Como Inversores Respondem a Quedas de Tensão: Guia Prático de Interrupções

As redes públicas de eletricidade são geralmente confiáveis, mas sofrem perturbações. Obviamente, uma perda total de alimentação resulta na parada de todos os equipamentos elétricos, a menos que tenham uma fonte de backup como UPS e/ou gerador. Quando a energia retorna, os equipamentos reiniciam do estado desligado da forma como foram projetados. No entanto, existe uma classe de perturbações que toma a forma de interrupções curtas ou quedas de tensão onde o comportamento não é tão óbvio.

Quedas curtas de tensão não são incomuns. Podem ser causadas por faltas na rede desencadeadas por raios ou queda de objetos como árvores. Sempre que ocorre uma falta no sistema público de energia, uma queda de tensão se propaga do ponto da falta por todo o sistema. A proteção da companhia de energia desliga o circuito defeituoso em uma escala de tempo na região de 200 ms, após o que a energia recupera para a maioria dos consumidores, às vezes após várias tentativas por disjuntores de refechamento automático. No entanto, durante este tempo, os consumidores experimentam quedas de tensão de várias profundidades dependendo de sua distância elétrica da falta. Na indústria pesada, quedas de tensão também ocorrem ao partir grandes motores diretamente na rede.

É importante que equipamentos elétricos se comportem corretamente durante e após uma queda ou interrupção, questão facilmente negligenciada. O equipamento deve suportar uma queda curta ou rasa. Se isso não for possível, o comportamento correto depende da aplicação. Em algumas aplicações, o equipamento deve parar e aguardar reinício, seja manualmente para evitar perigo de partida inesperada, ou automaticamente mas sob controle coordenado para múltiplos motores. Outras aplicações precisam que o equipamento reinicie automaticamente quando a energia retorna, de forma controlada. A falha em reiniciar corretamente pode causar perda de produção em fábricas, emergências como pessoas presas em elevadores, sistemas de ar condicionado desligando, e todos os tipos de dispositivos eletrônicos necessitando visita técnica cara para reset.

Quedas e interrupções

As quedas e interrupções mais curtas são tipicamente cerca de 10 ms, ou um semi-ciclo da rede, em duração. Qualquer coisa excedendo cerca de 10 s seria considerada perda de energia. A faixa de durações onde precisamos observar o comportamento de perto é principalmente de 10 ms até cerca de 500 ms. Nesta faixa, erros de projeto podem resultar em comportamento incorreto como processadores travando ou corrompendo dados.

Em um sistema trifásico, faltas frequentemente afetam apenas uma fase, já que raios e objetos caindo muitas vezes afetam apenas uma fase. A falta pode, no entanto, se espalhar para as três. Uma falta fase-terra única no sistema de transmissão de alta tensão aparece como uma falta fase-fase no sistema de distribuição de baixa tensão, após os transformadores delta-estrela. Quedas por partida de motor afetam as três fases.

Armazenamento de energia e ride-through

Em um circuito eletrônico típico alimentado pela rede, há um capacitor razoavelmente grande conectado na linha de alimentação CC interna para suavizar a tensão retificada, e geralmente armazena energia suficiente para manter o circuito funcionando por cerca de 10 ms a 20 ms. Para quedas ou interrupções mais curtas, ele continua operando normalmente, e pode haver um circuito monitor de tensão que detecta baixa tensão. Há então tempo para executar uma rotina curta para salvar dados essenciais na memória não volátil e colocar o sistema em um estado conhecido, do qual pode reiniciar quando a alimentação retornar. Se ride-through até cerca de 100 ms for necessário, isso pode ser alcançado adicionando capacitância extra, além do qual algum tipo de bateria ou UPS seria necessário.

Em um inversor de frequência típico, devido à alta potência de throughput, os capacitores não armazenam energia suficiente para suprir a potência de carga nominal mesmo por 10 ms. Não há possibilidade realista de ride-through da queda de forma simples usando a energia armazenada no capacitor, a menos que a potência de carga seja muito baixa no momento. Em algumas aplicações especiais, capacitores externos adicionais, supercapacitores ou baterias foram conectados ao barramento CC para garantir ride-through, mas isso geralmente é muito caro.

Por outro lado, pode haver alguma energia útil armazenada mecanicamente na inércia do motor. Dependendo da aplicação, pode ser possível usar parte desta energia para manter o inversor em um estado viável pronto para quando a energia retornar.

Ride-through para inversores

A Figura 1 mostra os principais componentes de potência de um inversor CA. Os reatores são opcionais e têm pouco efeito no ride-through.

Figura 1: Principais componentes de potência de um VSD CA

O retificador é unidirecional, a potência só pode passar da alimentação CA para o barramento CC. O inversor e o motor são bidirecionais, então é possível que energia retorne do motor para o barramento CC do inversor, desde que haja também energia suficiente para manter o motor magnetizado.

O controlador do inversor tem uma medição da tensão do barramento CC, então pode detectar uma queda de tensão. Uma interrupção curta da alimentação CA tem o mesmo efeito de uma queda, já que a tensão CC cai à medida que o capacitor descarrega. Existem várias situações possíveis, e o comportamento detalhado depende do modo de controle do motor sendo usado. Vamos considerar um controle de malha aberta simples com razão V/f fixa básica.

Em qualquer caso onde a tensão recupera antes de atingir o nível de detecção de perda de alimentação, a operação normal continua. Há um pico curto de corrente de entrada enquanto o capacitor recarrega sem o benefício do circuito de carga suave. O inversor é projetado para suportar este pico sem danos, mas já se sabe que disjuntores podem atuar nesta situação, especialmente onde vários inversores são alimentados do mesmo disjuntor.

Rotina de perda de alimentação:

Há um parâmetro de modo selecionável pelo usuário que dá a escolha de três ações, que podem ser escolhidas para atender às necessidades da aplicação:

1. Nenhuma ação (função de perda de alimentação desabilitada)
2. Rampa para parada
3. Ride-through

Na opção 1, o motor para por inércia (coasting). O inversor não realiza nenhuma ação quando a tensão cai abaixo do nível de detecção de perda de alimentação. Se a tensão continuar caindo abaixo do nível de detecção de subtensão, o inversor é desabilitado e o motor para por inércia. Se a energia retornar, o inversor executa um reinício automático se os comandos de habilita e partida ainda estiverem presentes.

Opção 2 normalmente seria selecionada onde a aplicação requer movimentos coordenados múltiplos e é importante que o inversor não tente ações independentes. O motor é rampado para parada quando a tensão cai abaixo do nível de detecção de perda de alimentação. Se a energia retornar enquanto o inversor está desacelerando o motor, o inversor continua a rampa até a parada, caso contrário entra no estado de subtensão e desliga.

Há diferença de comportamento detalhado entre alguns produtos Control Techniques uma vez que o inversor atinge a parada se a alimentação retornou:

• Para Unidrive M700 e produtos relacionados: Uma vez que o motor atingiu a parada, o inversor entra no estado desabilitado e requer que o sinal de habilita seja alternado antes de poder rodar novamente.
• Para Unidrive M100 a M400 e produtos relacionados: Uma vez que o motor atingiu a parada, desde que os comandos de habilita e partida ainda estejam presentes, o inversor reinicia e rampa a velocidade do motor de volta à referência de velocidade.

Opção 3 normalmente seria selecionada onde a aplicação requer que o inversor continue em operação independente na medida do possível. O inversor reduz a referência de velocidade do motor de forma controlada para que o fluxo do motor seja mantido e a energia mecânica armazenada no motor e carga seja retornada ao inversor à medida que a velocidade cai. A energia é usada para manter a corrente de magnetização do motor e suprir potência ao circuito de controle do inversor. Se a energia retornar antes que a energia se esgote, o inversor acelera o motor de volta à sua velocidade de referência.

A chance de ride-through bem-sucedido claramente depende da carga mecânica no momento e da inércia específica do motor e sua carga.

Note que se a queda de tensão ocorrer em apenas uma fase de uma alimentação trifásica, a energia recuperada só precisa "preencher as lacunas" para o retificador durante os intervalos de tensão de fase ausente, o que requer muito menos energia que para uma queda trifásica e é mais provável que resulte em ride-through bem-sucedido.

Limite de tentativas de auto-reset

Pode ser definido para um número desejado ou ilimitado.

Reinício com motor girando:

Em todas estas opções, se reinício automático for selecionado, deve-se considerar se a rotina "pegar motor girando" é necessária. Onde o inversor manteve controle do motor, ou seja, em estado de rampa ou ride-through, isso não é necessário. No entanto, uma vez ocorrido o disparo por subtensão, o motor não é mais controlado. Ele pode continuar girando como resultado de sua inércia e/ou fatores externos como fluxo de ar em um ventilador. Nesse caso, o reinício pode falhar a menos que o algoritmo de motor girando esteja habilitado.

Normas e requisitos para quedas, interrupções e ride-through

Existem normas internacionais e harmonizadas da UE para imunidade de produtos elétricos a quedas e interrupções de energia. Na UE, isso é coberto legalmente pela Diretiva EMC. No resto do mundo, é geralmente considerado questão de qualidade de produto, não lei de EMC. Para equipamentos com corrente nominal abaixo de 16 A por fase, a norma de teste é IEC 61000-4-11 (EN 61000-4-11 na UE), mas esta norma dá uma ampla gama de níveis de teste opcionais e nenhum critério de aprovação/reprovação. A norma de produto deve ser consultada para encontrar os requisitos precisos. Um requisito típico pode ser tomado da norma genérica de imunidade para equipamentos industriais, IEC 61000-6-2:

O equipamento deve operar conforme especificado durante a queda e depois, e nenhuma perda ou corrupção de dados armazenados deve ocorrer. Note que isso não requer ride-through literal, no sentido de continuar a fornecer potência de saída nominal, mas apenas operação como pretendido. O propósito do teste é encontrar erros ou bugs como estados travados ou dados armazenados corrompidos após a queda/interrupção. Se o teste for aplicado a uma máquina que incorpora inversores, estes devem ser corretamente configurados para garantir que a máquina completa se comporte como pretendido durante e após as quedas.

Para equipamentos com corrente nominal acima de 16 A por fase, há outra norma de teste IEC 61000-4-34. Esta norma é pouco usada, devido à dificuldade e custo do equipamento de teste. O comportamento de um inversor de alta potência pode ser previsto confiavelmente por simulação e escalonamento a partir de um modelo de menor potência.

Outra norma para perturbações de energia vem do Information Technology Industry Council (ITIC) nos EUA e às vezes é especificada para equipamentos de TI. Não define um método de teste, apenas um comportamento de tensão de terminal. A curva ITIC (anteriormente curva CBEMA) mostra operação contínua para interrupções de até 20 ms. Só se aplica para alimentações monofásicas e não se adapta prontamente a três fases.

Da discussão anterior, você pode ver que um inversor pode conseguir isso em modo ride-through, desde que energia armazenada suficiente possa ser recuperada desacelerando a carga, particularmente com alimentação trifásica.

Figura 2: A curva ITIC (anteriormente CBEMA)