esse problema, James Watt apareceu com um novo projeto de
máquina com eficiência aumentada, devido a um grande aprimoramento na forja dos cilindros
12
retilíneos. A transformação do movimento alternado e linear do êmbolo em movimento
giratório permitiu a utilização da energia gerada dessa maneira como uma fonte universal.
Esse tipo de máquina começou a ser usada para acionar navios, locomotivas, ambientes
industriais, dentre outros. Uma geração após o grande invento de Watt, o domínio do vapor
conduzia a Inglaterra ao posto de primeira nação industrial do mundo.
A era dos combustíveis fósseis teve sua origem durante a revolução industrial. O
primeiro combustível fóssil a ser utilizado em grande escala foi o carvão mineral, substituindo
a lenha no abastecimento das maquinas a vapor. Em 1961, o petróleo ultrapassou o carvão
como principal fonte primária de energia. O petróleo também é transformado em refinarias
em produtos como: gás liquefeito, gasolina, óleo diesel, querosenes, asfaltos, lubrificantes,
solventes, entre outros. Por possuir diversos problemas como a possibilidade de causar
grandes impactos ambientais, além de grande instabilidade política no oriente médio, detentor
das maiores reservas de petróleo, essa fonte de energia está lentamente sendo substituída por
fontes alternativas.
A energia elétrica foi utilizada inicialmente no campo das comunicações, graças ao
telégrafo e telefone elétricos. As primeiras usinas geradoras em corrente contínua foram
construídas por Thomas Edson em 1882 para abastecer os sistemas de iluminação. A primeira
transmissão de energia elétrica em corrente alternada foi realizada em 1886 por George
Westhinghouse, graças ao uso da corrente alternada e sistemas polifásicos desenvolvidos por
Nikola Tesla, juntamente com o transformador eficiente de Willian Stanley. Esses avanços
possibilitaram à transmissão a longa distância, bem como o uso doméstico e industrial da
energia elétrica. O que diferenciava a eletricidade de outras formas de energia era sua
facilidade de transporte e conversão direta em qualquer outro tipo de energia. Isso conferiu a
energia elétrica o posto de principal insumo da presente era.
13
1.2. Objetivo
O presente trabalho tem como objetivo apresentar e propor mudanças em um projeto
de instalação industrial de modo a diminuir o investimento necessário para a sua construção.
O novo sistema elétrico deve ser testado e deve-se verificar também o seu funcionamento e a
possibilidade de sua construção com a tecnologia atual. Para tal, serão realizados estudos
elétricos, bem como o dimensionamento de alguns equipamentos elétricos de maior
relevância.
1.3. Motivação
Atualmente, com a baixa no preço das commodities como petróleo, minério de ferro,
ácido sulfúrico e outros, os engenheiros e empresários tem que utilizar a criatividade e
conhecimentos técnicos para reduzir os custos de produção desses recursos, além de se
esforçarem para obter o maior retorno possível com o capital investido. Neste sentido, são
realizados trabalhos de otimização e melhoramentos como o descrito no presente relatório.
Commodities são bens ou serviços que deixam de ter diferenciação quanto ao
fornecimento. Logo o seu preço é global, baseado nas flutuações diárias da oferta e da
demanda global.
1.4. Estrutura do trabalho
A distribuição dos capítulos é feita de maneira a dividir o conteúdo estudado em sete
partes.
No capítulo 2 é apresentado o sistema elétrico da instalação industrial estudada e
indicado as cargas mais comuns e os principais equipamentos que compõem o sistema
14
elétrico, características de operação e peculiaridades da planta. Por fim, é apresentado o
diagrama unifilar do sistema com a intenção de proporcionar uma visão geral do mesmo.
No capítulo 3 serão descritas as mudanças propostas com o objetivo de promover uma
otimização do capital investido no projeto. Essas alterações são analisadas e são apontados os
seus prós e contras. Nos capítulos seguintes, 4,5 e 6, são apresentados os estudos de fluxo de
potência, curto circuito e partida de motores, respectivamente. Nesses capítulos são descritas
as motivações para a realização dos mesmos. Esses estudos são utilizados para o
dimensionamento de alguns equipamentos elétricos.
As conclusões pertinentes são mostradas no capítulo 7. Nesse capítulo são feitas
reflexões sobre a real utilização das mudanças propostas no presente trabalho e indicados os
próximos passos a serem tomados para a realização desse projeto.
15
2. Visão Geral do Sistema Elétrico Estudado
Nesse capítulo é descrita e caracterizada a operação de um sistema elétrico industrial.
Trata-se do sistema mais utilizado e consagrado pela indústria brasileira em sua área de
atuação, possuindo instalações elétricas em funcionamento há um significativo quantitativo de
tempo e desempenhando sua função com excelência.
Esse tipo de instalação industrial possui como pontos críticos a falta de espaço físico,
a dificuldade de manutenção e a necessidade de gerar a sua própria energia elétrica, já que não
se encontra ligada ao Sistema Interligado Nacional (SIN). O fato da instalação industrial não
estar ligada ao SIN se deve ao fato dela se encontrar muito isolada geograficamente, como por
exemplo, as instalações offshore.
O sistema é composto por um barramento de 13,8 KV, nesse projeto chamado de
PNL01A/B, dividido ao meio por um limitador de corrente (Is-limiter), originando com isso
as denominações A e B, e alimentado por quatro Turbo-Geradores de 25 MW. Nesse
barramento encontram-se os maiores motores da instalação industrial ligados diretamente,
além de transformadores que irão alimentar os painéis de 480 V (PNL03A/B E PNL04A/B) e
de 4,16 KV (PNL02A/B). Esses painéis, por sua vez, são divididos por disjuntores tipo Bus-
TIE.
Todos os painéis alimentados pelo PNL01 recebem dupla alimentação e cada uma é
proveniente de uma das seções do barramento principal, A ou B, o que possibilita o seu
funcionamento em operação H ou em L.
Os painéis de 480 V alimentam outros painéis de 480 V conhecidos como centro de
controle de motores (CCM). A alimentação dos CCM’s possui um reator limitador para
16
diminuir o nível de curto circuito. Nos CCM’s, podem-se encontrar pequenos motores e
transformadores e iluminação.
Essa instalação, mesmo possuindo quatro geradores, opera normalmente com somente
três desses geradores ligados. O quarto gerador existe com o objetivo de suprir picos de
demanda que possam ocorrer e de substituir qualquer um dos outros geradores caso ocorra
algum problema nos mesmos ou algum deles necessite de manutenção. Esse número de
geradores pode ser explicado pelo conceito de redundância que será explicado posteriormente.
Sabe-se então que os quatro geradores só estarão funcionando simultaneamente em casos de
pico de demanda ou transferência de cargas, quando um gerador esta saindo de operação e o
outro está entrando.
Figura 1 - Diagrama Unifilar
17
2.1. Funcionamento em H e L
Esse tipo de arranjo é utilizado para que se tenha redundância na alimentação dos
painéis elétricos. Trata-se de um barramento dividido ao meio por um disjuntor denominado
Bus-TIE, onde as suas duas metades possuem alimentações distintas, como mostrado na
figura 2.
Figura 2 - Barramento com dupla alimentação
O funcionamento em H, operação normal, consiste nos disjuntores A e B fechados e o
TIE-C aberto e o funcionamento em L consiste no TIE-C fechado, um dos disjuntores A ou B
aberto e o outro disjuntor fechado. Desta forma, observa-se que sempre haverá dois
disjuntores fechados e um aberto. Esses disjuntores possuem intertravamento para que essa
condição sempre seja satisfeita.
18
Para que essa alimentação seja redundante, os transformadores que alimentam esse
barramento tem que ser dimensionados para a sua maior carga, como no caso do
funcionamento em L.
O funcionamento em L é usado quando há algum defeito ou necessidade de
manutenção em um dos transformadores ou nos disjuntores que são ligados diretamente a ele.
Esse tipo de manobra permite que a instalação continue funcionando durante a manutenção,
otimizando a sua produção que não necessita parar por esse motivo.
2.2. Limitador de corrente (Fast-acting current limiting)
O limitador de corrente é uma combinação de uma barra de cobre e um fusível
limitador de corrente, como mostrado na figura 3. Durante a operação normal, a corrente flui
pela barra de cobre com eficiência, não afetando o funcionamento da planta. [2]
Figura 3 - Limitador de Corrente
Quando há uma falta, a corrente que passa pela barra de cobre tem que ser
interrompida de modo a forçar que a corrente passe somente pelo fusível e dessa forma,
19
aciona-lo de maneira rápida. Esse processo deve acontecer antes da corrente de curto atingir o
seu pico, se quer-se limita-lo. Um dispositivo de acionamento rápido monitora a corrente e
atua sobre uma carga de explosivos, destruindo instantaneamente e controladamente o
caminho normal da corrente. Essa corrente passará pelo fusível que atuará em menos de meio
ciclo. Esse processo é ilustrado na figura 4.
Figura 4 - Esquema de Funcionamento do Limitador de Corrente
20
Figura 5 - Exemplo de Instalação de Limitador de Corrente
Caso ocorra um curto na barra A da figura 5, uma porcentagem considerável dessa
corrente passará pelo TIE e o limitador de corrente irá reduzir de forma significativa a
corrente de curto. Abaixo o gráfico da figura 6 representa as correntes de curto no momento
da falta. Nesse caso, foi considerado que a contribuição de B era maior que a de A para
facilitar a visualização. As cores das curvas representam distintas situações, a saber:
- A curva rosa representa a corrente de curto sem a atuação do dispositivo em questão
- A curva azul claro mostra a contribuição da barra B ignorando a atuação do limitador
de corrente
- A curva laranja é a contribuição da barra A
- A curva azul escuro mostra a corrente de curto resultante com o dispositivo limitador
de curto atuando.
21
Figura 6 - Corrente de Curto-Circuito Limitada
2.3. Reator limitador de curto
Nesse tipo de arranjo, todos os CCM’s de baixa são precedidos por reatores
limitadores de corrente de curto circuito em série. Esses reatores são os dispositivos de
tecnologia mais antiga utilizados na redução de correntes de curto circuito e são geralmente os
de mais baixo custo [3]. Trata-se de um dispositivo que permanece conectado ao sistema
continuamente, fazendo com que ele introduza perdas no sistema e possa causar problemas de
queda de tensão. A sua maior desvantagem nesse tipo de instalação é o espaço que ocupa.
2.4. Motores
Todos os motores elétricos da instalação são motores de indução trifásicos (MIT) e
todos aqueles utilizados nos processos de produção possuem Stand-by’s. Desse modo, esses
motores terão um par conectado em outra barra que, normalmente, encontra-se desligado. No
caso de uma manutenção ou defeito no motor principal, esse outro motor pode ser ligado sem
que a produção precise parar por muito tempo.
22
Os MIT são utilizados para transformar energia elétrica em energia mecânica e
possuem como vantagem a necessidade de pouca manutenção por ser robusto, devido a sua
simples construção. Além disso, sua manutenção é fácil e possuem baixo custo quando
comparada aos motores síncronos [4]. Como desvantagem, pode-se ressaltar a alta corrente de
partida que podem gerar afundamento da tensão na barra em que o motor está conectado e
dependendo da potência do motor pode acabar impactando em toda a instalação industrial.
Os níveis de tensão em que os motores serão instalados são ditados pela sua potência.
A saber:
- Motores acima de 1200 KW são instalados em 13,8 kV;
- Motores entre 150 e 1200 KW são instalados nos barramentos de 4,16 KV;
- Motores menores são instalados em 480 V.
Podem existir exceções devido a problemas com o fornecimento, alguns motores
podem não ser encontrados no mercado em um nível de tensão específico.
Outro ponto a se destacar é a tensão nominal dos motores. São usados motores com
tensões nominais inferiores as nominais dos barramentos. Faz-se isso para minimizar os
problemas decorrentes das quedas de tensão nos cabos e reatores limitadores de curto circuito
e da partida dos MIT.
23
Figura 7 - Motor de Indução
2.5. Conversor de frequência (VSD)
Os inversores de frequência configuram o método mais eficiente utilizado em
processos industriais quando se deseja efetuar o controle de velocidade de motores de
indução. Os inversores convertem a tensão da rede, de amplitude e frequência constantes, em
uma tensão de amplitude e frequência variáveis. Variando-se a frequência da tensão de
alimentação, varia-se também a velocidade do campo girante e, consequentemente, a
velocidade mecânica de rotação da máquina [4].
Para realizar essa tarefa, os inversores são compostos por retificadores, filtro
capacitivo ou barramento CC e pelo inversor. Os retificadores transformam o sinal alternado
de tensão em sinal contínuo, o filtro suaviza as variações na tensão CC e o inversor converte
essa tensão em CA, com a frequência e amplitude ajustáveis.
Como desvantagens esse método apresenta um pior rendimento do conjunto inversor
motor comparado ao motor puramente e pode gerar harmônicos indesejáveis para a rede.
24
Além disso, para motores de alta potência quando comparado a um controlador mecânico de
velocidade, os inversores de frequência apresentam dimensões bem superiores.
Os seus pontos positivos são a drástica diminuição na corrente de partida do motor,
evitam picos de corrente e no caso do inversor não regenerativo podemos desconsiderar a sua
contribuição durante o curto-circuito. Alguns dispositivos podem possuir outras vantagens
como: Controle de fator de potência, controle de frequência e velocidade de operação,
controle do tempo de aceleração e desaceleração.
2.6. Transformadores com comutação automática de Tap
São transformadores que podem gerar um pequeno ajuste na tensão, usualmente na
faixa de +-10%. É importante comentar que praticamente todos os transformadores possuem
TAP’s para regular a tensão, mas necessitam estar desligados para haver a troca. A grande
vantagem desse tipo de transformador que ele pode mudar a posição do TAP sem ter que ser
desativado. Esse tipo de transformador é muito importante para a regulação da tensão
principalmente em barras que estejam localizadas a grandes distancias geográficas da geração
[5].
2.7. Painéis Elétricos
Os principais painéis desse tipo de instalação são os centros de distribuição de carga
(CDC) e centro de controle de motores (CCM).
Um CDC é associado a uma barra que tem a função de servir de ponto de origem de
distribuição de energia elétrica de todo ou parte de um sistema industrial, incluindo funções
de manobra, de proteção e, normalmente, de medição, também. Nesse caso específico ela será
25
ligada a outra barra contígua, instalada no mesmo conjunto construtivo, por meio de um
disjuntor tipo Bus TIE. É muito comum um CDC apresentar níveis de correntes nominais de
regime e de curto circuito altos. Tanto em média quanto em baixa tensão são utilizados
disjuntores como elementos de manobra. Um CCM, por sua vez, está associado a uma barra
que concentra as funções relacionadas a operação, proteção e o controle dos circuitos
alimentadores de motores, tanto em MT quanto BT. Essa barra pode estar conectada ao
secundário de um transformador ou ser alimentada a partir de um CDC a montante. Esta barra
pode, também, ter recursos para ser ligada a outra contígua, instalada no mesmo conjunto
construtivo, por meio de um disjuntor do tipo Bus TIE. O CCM apresenta, em geral, uma
corrente nominal de regime baixa, se comparada com um CDC. Os níveis das correntes
nominais de curto-circuito são menores do que em um CDC. Logo os CDC’s e os CCM’s não
possuem grandes diferenças construtivas, mas suas funções os definem. [6]
Os painéis de Média tensão são construídos em módulos ou compartimentos, devido
ao sistema de isolamento e elevada classe de tensão. Já os CCM’s e CDC’s de Baixa tensão
são comumente compartimentados em gavetas, torna possível um rápido conserto com a troca
imediata da gaveta, além de permitir um intercâmbio entre os tipos de gaveta de painéis
diferentes [7].
Mesmo não tendo sido citados até agora existem painéis de baixa tensão, 220 V. Esses
painéis são usados para iluminação, alimentação de computadores, tomadas de escritórios e
outros. São alimentados por transformadores ligados aos CCM’s de baixa tensão.
26
Figura 8 - CCM de Baixa Tensão
2.8. Resistencia de Aquecimento
Esse tipo de dispositivo é utilizado em motores instalados em ambientes úmidos. Tem
como objetivo manter aquecido o interior do motor, normalmente entre 5 e 10 graus a cima da
temperatura ambiente, enquanto o motor se encontrar desligado.
O objetivo de manter o motor aquecido, quando ele permanece durante algum tempo
fora de operação, é evitar a condensação de agua internamente, o que favorece a corrosão.
As resistências de aquecimento geralmente são alimentadas pela baixa tensão e tem
potencias que variam entre 8 e 160 W, dependendo do tamanho da carcaça. [8]
27
Figura 9 - Resistencia de Aquecimento em um MIT
2.9. Redundância
O sistema de distribuição deve ser concebido com adequada redundância de modo que
uma falha em qualquer circuito ou secção do barramento não comprometa todo o sistema.
Essas falhas não devem causar a indisponibilidade de outros consumidores por longo período
de tempo [9].
2.10. Aterramento
Nesse tipo de instalação industrial o aterramento consiste na utilização de resistores de
alta impedância para aterrar geradores e alguns transformadores. Os motores e demais cargas
tem um sistema de neutro isolado. Deve-se manter em mente o caminho da corrente de
sequencia zero, essa corrente só possui continuidade caso o transformador seja estrela
aterrado-estrela aterrado, qualquer outro tipo de ligação impede sua circulação.
28
Figura 10 - Circuitos equivalentes de transformadores para sequencia zero
2.10.1. Aterramento de transformadores
Nessa instalação industrial encontramos dois tipos de transformadores. O primeiro é o
que liga o barramento de 13,8KV ao barramento de 4,16KV. Nesses transformadores o
primário, 13,8KV, estará em delta e o secundário, 4,16KV, será configurado como estrela
aterrado por alta impedância. O segundo tipo de transformador são os que ligam o barramento
de 13,8KV aos barramentos de 480 V. Esses transformadores são delta-estrela isolado, os
transformadores de três enrolamentos 13,8KV/480/480 também são delta/estrela-
isolado/estrela isolado.
29
Nome Primário Secundário Terciário
OBS Tensão Ligação Tensão Ligação Tensão Ligação
TF01A/B 13,8KV Delta 4,16KV Estrela Aterrado -- -- Aterrado com Impedância
TF02A/B 13,8KV Delta 480V Estrela Isolado 480V Estrela --
Tabela 1 - Aterramento dos Transformadores
Para efetuar o calculo da impedância de aterramento deve-se fixar um valor máximo
para a corrente de falta e com esse valor usar as equações básicas de circuitos para assim
calcularmos o valor desejado. Para o transformador TF01A/B será usada a corrente máxima
de 10 A.
𝑉𝑓𝑛 = 4160
√3 𝑒 𝐼𝑓 = 10 𝐴
Logo:
𝑅 = 𝑉𝑓𝑛
𝐼𝑓=
4160
√3 ∗ 10= 240,2 𝛺
2.10.2. Aterramento dos Geradores
Os geradores serão aterrados através de transformadores especiais. Esses
transformadores têm como finalidade limitar o valor de corrente de falta para a terra a valores
seguros, protegendo os equipamentos e fornecendo segurança aos operadores. Esses
transformadores tem uma tensão nominal de 13800-240V e limitam a corrente a 25 A. Para
30
que limitem a corrente de curto a esse valor deve-se calcular a impedância total do
transformador usando-se a mesma forma apresentada para o aterramento de transformador.
𝑅 = 𝑉𝑓𝑛
𝐼𝑓=
13800
√3 ∗ 25= 318,7 𝛺
2.10.3. Aterramento das Cargas
Todas as cargas se encontram isoladas nesse projeto, logo não existirá circulação de
corrente entre elas e o ponto de aterramento do gerador ou transformador. Pelo fato de estar
sendo usado o sistema neutro isolado, a baixa tensão terá uma característica vantajosa: a
primeira falta de isolamento não provoca falha no sistema. Isto significa que processos
complexos e linhas de produção não são interrompidos inesperadamente. Ao contrário, a
continuidade da operação é garantida sob condições controladas e falhas podem ser corrigidas
posteriormente, sem os altos custos associados a paradas inesperadas. Posteriormente, utiliza-
se um equipamento DSI, dispositivo supervisor de isolamento, para localizar e eliminar a falta
o mais rápido possível, como previsto na NBR 5410 – 5.1.2.2.4.4. [10].
Figura 11 - DSI
31
O DSI funciona aterrado e injetando permanentemente um sinal quadrado de baixa
frequência no sistema. Esse equipamento monitora a corrente que esta passando por ele e
como possui uma resistência variável consegue limita-la.
Figura 12 - Principio de funcionamento do DSI
Como em sistemas neutro isolado nenhuma carga esta conectada a terra, a ocorrência
de uma falha no isolamento só irá provocar uma pequena corrente que não irá ativar o
fusível/disjuntor a montante. O DSI irá monitorar o isolamento do sistema e irá apontar aonde
e quando ocorrer esse tipo de falha no isolamento.
Figura 13 - Exemplo de um Motor Trifásico Apresentando Falha no Isolamento
32
Figura 14 - Sistema com Monitoração de Isolamento
Na figura a cima esta exposto um exemplo de arranjo para monitorar o isolamento de
um sistema. Os toroides que recebem o sinal injetado podem apontar precisamente em que
ramo esta ocorrendo a falha no isolamento. É importante ressaltar que os injetores de sinal
não podem trabalhar em hipótese nenhuma em paralelo, isso iria gerar interferência.
2.11. Áreas Classificadas
São regiões aonde há presença de gás inflamável ou aonde há uma provável ocorrência
dos mesmos, exigindo com isso precauções especiais para a utilização de equipamentos
elétricos, já que os mesmos podem produzir arcos elétricos que podem causar explosões [11].
No Brasil existe o Subcomitê SC-31 do COBEI que possui como uma de suas missões
elaborar, revisar e manter atualizadas, harmonizadas e equivalentes com a normalização
33
internacional da IEC, as Normas Técnicas Brasileiras publicadas pela ABNT das Séries NBR
IEC 60079 e NBR ISO/IEC 80079, referentes aos equipamentos elétricos e mecânicos. [12]
Uma atmosfera explosiva é quando existe em contato com o oxigênio uma proporção
tal de gás, vapor, poeira ou fibras, onde uma faísca proveniente de um circuito elétrico ou o
aquecimento de um equipamento pode ser fonte de ignição e provocar uma explosão. Os
equipamentos elétricos a serem instalados nestes locais devem eliminar ou isolar a fonte de
ignição, evitando a ocorrência simultânea dos três componentes que formam o triângulo do
fogo.
Figura 15 - Triangulo do Fogo
Esse triângulo e consequentemente atmosferas explosivas podem ser encontrados em
vários tipos de indústria como: Petroquímico, Alimentícia, Usinas de Açúcar e Etanol,
Farmacêutico, Têxtil, Papel, Celulose entre outros.
34
2.11.1. Classificações
A classificação de uma planta industrial segundo a ABNT/IEC esta relacionada
diretamente ao tipo de substancia inflamável presente no ambiente, as suas características, a
probabilidade com que essa substância será liberada para o meio externo e as condições
ambientais.
Quanto ao tipo de substancia pode-se basear na tabela abaixo. Essa classificação é
necessária devido a diferença de periculosidade entre as substancias.
Grupo segundo ABNT/IEC Definição
Grupo I Minas de Carvão. Prevalecem os gases da familia metano e poeiras de carvão
Grupo II Atimosfera explosiva de gás. Dividido em 3 categorias (A,B e C). Ocorre em
insdutrias quimicas, petroquimicas e farmacêuticas.
Grupo II A Áreas aonde prevalecem os gases daa familia Propano
Grupo II B Áreas aonde prevalecem os gases daa familia Etileno
Grupo II C Áreas aonde prevalecem os gases daa familia Acetileno/Hidrogênio
Grupo III Atimosfera explosiva de poeira. Dividido em 3 categorias (A,B e C).
Grupo III A Áreas aonde prevalecem as fibras combustíveis
Grupo III B Áreas aonde prevalecem as poeiras não condutivas
Grupo III C Áreas aonde prevalecem poeiras condutivas
Tabela 2 - Classificações Quanto ao Tipo de Substancia
Os equipamentos dimensionados para os níveis C atendem ainda aos níveis B e A e os
dimensionados para o nível B atendem ainda ao nível A como mostrado no gráfico abaixo.
35
Figura 16 – Abrangência das Classificações Quanto ao Tipo de Substancia
Dentro de uma mesma planta industrial temos áreas com diferentes classificações.
Essa classificação se deve a probabilidade de ocorrência de uma mistura explosiva. Abaixo,
estão descritas as zonas usadas na classificação de gases e vapores inflamáveis.
Zona 0 ou Continuamente Presente - local onde a ocorrência de uma atmosfera
explosiva é continuamente ou frequentemente presente. Ex: interior de vaso separador,
superfície em contato com liquido inflamável.
Zona 1 ou Frequentemente presente - local onde a ocorrência de uma atmosfera
explosiva pode ocorrer ocasionalmente em condições normais de operação. Ex: respiro
de equipamento de processo.
Zona 2 ou acidentalmente presente - local onde a ocorrência de uma atmosfera
explosiva não é provável de ocorrer em condições normais de operação mas, se
ocorrer, irá persistir somente por um curto período.
36
Figura 17 - Exemplo de Instalação Industrial
Na imagem 17, podem-se ver claramente as zonas classificadas sendo
utilizadas numa instalação industrial. A zona 0, em vermelho, está presente no interior de um
recipiente que possui liquido inflamável, logo é um local onde a ocorrência de uma atmosfera
explosiva é continuamente presente. A zona 1, em amarelo, é um local onde a atmosfera
explosiva ocorre em condições normais de operação e na zona 2, vemos que não é provável a
existência de atmosfera explosiva, mas devido aos exaustores não deve persistir por um longo
período.
Outra classificação importante é a classificação de temperatura. Ela regula a
temperatura máxima de uma superfície que o equipamento pode atingir, de forma a não
provocar a ignição da atmosfera explosiva para a qual ele foi projetado. Abaixo temos uma
tabela com as classificações.
Classe Temperatura máxima na superficie (ºC)
T1 450
T2 300
37
T3 200
T4 135
T5 100
T6 85
Tabela 3 – Classificação de temperatura
2.11.2. Equipamentos apropriados para áreas classificadas
À prova de explosão - Ex d: tipo de proteção na qual as partes que podem causar a
ignição de uma atmosfera explosiva são confinadas em um invólucro capaz de suportar uma
explosão interna sem permitir que se propague para o meio externo.
Segurança Aumentada - Ex e: tipo de proteção na qual o equipamento elétrico, em
condições normais de operação, não produzirá arcos, faíscas ou aquecimento suficiente para
causar a ignição da atmosfera explosiva.
Não acendível - Ex n: tipo de proteção aplicada a equipamento elétrico de modo que,
em funcionamento normal e em certas condições anormais específicas, não possa inflamar o
ambiente explosivo.
38
Figura 18 - Exemplo de um Interruptor Ex d para Zonas I e II para Grupos IIA e IIB
39
3. Mudanças Sugeridas Para Otimização Econômica do Sistema
Elétrico Industrial.
Esse capítulo tem como objetivo apresentar mudanças no sistema elétrico apresentado
no capítulo 2. Tais mudanças têm como objetivo redução do custo desse sistema elétrico.
Posteriormente serão apresentados os problemas que podem ocorrer devido à implementação
de tais mudanças.
3.1. Extinção do nível de tensão 4,16KV
Reduzir a instalação a dois níveis de tensão. Com isso, não seriam mais necessários
dois grandes transformadores de 13,8/4,16KV. Esses transformadores além de possuírem
elevado custo também dispõem de grande volume. Além disso, vamos diminuir os numero de
saídas e entradas nos painéis necessárias para essa conexão, com isso diminuindo o volume
dos painéis. Os motores serão realocados nos outros níveis de tensão dependendo do seu nível
de Potência.
- Motores até 330V serão realocados nos barramentos de baixa tensão
- Motores acima de 330V serão realocados nos barramentos de média tensão
3.2. Mudança de Níveis de Tensão
O nível de tensão 13,8KV passa a ser 11KV. A grande vantagem dessa mudança é que
se pode encontrar no mercado conjuntos de Fusível-Contator para esse nível de tensão,
40
enquanto para o nível anteriormente usado era obrigatório o uso de disjuntores, que possuem
um preço mais elevado.
O nível de tensão da baixa tensão também será alterado de 480V para 690V. Esta
mudança diminuirá o custo com cabos. Este aumento na tensão também favorece a instalação
dos motores de maior potencia que anteriormente se encontravam no barramento de 4,16kV.
O custo dos cabos irá diminuir já que o aumento da tensão para uma mesma potencia
gera uma diminuição na corrente de mesma proporção. Essa redução da corrente gera uma
redução da potencia dissipada em fator quadrático. Com a redução na corrente e nas perdas
ôhmicas associadas, tem-se margem para aumentar a resistência dos cabos mantendo as
perdas iguais Isso significa que como o material do cabo (ρ) e o comprimento dos cabos (L)
vão se manter pode-se diminuir as bitolas dos cabos (A), barateando o seu custo.
𝑃 = 𝑈 ∗ 𝐼
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 = 𝐼² ∗ 𝑅
𝑅 =ρ ∗ 𝐿
𝐴
3.3. Junção dos CCM’s e CDC’s de baixa tensão
Com isso iriamos retirar os reatores limitadores e diminuir o numero de entradas e
saídas nesses barramentos. A grande importância de retirar os reatores é o ganho no espaço
físico na sala elétrica.
41
Figura 19 - Novo Diagrama Unifilar
3.4. Pontos Negativos
Reduzir o nível de média tensão sem alterar a potência gera um aumento na corrente
nominal do circuito. Isto aumenta a corrente de curto-circuito do sistema. Isso se deve ao fato
da tensão ser alterada, mas, aproximadamente, a potência ser mantida. Outro fator que irá
contribuir com o aumento do nível de curto circuito no barramento de média tensão é o fato
dos maiores motores que se encontravam no nível de tensão 4,16KV serem conectados
diretamente ao barramento de 13,8KV/11KV, o que diminui a impedância relativa entre esses
motores e o barramento de maior tensão.
Na baixa tensão também se observa aumento na corrente de curto circuito já que ao
transformarmos os CCM’s e CDC’s em um só barramento, os motores que eram divididos
anteriormente em mais de um barramento e separados por reatores limitadores de curto, agora
se encontram conectados no mesmo barramento. Como no caso anterior, a impedância entre
os motores e o CDC irá diminuir. O simples aumento do nível de tensão deveria corresponder
à uma redução no nível de curto circuito mas, pelos fatores supracitados, um aumento é
esperado.
42
Vemos que ao aumentar o nível de curto circuito podemos enfrentar problemas com a
custo de barramentos. Visto que os painéis são dimensionados para suportar níveis de curto
circuito nominais e painéis com níveis altos de curto circuito se tornam muito caros, deve-se
ter em mente que dependendo do nível de curto circuito pode-se enfrentar o problema de não
existir um barramento no mercado que suporte os valores desejados.
Outro ponto é o fato de termos que os transformadores que alimentam os painéis de
baixa terão um pequeno aumento na potencia nominal, já que serão acrescentados motores ao
mesmo.
O ultimo ponto que deve ser salientado é a partida de motores. Deve-se verificar como
o sistema reage à partida dos grandes motores conectados no barramento de média. Já que sua
partida pode gerar uma queda excessiva de tensão no sistema, acarretando problemas que
serão detalhados posteriormente.
Para investigar esses problemas iremos realizar alguns estudos elétricos com um
modelo do sistema. Serão realizados estudos de Fluxo de potência, Curto Circuito e Partida de
Motores. Com esses estudos feitos, alguns equipamentos serão dimensionados.
43
4. Estudo de Fluxo de Potência
O estudo de fluxo de potencia apresenta como resultado os fluxos de potencia ativa e
reativa nos elementos da rede e as tensões e suas defasagens angulares. Esse estudo será feito
com o objetivo de dimensionar os transformadores e painéis elétricos para a distribuição de
energia elétrica, além de confirmar o dimensionamento da geração. Para realizar esse estudo
será utilizado o modulo Dapper do software PTW da empresa SKM. O método escolhido foi o
Newton-Raphson por ser um método bem robusto.
4.1. Modelagem do Sistema
Antes de começar a falar sobre a modelagem em si, algumas definições precisam ser
apresentadas.
BKW: Potência mecânica exigida pela carga.
Fator de Intermitência: Razão entre o tempo que a máquina permanece em uso sobre
tempo total. O equivalente ao seu ciclo de trabalho. Uma carga que se encontra em stand by
terá o FI de zero enquanto uma que passe metade do tempo ligada terá um FI de 0,5.
Rendimento (η): É a razão entre a potência mecânica gerada pela maquina pela
potencia elétrica que a alimenta.
Fator de carga: este fator é definido como a razão da demanda média pela demanda
máxima ocorrida no mesmo intervalo de tempo indicado.
É importante ressaltar que essa instalação industrial realiza diversos tipos de processos
e o modelo usado será baseado nos dados do processo crítico. Esse processo é o que demanda
mais potência, logo dimensionando o sistema para atender a esse pico os outros processos que
44
exigem menos potência do sistema serão atendidos por um sistema superdimensionado, o que
não gera nenhum problema.
Foi feita uma tabela com as cargas de um projeto anterior. Para os motores, foram
listados potência nominal (KW), fator de potência, fator de intermitência, rendimento, fator de
carga, BKW e tensão nominal. Com esses dados podemos completar os inputs do software e
modelar de forma satisfatória os motores.
Para as cargas não motóricas (tomadas para solda, cargas de iluminação, resistências
de aquecimento, motores acionados por VSD’s e qualquer outra carga que não seja
considerada motor) precisa-se inserir o fator de carga, fator de potência, potência nominal e a
tensão nominal. Com a finalidade de facilitar a modelagem e a entrada de dados algumas
cargas serão representadas por equivalentes. Esses equivalentes serão divididos em dois
grupos, equivalentes motóricos e não motóricos. Embora esses dois equivalentes sejam
modelados como cargas de potência contínua durante o estudo de fluxo de potência, sua
divisão se mostrará muito importante para o estudo de curto circuito. Esses equivalentes
motóricos serão feitos através da soma da potência ativa, demandadas e nominais. Serão
adotados valores típicos para o rendimento e fator de potência. Para se ter uma maior precisão
alguns dos motores de maior potência não serão representados junto aos equivalentes. Esses
motores são os de média tensão e os maiores motores da baixa tensão. Além de se conhecer o
comportamento isolado de cada uma destas cargas, podemos futuramente realizar outras
análises como, por exemplo, estudos de partida de motores. Posteriormente, serão
apresentadas mais informações sobre esse tipo de estudo. Os equivalentes não motóricos são
calculados através da soma das potências ativas e reativas demandadas. A partir dessa soma
será obtido um fator de potência. As potências demandadas são obtidas através das seguintes
formulas.
Para motores:
45
𝑃𝑑 =𝐵𝐾𝑊𝑥𝐹𝐶𝑥𝐹𝐼
𝜂
𝑄𝑑 = 𝑃𝑑𝑥𝑇𝑎𝑛(𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠(𝐹𝑝))
Para cargas não motóricas:
𝑃𝑑 = 𝑃𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙𝑥𝐹𝐶𝑥𝐹𝐼
𝑄𝑑 = 𝑃𝑑𝑥𝑇𝑎𝑛(𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠(𝐹𝑝))
Abaixo, estão apresentados os dados dos motores discriminados na tabela 4. É
importante salientar que os motores que possuíam FI igual a zero não foram considerados, já
que são motores que se encontram desligados por servirem de Stand By para outros motores e
nunca estarão ligados ao mesmo tempo.
BARRAMENTO IDENTIFICAÇÃO TENSÃO INSTAL.
bkW
NOMINAL
Kw
pf FC
%
FI
%
PNL 01 A ME-01 A 11 kV 8.165,50 8.600,00 95,0% 0,88 100,0% 100%
PNL 01 A ME-02 A 11 kV 1.005,64 1.200,00 95,0% 0,88 100,0% 100%
PNL 01 A ME-03 A 11 kV 12.580,93 14.000,00 96,0% 0,89 100,0% 100%
PNL 01 A ME-04 A 11 kV 998,23 1.200,00 96,0% 0,89 100,0% 100%
PNL 01 A ME-05 A 11 kV 1.017,70 1.200,00 96,0% 0,89 100,0% 100%
PNL 01 A ME-06 A 11 kV 922,80 1.100,00 96,0% 0,89 100,0% 100%
PNL 01 A ME-07 A 11 kV 1.335,10 1.500,00 96,0% 0,89 100,0% 100%
46
PNL 01 B ME-01B 11 kV 8.165,50 8.600,00 95,0% 0,88 100,0% 100%
PNL 01 B ME-02B 11 kV 1.005,64 1.200,00 95,0% 0,88 100,0% 100%
PNL 01 B ME-03B 11 kV 12.580,93 14.000,00 96,0% 0,89 100,0% 100%
PNL 01 B ME-04B 11 kV 998,23 1.200,00 96,0% 0,89 100,0% 100%
PNL 01 B ME-05B 11 kV 1.017,70 1.200,00 96,0% 0,89 100,0% 100%
PNL 01 B ME-08B 11 kV 1.173,82 1.400,00 95,0% 0,89 100,0% 100%
PNL 01 B ME-06B 11 kV 922,80 1.100,00 96,0% 0,89 100,0% 100%
PNL 01 B ME-07B 11 kV 1.335,10 1.500,00 96,0% 0,89 100,0% 100%
PNL 01 B ME-07C 11 kV 1.335,10 1.500,00 96,0% 0,89 100,0% 100%
PNL 03 B ME-08B 0,69 kV 178,88 220,00 95,0% 0,88 100,0% 100%
PNL 03 A ME-08 A 0,69 kV 178,88 220,00 95,0% 0,88 100,0% 100%
PNL 04 A ME-10 A 0,69 kV 299,02 330,00 95,0% 0,88 100,0% 20%
PNL 04 A ME-09 A 0,69 kV 300,00 330,00 95,0% 0,88 100,0% 100%
PNL 04 B ME-09 B 0,69 kV 300,00 330,00 95,0% 0,88 100,0% 100%
PNL 03 B ME-11 A 0,69 kV 138,75 150,00 95,0% 0,88 100,0% 100%
Tabela 4 - Dado dos Motores Modelados de Forma Individual
Abaixo vemos uma tabela 5 com os equivalentes que serão usados no modelo.
Lembrando-se que em alguns casos esses equivalentes chegam a reunir mais de 50 cargas.
IDETIFICAÇÃO TENSÃO NOMINAL
kW
DEMANDA
kW
Pf
PNL 03A MEQ-03 A 0,69 KV 733 144,6 0,95 0,85
PNL 03B MEQ-03 B 0,69 KV 520 216 0,95 0,85
PNL 04A MEQ-04 A 0,69 KV 539 323,4 0,95 0,85
47
PNL 04B MEQ-04 B 0,69 KV 761 320 0,95 0,85
Tabela 5 - Equivalentes Motóricos
IDETIFICAÇÃO TENSÃO Demanda
kW
DEMANDA
kVAr Pf
PNL 03A NML-03 A 0,69 KV 1278,6 674,9 0,88
PNL 03B NML-03 B 0,69 KV 337,5 153,8 0,91
PNL 04A NML-04 A 0,69 KV 1253,5 426,6 0,94
PNL 04B NML-04 B 0,69 KV 315,5 141,8 0,91
Tabela 6 - Equivalentes Não Motóricos
Para os transformadores usaremos dados típicos retirados de outros projetos, os cabos
serão ignorados já que são altamente influenciados pelo arranjo da instalação industrial e
posteriormente podem interferir no estudo de curto circuito, gerando valores menos
conservativos.
Como o estudo será feito com a intenção de dimensionar os transformadores, o
sistema estará funcionando em L (um dos transformadores estará desligado). Já que nesse
caso os transformadores terão que alimentar um maior número de cargas, serão
dimensionados para o caso mais severo.
4.2. Resultados
Primário Secundário Terciário
P (KW) 4447,2 1826,8 2620,3
48
Q (KVAr) 2385,6 1049,6 1336
S (KVA) 5046,6 2106,9 2941,2
PF 0,88 0,87 0,89
I (A) 266,0 1763,5 2461,9
V nominal 11KV 690V 690V
Tabela 7 - Resultados Referentes aos Transformadores
Adota-se um acréscimo de 25% nos valores de potência obtidos nesses cálculos, já que
assim o sistema estará prevenindo contra incrementos de cargas. Esse incremento pode ser
gerado por uma substituição de equipamentos, que pode acontecer em outras fases do projeto
ou em algum projeto de reforma que a instalação industrial venha a sofrer. Deve-se considerar
a possibilidade de instalação de novos equipamentos posteriormente.
Com esse acréscimo chegamos a um transformador de 7,5 MVA de potencia nominal.
Esse transformador atende a carga do primário, secundário e terciário acrescidas de 25%.
Os painéis elétricos são dimensionados, entre outros critérios, através de sua
capacidade de conduzir corrente continuamente, na frequência nominal, sem exceder os
limites de temperatura. Logo para dimensiona-los quanto à corrente nominal precisa-se obter
o quanto de corrente os painéis conduzem no funcionamento em L. Os painéis alimentados
pelos transformadores terão a mesma corrente do transformador que os alimenta, como pode-
se observar na tabela abaixo.
Corrente
PNL01A/B 3098 A
PNL03A/B 1763 A
PNL04A/B 2465 A
49
Tabela 8 - Correntes nos Painéis
Para transformador iremos utilizar uma sobra de 25% pelos mesmos motivos citados
anteriormente. Chega-se assim aos valores comerciais mostrados na tabela abaixo.
Corrente
PNL01A/B 4000 A
PNL03A/B 3150 A
PNL04A/B 3150 A
Tabela 9 - Corrente Nominal dos Painéis
Por fim, será avaliado o dimensionamento dos geradores. Esse tópico não foi abordado
no presente trabalho já que foram utilizadas as cargas de outro projeto e como não foram
feitas alterações na demanda do projeto utilizou-se a mesma geração. Consideraram-se quatro
geradores de 25MW/31MVA para abastecer a instalação industrial. Para confirmar esse
dimensionamento, calculou-se a soma da potência gerada na situação modelada e essa
potência foi comparada com a capacidade máxima dos geradores.
GE A GE B GE C GE D TOTAL
P (KW) 20000 20000 20000 13511 73511
Q (KVAr) 15000 15000 15000 5848 50848
S (KVA) 25000 25000 25000 14722 92180
Tabela 10 – Geração
50
A tabela 10 mostra a geração descriminada por equipamento e a soma dos valores
individuais. De posse desses valores é possível calcular o quanto da geração total esta sendo
utilizado.
Total - 1 Gerador Total - 4 Gerador Utilizada Comparação
P (KW) 25000 100000 73511 74%
Q (KVAr) 18750 75000 50848 68%
S (KVA) 31250 125000 92180 74%
Tabela 11 – Comparação Entre Geração Máxima e Utilizada
Analisando os resultados apresentados na tabela anterior, pode-se perceber que o
dimensionamento dos geradores foi feito adequadamente. Existe uma sobra de 26% no pico
de demanda. Isso indica que na operação normal essa indústria poderá funcionar com três
geradores ligados e um de stand-by. Os quatro geradores só serão ligados para suprir um
possível pico de demanda e na eventual transferência de carga entre dois geradores, devido à
mudança do gerador em stand-by por motivos de manutenção.
51
5. Estudo de Curto-Circuito
5.1. Base Teórica
Estudos de curto circuito são extremamente importantes nas fases do projeto que se
precisa dimensionar o sistema elétrico. Segundo [13] deve-se fazer esse estudo para
dimensionar características dos equipamentos elétricos tais como:
Nivel de curto-circuito: é o valor de corrente de curto que equipamentos como painéis,
disjuntores, chaves e etc. tem que resistir em função da componente simétrica do curto
circuito. Esses equipamentos devem ser capazes de resistir a essas correntes por
períodos da ordem de 1 segundo.
Capacidade de condução de corrente: é o maior valor de corrente que os equipamentos
devem resistir. Esse valor é obtido através da corrente de pico. Esses valores
geralmente são muito superiores aos valores das componentes simétricas, mas os
equipamentos tem que resistir a essa corrente de pico por muito menos tempo.
Seleção e ajuste do equipamento de proteção.
Determinação das características mecânicas dos equipamentos para que eles possam
resistir as correntes de pico que podem causar grandes solicitações mecânicas.
O estudo de curto circuito nesse trabalho será feito para o dimensionamento do nível
de curto-circuito dos painéis. Com essas informações, verificar-se-á se é possível encontrar
painéis comerciais que sejam dimensionados para esses níveis de curto circuito exigidos pelo
sistema. Para isso, será seguida a norma IEC 60909 e serão obtidos como resultados a
corrente de pico e a corrente simétrica de curto circuito. Como é comum no meio industrial
52
será considerado que o curto circuito trifásico é o mais severo e por isso será o único
estudado.
A escolha de uma norma internacional se deu graças à necessidade de atender aos
requisitos das seguradoras, algo que se torna necessário nesse tipo de empreendimento.
Não serão abordados os outros temas como ajuste e seleção de equipamentos de
proteção, entende-se que como este é o projeto básico e não um detalhamento não há
necessidade disso, já que ainda não existem dados definitivos sobre cabos e motores que
influenciarão muito o resultado.
Figura 20 - Curto Circuito Trifásico
Quando uma falta ocorre num sistema, os valores das correntes de curto circuito serão
diretamente relacionados à força eletromotriz das máquinas rotativas que compõem esse
sistema, à impedância das mesmas e à impedância entre essas máquinas e o ponto de falta.
Essas máquinas podem ser síncronas ou assíncronas. No sistema estudado vemos somente
dois tipos de máquinas, geradores síncronos e motores de indução.
Os geradores síncronos são acionados por turbinas movidas a gás. Quando ocorre um
curto-circuito, esses geradores continuam a produzir tensão, pois a sua excitação de campo se
mantém por meio de baterias e o acionamento mecânico continua a fornecer potência
53
mecânica ao gerador. Logo, esse gerador irá contribuir com a corrente de curto circuito sendo
limitada somente pela sua própria impedância e impedância do sistema.
Os motores de indução também contribuem com as correntes de curto circuito, mas
sua contribuição difere bastante dos geradores síncronos devido aos seus aspectos
construtivos. Nos motores de indução não há excitação de campo por corrente contínua como
nas máquinas síncronas, pois o fluxo magnético do rotor é gerador por indução. Quando
ocorre uma falta e o motor deixa de ser alimentado, esse fluxo se mantem. Logo esse fluxo
começa a induzir tensão nos enrolamentos do estator até que a máquina pare completamente.
A corrente de curto circuito produzida dessa forma decai muito mais rápido que a produzida
pelos geradores síncronos.
Figura 21 - Contribuição de Diferentes Máquinas Elétricas para o Curto-Circuito
Nos gráficos a cima pode-se observar o que foi exposto anteriormente. A contribuição
dos motores de indução decaindo rapidamente, fazendo que a sua contribuição só afete a
54
corrente de pico, e os geradores sendo os principais contribuintes da corrente simétrica de
curto-circuito.
A corrente de curto-circuito apresenta normalmente características simétricas e
assimétricas. Sendo assimétrica nos primeiros ciclos e decaindo para uma corrente simétrica
no estado permanente. Isso se deve a relação entre resistência e reatância (X/R) do circuito no
momento do curto-circuito.
Essa razão não é tão simples de ser encontrada visto que a reatância das máquinas
rotativas não é constante. O valor da corrente de curto-circuito de pico é bem diferente da
corrente sustentada, em razão da diferença nas reatâncias que se manifestam ao longo do
tempo. Existem três tipos de reatâncias nas máquinas rotativas que são caracterizadas pelo
estado da máquina de acordo com o tempo após a falta.
Reatância subtransitória de eixo direto 𝑋𝑑" valor da reatância do estator logo após a
falta. É responsável pelo maior valor de corrente de curto-circuito.
Reatância transitória de eixo direto 𝑋𝑑′ valor da reatância aparente inicial do estator,
se manifesta normalmente 0,5 segundos depois da falta
Reatância síncrona 𝑋𝑑 valor da reatância de regime permanente.
5.2. Introdução a norma IEC 60909
A IEC (Internation Electrotechnical Comission) é uma organização mundial com
objetivo de promover a cooperação internacional em todas as questões relacionadas à
regulamentação no campo da engenharia elétrica e eletrônica [14].
A norma IEC 60909 é aplicável a sistemas de corrente alternada de baixa a alta tensão
que operam em 50 ou 60 Hz. Sistemas com tensões iguais ou superiores a 550 KV com linhas
55
de transmissão longas precisam de cuidados especiais, logo essa norma não se aplica nesses
casos. Essa norma estabelece práticas e procedimentos que levam a resultados que geralmente
possuem uma precisão aceitável.
Essa norma usa como método de cálculo a inserção de uma fonte de tensão
equivalente no local da falta, considerando a corrente de curto-circuito simultânea em todos
os polos. Investigação de curto-circuitos não simultâneos esta além do escopo dessa norma.
5.2.1. Definições segundo a norma:
- Curto circuito: Caminho condutivo, acidental ou intencional, entre dois ou mais
partes condutoras forçando a diferença de potencial elétrico entre elas a ser igual ou próximo
de zero.
- Corrente de curto circuito: Corrente resultante de um curto circuito num sistema
elétrico.
- Corrente de pico de curto circuito (Ip): Valor máximo instantâneo atingido pela
corrente de curto circuito disponível. Nota-se que o valor do pico varia de acordo com o
momento que o curto circuito ocorre. O calculo do pico do curto circuito trifásico é feito de
modo a gerar o maior valor possível. Curtos circuitos sequenciais não são considerados.
- Corrente simétrica inicial de curto circuito (Ik′′): Valor r.m.s da componente
simétrica de corrente alternada da corrente de curto circuito disponível no momento da falta.
56
Figura 22 - Corrente de Curto-Circuito
5.2.2. Simplificações
Mesmo essas considerações não sendo sempre verdadeiras para os sistemas de
potência considerados, os resultados calculados atingem os objetivos com precisão adequada.
Durante o curto circuito não existe mudança em seu tipo. Se um curto circuito trifásico
ocorrer ele se manterá sendo um curto circuito trifásico durante o tempo estudado.
Não ocorre nenhuma alteração na configuração da rede durante o curto circuito.
A resistência de arco não é levada em consideração.
Todas as capacitâncias de linha, admitâncias shunt e cargas não motóricas, com
exceção do sistema de sequência zero, são negligenciadas.
5.2.3. Grupos de motores de baixa tensão
57
Geralmente esses motores são diferentes entre si e são conectados ao barramento por
cabos de diferentes comprimentos e bitolas. Para a simplificação do cálculo, pode-se usar um
equivalente motórico que desconsidera os cabos e utiliza dados típicos para as características
do motor. A instalação estudada possui mais de cem motores o que torna o ato de inserir os
dados de todos eles individualmente algo muito trabalhoso. Sabendo-se que os resultados
mantém boa precisão com a utilização de equivalentes, os mesmos se tornam uma ótima
opção.
Figura 23 - Representação dos Grupos de Motores
Para esse equivalente serão usados:
𝐼𝑙𝑟 𝐼𝑟𝑚⁄ = 5
𝑅𝑚 𝑋𝑚⁄ = 0,42
58
𝑃𝐹 = 0,85 𝑒 η = 0,95
𝑍𝑚 =1
𝐼𝑙𝑟 𝐼𝑟𝑚⁄.
𝑈𝑟𝑚
√3𝐼𝑟𝑚
Sabendo-se que Irm é a corrente nominal do grupo de motores, pode-se considera-la
igual ao somatório das correntes nominais dos motores.
5.2.4. Inversores de frequência
Os inversores de frequência não regenerativos são considerados cargas não motóricas,
já que não contribuem para o curto-circuito, logo serão desconsiderados nesse método.
5.2.5. Método de Cálculo
O método de cálculo de curto circuito da norma IEC 60909 é baseado na introdução de
uma fonte de tensão equivalente no local da falta. Essa fonte será a única fonte ativa de tensão
do sistema. Todos os alimentadores, motores síncronos e não síncronos são substituídos por
suas impedâncias internas.
Em todos os casos é possível determinar a corrente de falta com a ajuda de uma fonte
de tensão equivalente. Informações como tap de transformadores, carga dos consumidores,
excitação dos geradores e diferentes estudos de fluxo de carga são supérfluos para esses
cálculos.
No exemplo abaixo é mostrado como se calcular as correntes de curto de um sistema
com uma falta no ponto F. É introduzida uma fonte de tensão no ponto da falta e todas as
59
outras fontes ativas de tensão são ignoradas. Como visto anteriormente as cargas não
motóricas são ignoradas e os alimentadores são representados somente pela sua impedância
interna. O fator multiplicativo c é escolhido de acordo com a tabela abaixo.
Figura 24 – Sistema Durante a Falta
Figura 25 - Sistema Equivalente Usado para o Calculo da Corrente de Curto-Circuito
60
Figura 26 - Tabela para Escolha do Fator Multiplicativo C
5.3. Realização do Estudo de Curto circuito
Para realização desse estudo se utilizou o software Power Tools for Windows, usando
a norma IEC 60909 como base. O fator multiplicativo C usado foi 1,1 de maneira a obtermos
valores mais conservativos, seguindo a tabela da figura 26. Esse estudo será realizado para as
condições de operação L e H. Para o cálculo do valor de curto circuito no barramento de
11KV, será considerado o Is-Limiter acionado, de forma que o TIE será considerado aberto
nesse caso e os quatro geradores foram considerados em operação.
O base do modelo computacional utilizado para o sistema foi o mesmo do estudo de
fluxo de potência, sendo necessária a adição de outros dados, como demostrado nas figuras
61
abaixo. Todos esses dados foram retirados de folhas de dados de máquinas reais. A razão
FLA/LRA significa Full Load Current e Locked Rotor Current, corrente de carga máxima
sobre corrente de rotor bloqueado respectivamente. Essa razão mostra como o motor de
indução irá contribuir para o curto circuito.
Figura 27 - Dados referentes aos geradores
Figura 28 - Dados referentes aos motores de indução
62
5.4. Resultados
Essa primeira tabela contém os resultados dos valores encontrados para a corrente
simétrica inicial de curto circuito. São apresentados os valores para a operação em H e em L.
A coluna Comparação mostra o maior valor encontrado, contando os dois modos de operação.
Operação em L Operação em H Comparação
PNL01A 32,53 33,28 33,28
PNL01B 31,96 31,43 31,96
PNL03A 38,09 32,99 38,09
PNL03B 38,11 32,77 38,11
PNL04A 44,36 37,35 44,36
PNL04B 44,39 34,64 44,39
Tabela 12 - Corrente Simétrica Inicial de Curto-Circuito
Nessa segunda tabela vemos os valores para corrente de pico de curto circuito. Como
na primeira tabela a quarta coluna mostra o maior valor obtido da comparação das duas
primeiras colunas.
Operação em L Operação em H Comparação
PNL01A 82,63 84,31 84,31
PNL01B 80,83 79,59 80,83
PNL03A 93,82 80,85 93,82
PNL03B 92,44 80,58 92,44
63
PNL04A 104,47 88,34 104,47
PNL04B 104,04 83,29 104,04
Tabela 13 - Corrente de Pico de Curto-Circuito
Com esses resultados foram feitas as especificações para os barramentos de acordo
com o seu nível de curto-circuito simétrico e de pico.
Ik'' Ip
PNL01A 40 KA 84 KA
PNL01B 40 KA 84 KA
PNL03A 40 KA 100 KA
PNL03B 40 KA 100 KA
PNL04A 50 KA 110 KA
PNL04B 50 KA 110 KA
Tabela 14 - Valores Nominais de Curto-Circuito para os Painéis
Pode-se perceber que nesse caso não foi considerado aumento de carga e no PNL 01 o
valor nominal é inferior ao calculado. Isso se deve ao fato do valor calculado ser
extremamente conservativo. Não esta sendo considerado nenhum dos cabos, o que aumenta o
nível de curto-circuito do sistema.
64
6. Partida de motores
6.1. Introdução
Esse capítulo irá discutir os benefícios obtidos pelos estudos de partida de motores, os
problemas que a partida de motores pode ocasionar, como foi realizado esse estudo na planta
industrial em questão e os resultados serão apresentados e discutidos.
6.2. Problemas possíveis
Motores em ambientes industriais estão se tornando cada vez maiores, algumas vezes
sendo considerados grandes até mesmo em comparação com a carga total dos sistemas de
potência industriais. A partida de um grande motor pode causar perturbações nas cargas
conectadas próximas e distantes a ele [15].
6.3. Queda de tensão
O efeito mais crítico da partida de motores é a queda de tensão que os sistemas de
potência industriais sofrem como uma consequência direta.
Essa queda de tensão diminui consideravelmente o torque de aceleração, já que o
mesmo depende da tensão disponível no barramento em função quadrática e do torque
exercido pela carga, que só é função da velocidade. Com isso aumentando o tempo de partida
de um motor e às vezes o desempenho de sua partida como um todo.
65
Figura 29 - Curva Torque x Velocidade
Nesse gráfico pode-se observar diversas curvas representando o torque em relação a
velocidade para diferentes tensões terminais dos motores de indução. A curva Fan Load
representa o torque exercido pela carga que só varia com relação a velocidade. Esse gráfico
ilustra a relação entre tensão terminal e curva de torque exposto à cima.
A queda de tensão admissível para a partida é diretamente relacionada com o motor e
suas características de torque e carga. Esses requisitos podem variar de 80%-95% da tensão,
dependendo do tipo de motor. Além da tensão deve-se verificar o tempo de partida, já que os
outros motores terão um menor torque durante esse intervalo de tempo.
Problemas mais graves podem ser causados pela diminuição da tensão no sistema
devido à partida de motores. Outros motores que estão funcionando normalmente no sistema
irão desacelerar devido à queda de tensão. Essas máquinas tem que ser capazes de acelerar
novamente após o motor que está partindo atingir o seu regime permanente. Quando essa
queda de tensão é muito acentuada, pode-se ter um motor em funcionamento excedendo o seu
Break-down torque (quando o torque exercido pela máquina é igual ao torque da carga) e isso
pode causar uma desaceleração significativa, podendo chegar até a parar antes que a partida
termine. Esses motores que estão desacelerando acabam demandando uma corrente maior que
66
a nominal e com isso contribuindo com a queda de tensão. Esse efeito dominó pode levar a
perda de todas as cargas e do sistema como um todo. Deve-se manter em mente que muitas
instalações industriais possuem protocolos de religamento e algumas podem demorar até dias
para voltar ao seu funcionamento normal, logo esse desligamento forçado pode gerar muitas
perdas econômicas.
Além do efeito nos outros motores, a queda de tensão afeta componentes eletrônicos,
equipamentos de controle sensíveis e provoca flutuações na iluminação. Os limites de tensão
dos equipamentos devem ser obtidos com os seus devidos fabricantes para assegurar o seu
funcionamento pleno mesmo nessas condições adversas.
O sistema estudado não possui ligação com o SIN, funcionando com geração própria e
limitada. Isso pode intensificar os problemas com a partida de motores, especialmente quando
motores muito grandes estão envolvidos. Esse problema é agravado devido à alta impedância
dos geradores locais. O tipo de controle de tensão utilizado pelo(s) geradores terá grande
influencia nos resultados do estudo de partida de motores. Felizmente, com os adventos
tecnológicos existentes hoje em dia, esses estudos podem ser realizados com simuladores que
levam em consideração o controle usando pelos geradores, criando modelos precisos dos
sistemas.
67
Figura 30 - Tensão Terminal do Gerador x Tempo
O gráfico a cima mostra o comportamento da tensão terminal de um gerador, com
diferentes sistemas de controle, em resposta a uma perturbação. Sem regulador, sua tensão
despenca e é perdido o sincronismo, logo o gerador não volta ao valor regime anterior. Com
um regulador lento, a tensão demora quase 2 segundos para voltar ao regime permanente,
apresenta um grande vale e oscilações. A linha pontilhada que mostra um sistema de controle
de resposta rápida. Esse regulador possui um tempo de acomodação inferior aos outros
controladores e apresente menos oscilações.
6.4. Realização do Estudo
O estudo de partida de motores foi realizado com um módulo do programa Power
Tools for Windows da SKM chamado TMS, Transient Motor Starting. Esse programa permite
que seja utilizado o modelo criado para os estudos de curto-circuito e fluxo de carga,
68
necessitando somente de algumas informações dinâmicas sobre os motores estudados e os
geradores ou fontes de potência.
Essas informações foram retiradas de folhas de dados de equipamentos elétricos
similares que foram utilizados em projetos anteriores. É importante ressaltar que esses dados
são atualizados já que foram retirados de projetos que ocorreram há menos de 1 ano, com o
objetivo de dar veracidade ao presente trabalho.
Nesse estudo iremos estudar a partida direta do maior motor, ligado diretamente ao
barramento de média tensão. Esse motor possui uma potencia de 14 MW e serão considerados
somente três geradores de 25 MW ligados e o sistema estará funcionando em H, operação
normal. A norma IEEE 399 recomenda fazer um estudo de partida de motores para todo
motor que exceder entre 10-15% da capacidade dos geradores em KVA. Como o motor possui
fator de potência 0,89 e os geradores 0,8, pode-se obter a sua potência em KVA pela equação
abaixo:
14 𝑀𝑊
0,89= 15,73 𝑀𝑉𝐴
Para poder efetivar a comparação, deve-se calcular a potência de geração do sistema
elétrico com três geradores em funcionamento.
3 ∗25 𝑀𝑊
0,8= 93,75 𝑀𝑉𝐴
Agora, efetivando a comparação:
69
15,73 𝑀𝑉𝐴
93,75 𝑀𝑉𝐴= 16,7%
Logo esse estudo é realmente necessário, já que esse valor excede os 15% definidos
pela norma.
Dando continuidade a inserção de dados, o motor foi modelado graficamente no
software.
Figura 31 - Modelo Gráfico de Motor
A linha vermelha representa a corrente do motor em relação à velocidade do mesmo
em porcentagem, a linha verde representa o torque gerado pelo motor, quando ele se encontra
com uma tensão terminal de 1 p.u., e a linha azul representa o fator de potência. Como
esperado observa-se que a corrente aumenta drasticamente e o torque diminui quando a
velocidade do motor diminui. Esse motor possui velocidade nominal de 1800 RPM. Também
70
se pode observar que a corrente de partida do motor é relativamente baixa, quatro vezes a
nominal, comparada a corrente padrão de um motor de indução que é 6 a 8 vezes a nominal.
Figura 32 - Modelo Gráfico da Carga
Nota-se que a carga, como esperado, se mantem abaixo do torque nominal, chegando a
ter no máximo 16% do torque nominal do motor, 59100 Newton-Metro.
O gerador foi modelado de forma completa, desde suas constantes intrínsecas até seus
controles. Abaixo, estão representados telas do software utilizado que ilustram a modelagem
do gerador.
71
Figura 33 - Constantes intrínsecas do Gerador
Figura 34 - Controle da excitatriz
A excitatriz possui como objetivo o controle da tensão de saída do gerador. É usado
um controle realimentado do tipo proporcional, integral e derivativo. Esse tipo de controle
possui uma boa resposta transitória, graças a sua parte derivativa, e permite que o erro de
regime permanente seja sempre zero, por causa de sua parte integral.
O modelo do governer, por ser muito mais lento que a excitatriz não foi modelado
com a mesma exatidão. Foi usado um modelo padrão do banco de dados do software
intitulado “Simple Gas Turbine Governer”.
72
6.5. Resultados.
A simulação levou em conta que o motor de 14 MW estudado partiu no primeiro
segundo de simulação de forma direta. Assumiu-se que os geradores estavam operando com o
objetivo de manter a barra de média tensão PNL-01 com tensão de operação de 1,02 , para
facilitar a partida de grandes motores.
Figura 35 - Gráfico de Velocidade x Tempo
Na figura 35 pode-se ver como a velocidade do motor se desenvolve no tempo. O
motor parte no primeiro segundo e atinge sua velocidade final por volta do quarto segundo.
Um tempo de aceleração de aproximadamente 3 segundos é um bom resultado para um motor
de 14 MW em partida direta.
Figura 36 - Gráfico de Torque e velocidade x Tempo
73
Na figura 36, observa-se em cor vermelha, a curva do torque mecânico gerado pelo
motor e, em cor azul, a velocidade do mesmo. Comparando esse gráfico com as características
do motor percebe-se que os dois coincidem. O torque de partida é bem próximo de 0,5 p.u. e o
torque máximo, atingido próximo da velocidade síncrona, é próximo de 1,6 p.u. Além disso,
percebe-se que, como esperado, no estado permanente o torque do motor se iguala ao torque
da carga que é 0,16 p.u. Isso se deve ao fato da carga não estar mais acelerando e o somatório
dos torques ter que ser igual à zero.
Figura 37 - Gráfico de Corrente fornecida pelo gerador e Tensão no barramento de média x Tempo
Em cor vermelha esta a contribuição de corrente de um dos três geradores e em azul a
tensão no barramento de média tensão. Percebe-se que as duas grandezas variam em modulo
de maneira oposta, como esperado. Quando o motor parte, o gerador tem que suprir essa
maior demanda de corrente e a tensão cai. Por volta dos 4 segundos quando o motor termina a
sua partida, a demanda de corrente diminui e a tensão aumenta. Com isso o sistema se
encaminha para o estado permanente.
74
Figura 38 - Gráfico de tensão por tempo
Nesse ultimo gráfico pode-se observar a tensão do barramento de média tensão, em
azul, e a tensão do painel de baixa CDC2A, em vermelho. Esse resultado foi produzido com o
objetivo de mostrar como estariam reagindo os painéis de baixa, já que por se encontrarem
mais distantes dos geradores normalmente possuem tensões menores. O painel CDC2A foi o
painel da instalação industrial que apresentou maior queda de tensão, logo foi o único painel
de baixa tensão representado. Observou-se que mesmo sem a utilização de TAP’s no
transformador a tensão não chegou ao limite inferior de 0,8 p.u.. É curioso notar que mesmo o
motor demorando somente 4 segundos para partir o seu efeito é sentido por quase 30
segundos. Comparando os resultados obtidos com a tabela abaixo retirada da IEEE 399 sobre
mínima tensão permitida nos terminais, percebe-se que o motor deve partir sem causar
grandes problemas para o resto do sistema.
Tabela 15 – Mínima Tensão Permitida nos Terminais dos Motores
75
7. Conclusão
O presente trabalho teve como foco introduzir um tipo de instalação industrial e
propor melhorias ao seu sistema elétrico. Com a finalidade de ilustrar o sistema elétrico
dessas instalações industriais, foram apresentadas suas peculiaridades e alguns dos
equipamentos elétricos utilizados. Essa apresentação foi de suma importância para que as
mudanças propostas e estudos elétricos fossem compreendidos pelo leitor.
Depois de apresentadas, as mudanças propostas foram modeladas no software de
engenharia SKM-Power Tools for Windows para que fossem realizados estudos de fluxo de
cargas, curto-circuito e partida de motores. Esse software se mostrou uma ferramenta
extremamente eficiente, apresentando resultados condizentes e de maneira rápida e prática.
Além de uma ferramenta bem completa, já que se pode realizar todos os estudos na mesma
plataforma sem a necessidade de retrabalho para a introdução dos dados.
Com os estudos de curto circuito e fluxo de potência em mãos pode-se dimensionar
diversos equipamentos elétricos e averiguar se os mesmos existam no mercado tornando
possível a realização desse projeto sem que exista a necessidade de se encomendar
equipamentos sob medida, o que pode encarecer demais o projeto fazendo com que o mesmo
não seja vantajoso. Felizmente, todos os equipamentos dimensionados podem ser encontrados
no mercado.
O estudo de partida de motores foi feito somente para o maior motor do sistema
industrial já que se considerou que o mesmo era o que apresentava maior criticidade. O
sistema elétrico respondeu bem a partida do mesmo, sem exceder os limites apontados pela
norma utilizada. É valido ressalta que esse estudo considerou os outros motores como cargas
de potência constante. Nas etapas mais avançadas do projeto devem-se modelar os maiores
motores de baixa tensão e todos os motores de média tensão através de suas curvas
76
características: fator de potencia x velocidade, torque x velocidade, corrente x velocidade e
torque da carga x velocidade. Com isso pode-se analisar a influência da partida do motor em
questão nos outros motores. Além disso, na fase de detalhamento deve-se repetir esse mesmo
estudo para todos os maiores motores em diversas condições de operação que devem ser
sinalizadas pelo setor que irá lidar diretamente com a operação.
Para continuidade do projeto pode-se destacar a necessidade de um arranjo dos
equipamentos, o que irá determinar o comprimento dos cabos. Com o comprimento dos
cabos, serão calculadas as bitolas e quantidade de condutores em paralelo para que a queda de
tensão esteja dentro dos limites pretendidos. Esses valores devem ser adicionados ao modelo
do sistema e o estudo de fluxo de potência deve ser repetido em diversas condições de
operação para a determinação dos TAP’s dos transformadores e verificação das quedas de
tensões nos barramentos. Deve-se dar importância extra a tensão nos terminais dos motores
para que não existam problemas nos futuros estudos de partida de motores.
Os estudos de curto-circuito e partida de motores devem ser refeitos com as novas
informações provenientes do amadurecimento do projeto. A norma IEEE 399 também
recomenda que sejam realizados estudos de análise de harmônicos, estudos de estabilidade,
estudos de coordenação e seletividade da proteção e estudos de transitórios eletromagnéticos.
Por fim, pode-se perceber que com as modificações propostas o sistema se comportou
bem na etapa de projeto básico e essas modificações devem ser estudadas mais a fundo, já que
levarão a uma redução no capital necessário para projeto. Essas economias são principalmente
provenientes do aumento da tensão na baixa tensão que diminuirá o gasto com os cabos, visto
que os cabos representam a maior parte do custo da parte elétrica de uma instalação industrial
e eliminação de dois transformadores de grande porte.
77
8. Referencias Bibliografias
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CIRCUITO COM ÊNFASE NO IPC,” COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ - Brasil, 2005.
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http://cobei-sc-31-atmosferas-explosivas.blogspot.com.br/. [Acesso em 10 12 2015].
[13] L. P. Isidoro, “Estudos Elétricos para um Sistema Industrial de uma Unidade de Produção
Offshore,” UFRJ, Rio de Janeiro - Brasil, 2006.
[14] International Electrotechnical Comission, “Short-Circuit in Three Phase AC Systems,” em IEC
60909, International Electrotechnical Comission, 1988.
[15] IEEE, “Motor-starting studies,” em IEEE Std 399-1997, IEEE Recommended Practice for Industrial
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