Resolvendo problemas com qualidade de energia (Tensão/Frequência) – o que são e como corrigi-los

Com a crescente demanda por energia elétrica sendo a matéria prima para diferentes processos, é de vital importância manter a qualidade na mais elevada possível.

Certos distúrbios ocasionados pela rede elétrica provocam perdas inesperadas em diferentes processos, ocasionando prejuízos inesperados e perdas financeiras, onde algumas ações podem mitigar estas falhas, permitindo assim a elevada qualidade no processo.

A contínua e crescente demanda por microprocessadores, controles de processos, equipamentos médicos, assim como a demanda da indústria moderna cada vez mais automatizada, tornam diferentes processos sensíveis a eventos de qualidade de energia como interrupções, spikes, sags, swells, surtos, distorções, entre outros diversos eventos.

Como resultado destes eventos, por exemplo, podemos citar o evento conhecido como “Sag”, ou afundamento no nível de tensão, que ocasionam diversas anomalias em equipamentos eletroeletrônicos e, por fim, resultando em falhas inesperadas.

Tal evento ocasiona danos a equipamentos e má-quinas por anomalias em circuitos eletrônicos de controle, ocasionando sobrecargas internas dos componentes e por fim a completa falha.

Muitas vezes alguns segundos de um evento de afundamento, pode ocasionar horas ou dias de perdas e paradas inesperadas do processo.

Parte deste problema é ocasionado pelo sistema de transmissão, devido a inúmeras causas, como alta demanda de cargas consumidoras em certo período, elevadas cargas que demandam alta energia em um curto espaço de tempo, processos industriais pesados, como alto fornos, motores elétricos em partida, grandes resistências etc. Solução para este efeito seria aumentar a capacidade de energia produzida, mas trata-se de investimento em mais fontes produtoras como hidrelétricas, termoelétricas, eólicas ou solares, que dependem de altos investimentos e elevados períodos para implantação.

Existem ainda eventos ocasionados por eventos naturais, como ventos, tempestades, que podem ocasionar quedas de árvores nas linhas de transmissão, que possibilitam a queda da impedância de isolação e por consequência, possíveis desligamentos inesperados. Ainda existem outros eventos externos como acidentes em postes de distribuição e durante escavações ou obras, dentre outras possibilidades como impacto de animais em linhas energizadas no campo, vandalismo etc.

Como vemos, são diferentes fatores susceptíveis a falhas, sendo internos ou externos às instalações elétricas.

Para exemplificar e demonstrar o tema deste artigo, vamos tratar e esclarecer os possíveis efeitos de eventos de afundamento ou “Sag” onde vamos tratar desde aqui como apenas afundamento de tensão.

Efeito de um afundamento de tensão

O efeito de um evento está relacionado ao tempo de duração e nível de afundamento ou magnitude do evento, além da sensibilidade do equipamento que está sendo alimentado. Muitos equipamentos eletrônicos estão preparados para suportar estes efeitos, mas outros são afetados pela tolerância reduzida nos níveis de tensão como, variadores de velocidade, robôs, contatores, servidores de dados, fontes de alimentação diversas, controladores programáveis, sistemas de controle médico, como ressonâncias magnéticas, tomógrafos, onde estes efeitos podem ser críticos, ocasionando completa perda de processo e muitas horas ou dias de prejuízos incalculáveis.

Outro efeito ocasionado seria a redução da vida útil dos equipamentos, onde tais condições afetam a qualidade dos componentes eletro eletrônicos e por consequência reduzem sua vida estimada.

Para melhor detalhar como este evento está presente em nosso sistema elétrico, diariamente ocorrem afundamentos na ordem de 90% a 75% da capacidade nominal em tensão e muitos tem duração na casa de milissegundos ou segundos e como informado teriam causas internas e externas.

Efeito da completa interrupção de energia

As mesmas causas que ocasionam um afundamento de tensão, podem ocasionar completa interrupção, que ocorre pela maior demanda de energia, acima da capacidade do sistema e por consequência, o completo desligamento por proteção ou falta de energia por falha no sistema de alimentação. Neste caso, antes da ocorrência do desligamento, podem ocorrer eventos de longa duração com elevação ou afundamento do nível de tensão, que por consequência podem danificar os equipamentos eletroeletrônicos que estavam em atuação. Além do evento relacionado, nesta situação ocorrem ainda eventos de distorção de frequência, que ocasionam efeitos similares aos expostos.

Exemplos de soluções para mitigar estes efeitos

Como visto, temos diversos eventos relacionados à energia elétrica aplicada e diversos eventos são ocasionados por fatores externos. Neste ponto, é necessário adotar algumas alternativas internas para proporcionar uma melhor qualidade de energia para o sistema interno. Diversas soluções podem ser aplicadas para mitigar os eventos expostos acima. Uma destas seria a aplicação de fornecimento de energia backup, onde uma fonte alternativa de energia torna-se necessária para esta finalidade.

Abaixo algumas causas e efeitos para diversos tipos de anomalias da rede elétrica, onde na sequência vamos abordar ações para mitigá-los.

Aplicação de sistemas de energia para contingência ou backup

Para a contenção ou eliminação das falhas ocasionadas pelos eventos descritos, existem uma serie de soluções de backup disponíveis que reduzem ou eliminam tais ocorrências. Uma série de diferentes soluções podem ser aplicadas como sistemas de energia ininterrupta, geradores a diesel o gás, sistema de geração solar com inversores e baterias, entre outros. Estes sistemas podem proporcionar alimentação contínua e ininterrupta em eventos de perda/falha da concessionária de energia ou ainda internos a instalação elétrica.

Sistemas de energia ininterrupta ou conhecidos desde aqui como UPS, oferecem uma ampla variedade de proteção, elevando assim a segurança da operação e ainda eliminando uma série de ocorrências provocadas por tais falhas e assegurando a operação contínua do sistema elétrico. Vale enfatizar que a UPS se comporta como uma barreira entre a rede elétrica e a carga, mantendo continuamente a energia que alimenta a carga totalmente estável e segura.

O termo chamado de dupla conversão, artifício que está disponível na construção eletroeletrônica de um sistema UPS, visa converter a energia elétrica de Alternada (CA) para Contínua (CC), proporcionando assim energia estável e controlada, onde após este primeiro estágio filtro, novamente converte-se a energia para Alternada (CA) para alimentar a carga em modo estabilizado.

Ainda vale enfatizar, assim como o diesel para sistemas de geração, a UPS pode operar em conjunto com baterias de diversos tipos e construções, que neste caso seriam o combustível e backup contra as falhas da rede elétrica.

Combinando soluções para ampliar a performance

UPS e geradores são concorrentes usuais, mas são soluções que em cooperação, atendem a um sistema crítico completo e ampliam a segurança.

A UPS tem atuação online e contínua proporcionando alimentação ininterrupta e segura para o sistema elétrico, eliminando falhas que o sistema elétrico poderia ocasionar para a carga, e mantendo neste caso tensão e frequência estabilizada para a carga todo o tempo.

Geradores possuem opção de configuração stand by, ou seja, ficam no aguardo da ocorrência de uma falha, onde a partir de um evento de ausência de energia, entre 3 a 5 segundos, a partida é acionada, após alguns segundos necessários para a estabilização, ele assume a carga. Todo o processo pode levar de 15 a 60 segundos em média, onde neste período a carga ficaria sem alimentação.

Por este motivo, a UPS em aplicação conjunta com o gerador, visam uma solução completa e complementar. Esta lacuna de energia durante o período de acionamento do gerador, a UPS mantém a carga estável e segura.

UPS como soluções sem pontos únicos de falha

A construção eletroeletrônica da UPS permite diferentes soluções sendo elas conhecidas como singelas ou “standalone” e “modulares” com diferentes possibilidades de aplicação. Ambas permitem a configuração conhecida como paralelo redundante, sendo aplicada para aumentar a disponibilidade de energia, mesmo em condições de falha em quaisquer circuitos internos da UPS. A ideia seria duplicar as UPS, onde dois sistemas atuariam em conjunto, ampliando a segurança em caso de falhas.

Já a solução modular permite o mesmo conceito, mas otimizando espaço e potência do sistema, ou seja, potência por m2 reduzida.
Uma das vantagens seria esta redundância ser implantada dentro do mesmo gabinete, onde externamente aparenta ser um único sistema, mas internamente comporta-se como um sistema paralelo redundante.

Atrelado ainda a solução modular, existe a construção de alguns modelos para otimização desta redundância, ou seja, não existência de ponto único de falha. Neste caso todos os circuitos internos são duplicados, assim ampliando a segurança da solução e por consequência ampliando a disponibilidade de energia. Este conceito é conhecido como Arquitetura Redundante Descentralizada, que será tratada mais adiante. Vale lembrar que a solução modular permite uma fácil e amigável manutenção do sistema, pois usualmente os módulos podem ser extraíveis e inseridos com o sistema em funcionamento, assim permitindo maior disponibilidade de energia, menor tempo de reparo e resultando assim em um sistema mais seguro.

Eficiência energética em sistema UPS

Outra importante informação em relação a aplicação de UPS em sistemas críticos está relacionado a eficiência energética. De acordo ao percentual de carga, a diferença de consumo pode equivaler a aquisição de outra UPS de mesma potência após a utilização em apenas alguns anos. Com a implementação de semi-condutores de última geração, é possível alcançar a máxima eficiência energética, mesmo em modo dupla conversão ou como conhecido, on-line.
Ainda vale lembrar que uma solução mais eficiente, contribui para a redução de climatização da infraestrutura, também por consequência reduzindo custos com energia elétrica e contribui para a redução de emissões de CO2 de acordo a solução de energia backup implantada.

Soluções Inteligentes para sistemas críticos

A ABB possui em seu portfólio diferentes famílias de produtos para atender as mais diversas necessidades. A solução modular possui tecnologia patenteada com o conceito de Arquitetura Paralela-Redundante Descentralizada, conhecida como DPA, que permite uma solução sem pontos únicos de falha, ou seja, cada modulo UPS possui todos os sistemas necessários para operação independente dos demais. Em uma condição de falha, o os demais módulos continuam em operação sem nenhum risco a carga.

O sistema permite troca de módulos a quente, assim conhecido o sistema “hot-swappable”, que proporciona uma simples manutenção e maior disponibilidade do sistema.

Com a crescente disponibilidades de semicondutores mais eficientes, foi possível ampliar a faixa de potência neste portfólio desde 20kW até atualmente a 1500kW, com módulos que iniciam em 20kW e podem chegar até 250kW em um reduzido espaço para instalação.

A solução DPA S4 entrega alta capacidade de redundância, atingindo potência máxima por frame ou gabinete de até 300kW, divididos em módulos de capacidade de 50kW, entregando alta eficiência energética de até 97.4%. Ainda os gabinetes podem ser expandidos em paralelismo para soluções de até 1500kW de capacidade.

Solução Megaflex DPA

A solução Megaflex DPA ABB oferece ao mercado solução inovadora, com excelente disponibilidade e confiabilidade, proporcionado redução de espaço de instalação de até 45% em comparação a soluções tradicionais do mercado. Apesar da considerável redução do espaço de instalação, a solução foi desenhada para atender aos mais altos níveis de eficiência energética, atingindo eficiência em modo dupla conversão de até 97,5%, sendo uma das mais eficientes do mercado.

Esta iniciativa é suportada pela missão de emissão Zero da ABB, objetivo que reforça o compromisso em oferecer ao mercado de distribuição elétrica tecnologia eficiente, sustentável e confiável.

A facilidade de manutenção e operação torna-se simples com sua plataforma modular. Com as ferramentas de autodiagnóstico aprimorado, o risco de erro humano durante as fases de inicialização e manutenção do sistema são completamente eliminados. Um programa de manutenção preditiva permite maior tempo de operação e reduz as programações de serviço ao longo do ciclo de vida do produto.

Para mais informações sobre o produto, algumas características interessantes podem ser atingidas com a solução Megaflex DPA ABB:

• Sistema de distribuição de energia de alta eficiência em conformidade com os altos níveis de classificação em sistemas críticos como o Uptime Institute.
• Alta eficiência em modo dupla conversão entregando 97.4% e assim proporcionando maior redução de consumo de energia e por consequência redução dos custos de operação.
• Compatibilidade com diversas soluções de baterias do mercado, como Íons de lítio, Chumbo Acido, alcalinas, entre outras opções.
• Capacidade diversificada de redundância, como exemplos 1,000 kW N+1 e 1250 kW N+1
• Sistema de conectividade com protocolos de comunicação em SNMP, Modbus TCP/IP e RTU
• A solução Megaflex proporciona soluções de capacidade de até 6MW que atende plenamente os requerimentos conhecidos como “seis noves” com maior confiabilidade e disponibilidade de energia para sistemas Data Center e telecomunicações, por exemplo.

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Sobre o(a) autor(a)

Elson Dutra

Engenheiro eletricista, possui MBA em gestão de negócios e Projetos. Atua há mais de 20 anos no segmento de distribuição de energia elétrica, com experiência em projetos em sistemas críticos e proteção de sistemas elétricos. Responsável por sistemas de energia ininterrupta na ABB Eletrificação.
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