Principais Desafios de Projeto Elétrico em Usinas Modernas: Visão Abrangente

Casa de força, central elétrica, e usina de geração elétrica são todos nomes comuns usados por usinas. Usinas são essenciais para a vida moderna cotidiana. Não haveria televisão, internet, eletricidade, e nem luzes. Geração de energia existe desde o final de 1800, onde água de um lago era usada para alimentar dínamos Siemens. A eletricidade suprida alimentava luzes, aquecimento, produzia água quente, rodava um elevador assim como dispositivos poupadores de trabalho e prédios de fazenda.

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Uma usina é uma instalação industrial para geração de energia elétrica. Cada usina pode conter numerosos geradores para converter potência mecânica em energia elétrica. O nível de engenharia requer múltiplas considerações antes mesmo de imaginar implementação. Quais são alguns dos problemas de projeto elétrico de usina enfrentando instalações hoje? E quais são algumas soluções comuns do dia a dia que ajudaram a remediar estas questões?

Instalação de Geração de Usina

Até recentemente, o objetivo principal de sistemas elétricos era garantir operação ininterrupta da iluminação de uma instalação, processo, e sistemas ambientais. Este modelo muito simples foi derivado durante o início do século XX, quando consumo de energia era primariamente de cargas lineares. Em anos recentes, cargas não-lineares como motores de velocidade variável, controladores lógicos programáveis e outros equipamentos elétricos tornaram-se a norma.

Comparado com cargas lineares, estas cargas não-lineares são muito mais sensíveis a sobretensão, subtensão, e outras perturbações que sempre existiram na linha de energia da concessionária. Tais perturbações de rotina podem causar problemas variando de mau funcionamento menor de equipamento a desligamentos caros de sistema e dano a equipamento. Adicionalmente, dispositivos não-lineares podem criar suas próprias perturbações de energia, que podem causar problemas em outras partes da instalação da usina e podem retroalimentar no sistema de distribuição da concessionária.

O aumento da dependência em cargas não-lineares adicionou novos objetivos ao projeto de sistema elétrico. Enquanto o suprimento garantido de energia permanece crucial, questões de confiabilidade e qualidade de energia estão se tornando primordiais, e requisitos de capacidade aumentaram. Adicionalmente, a necessidade continua de controlar uso de energia e custo para permanecer competitivo. Diante destes desafios, engenheiros elétricos devem avaliar o risco de experimentar problemas de confiabilidade e qualidade de energia e avaliar o impacto econômico de problemas e implementar um programa de gerenciamento de risco custo-efetivo.

Suprimento de Energia Confiável

Um suprimento de energia confiável é aquele que entrega eletricidade suficientemente para servir a carga de uma instalação no grau de qualidade de energia desejado, e que fornece energia suficiente durante restrição ou outras condições de emergência para garantir segurança de pessoal e proteção de processos cruciais e equipamentos de processo.

Projeto elétrico de usina que pode antecipar requisitos de carga demandados pela instalação raramente é próximo do ideal. É necessário para engenheiros de usina conduzirem um perfil de carga da instalação. O perfil fornecerá à equipe de gerenciamento um entendimento completo de como o consumo elétrico da instalação varia por intervalo de tempo desejado. Um método para identificar padrão de carga de serviço elétrico é conduzir análise através de gráficos de demanda. Ou alternativamente utilizar sistemas de medição para transmitir dados com informação durante tempos de uso de pico. Instrumentação é essencial para monitorar continuamente sistemas elétricos e informar operadores de seu desempenho e eficiência.

Suprimento de Energia Não Confiável

Qualidade de Energia

Em termos de qualidade de energia, serviço de concessionária convencional não é 100% confiável. Para alguns clientes de concessionária dispostos a pagar prêmio, o suprimento de energia pode ser tornado mais próximo de 100% confiável. Mesmo neste nível mais alto de confiança, pode ser necessário para alguns usuários fornecer sistema de condicionamento de energia interno.

Apesar do uso de diagnósticos e medidas preventivas por engenheiros de usina, interrupções inesperadas e outras falhas ocorrem. Em tais situações, um sistema elétrico de usina bem gerenciado fornece energia de emergência, pelo menos o suficiente para permitir desligamento de equipamentos.

Energia de backup pode ser suprida por geradores auxiliares ou um dispositivo conhecido como fonte de alimentação ininterrupta (UPS). Em um número crescente de usinas, pode ser economicamente viável fornecer geração de energia no local através de um sistema de cogeração. Sistemas de cogeração utilizam combustíveis residuais ou comprados para gerar energia e recuperar calor desperdiçado.

Fonte de Alimentação Ininterrupta

Fontes de Problemas de Qualidade de Energia

Mesmo que hoje concessionárias usem hardware e software avançados em suas subestações e em seus sistemas de distribuição, perturbações de energia ocorrem. Estas podem resultar de:

• Faltas de transmissão
• Faltas de chaveamento do sistema de distribuição
• Raios
• Operação simultânea de equipamentos

Em muitos casos, as perturbações podem ser rastreadas a problemas de fiação e aterramento dentro da própria usina. Perturbações comuns são interrupções, subtensão, sobretensão, picos, quedas, surtos, ou ruído. Estas perturbações podem variar em duração de interrupções sustentadas durando várias horas a surtos durando apenas alguns microssegundos, e indiscerníveis para engenheiros de usina.

Raios Causando Problemas de Qualidade de Energia

Equipamentos elétricos mais antigos como motores, solenoides, e controles eletromecânicos são largamente não afetados por perturbações de curta duração. No entanto, equipamentos eletrônicos de estado sólido são de longe os mais suscetíveis a uma ampla gama de perturbações. Esta vulnerabilidade vem da forma como dispositivo eletrônico consome a energia de corrente alternada (CA) suprida a ele. Dispositivos eletrônicos que são incapazes de converter energia CA em energia de corrente contínua (CC), podem ter problemas incluindo:

• Interrupção do dispositivo
• Erros de dados
• Perda de memória
• E até desligamentos

No pior cenário, alguns dispositivos podem sustentar danos.

Considerações para Corrigir Problemas de Qualidade de Energia

Existem vários tipos de remédios disponíveis para proteger equipamentos de estado sólido, sensíveis a energia, de perturbações de energia; a maioria são simples e baratos. Adicionalmente, perturbações podem ser prevenidas completamente condicionando o suprimento de energia para suavizar forma de onda senoidal (Detalhes Aqui). Como equipamento de condicionamento de energia é caro, é mais adequado apenas para aquelas aplicações requerendo o mais alto grau de energia.

• Fiação e Aterramento
  Aproximadamente 80% dos problemas de qualidade de energia em instalações comerciais e industriais podem ser rastreados a problemas com aterramento impróprio, fiação inadequada, conexões frouxas, e acúmulo de poeira e sujeira de práticas ruins de manutenção. A importância de um bom aterramento de baixa resistência não pode ser superestimada, especialmente desde que sistemas de estado sólido dependem do aterramento para uma referência para operar e para dissipar energia perdida que poderia causar dano se deixada no circuito. Esta é uma medida de prevenção de baixo custo para problemas de qualidade de energia.
• Circuitos Dedicados
  A maioria das perturbações de energia na forma de ruído são geradas dentro da própria usina. Como resultado, um método efetivo de proteger equipamentos cruciais ou altamente sensíveis é localizar o equipamento em seu próprio circuito isolado para protegê-lo de perturbações de energia causadas por outros equipamentos em proximidade.
• Supressor de Pico
  Supressores de pico reduzem a amplitude de picos de tensão a níveis seguros e podem eliminar muitas mudanças súbitas em tensão. Eles são os dispositivos de proteção mais simples e menos caros; no entanto, sua capacidade depende da qualidade do supressor comprado.
• Transformadores de Isolamento
  Transformadores de isolamento filtram ruído elétrico e distorção de outros equipamentos no local ou energia de entrada. Eles não podem, no entanto, proteger contra outros tipos de perturbações como picos e surtos.
• Reguladores de Tensão
  Reguladores de tensão mantêm tensão relativamente constante protegendo contra surtos e quedas através de meios mecânicos ou elétricos. Esta opção é mais cara que as listadas acima, mas está no ponto médio do espectro de custo para dispositivos de melhoria de energia.
• Fonte de Alimentação Ininterrupta (UPS)
  Um UPS protege contra interrupções de energia de curto prazo e perturbações de energia externas. Sistemas UPS tipicamente consistem de retificador/carregador, banco de baterias, inversor estático e chave de bypass automático ou manual. Oferece proteção contra todos problemas de qualidade de energia, incluindo interrupções momentâneas. Proteção contra interrupções sustentadas é limitada ao tamanho do banco de baterias. UPS não protege contra transientes, quedas, inchaços, ou outras anormalidades.

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