Cintilação e qualidade de energia

Este blog aborda o assunto do flicker, que pode ser visto como uma questão de qualidade de energia ou de Compatibilidade Eletromagnética (EMC) dependendo do seu ponto de vista. Consideraremos se os inversores de velocidade variável podem causar cintilação e também onde eles podem ajudar a resolver um problema de cintilação.

“Flicker” refere-se ao efeito na iluminação elétrica quando a tensão de alimentação varia rapidamente. Isso pode ser qualquer coisa, desde uma única queda ou flash ocasional quando uma grande carga é conectada ou desconectada repentinamente, até uma cintilação rápida irritante se a tensão for modulada em uma frequência na faixa em que o olho e o cérebro humanos são particularmente sensíveis, o que é cerca de 0,5 Hz a 20 Hz.

Flicker às vezes é confundido com harmônicos e outros problemas de qualidade de energia. Os harmônicos são, por definição, em frequências que são múltiplos inteiros da frequência de alimentação, e são muito altos para o olho responder. No entanto, tanto a oscilação quanto a tensão harmônica são causadas por correntes de carga que afetam a tensão devido à impedância da fonte de alimentação, portanto, em locais onde a impedância de alimentação é alta, devido a uma longa linha de alimentação ou algum outro fator, problemas de tensão harmônica e oscilação podem ocorrem juntos.

A Figura 1 mostra uma forma de onda exagerada com cintilação simulada em um quinto da frequência de alimentação. Em contraste, a Figura 2 mostra um quinto harmônico simulado. Na Figura 2, cada ciclo está distorcido, mas com a mesma forma, portanto, não ocorre cintilação.





Os fornecedores de energia elétrica precisam garantir que sua qualidade de energia seja adequada à finalidade e têm diretrizes para cintilação. Geralmente eles só realizam medições se houver reclamação, raramente há qualquer tipo de teste de rotina das instalações, exceto para alguns sistemas especiais, como turbinas eólicas.

Os produtos elétricos que são fabricados em grande número podem ter que atender aos padrões do produto para cintilação. A norma internacional de produtos mais conhecida é a IEC 61000-3-3, ou para a Europa EN 61000-3-3, que fornece testes e limites para produtos classificados até 16 A por fase. Na União Européia esta norma está harmonizada sob a Diretiva EMC, de modo que os equipamentos dentro de seu escopo geralmente têm que cumpri-la para levar a marca CE e ser colocado no mercado na UE. Para corrente nominal de até 75 A, aplica-se a IEC 61000-3-11. Os padrões têm limites estritos na faixa de frequência de repetição sensível de 0,5 Hz – 20 Hz, mas sem limites acima de 25 Hz.

Todos os padrões de cintilação exigem uma medição e avaliação que levem em conta o comportamento dinâmico das luzes elétricas e a sensibilidade do olho e do cérebro humanos. As curvas de cintilação (veja mais adiante) são baseadas em lâmpadas de filamento de tungstênio. Estes são bastante sensíveis à tensão por causa da relação da lei quadrada de tensão e potência. Por outro lado, a massa térmica significa que eles tendem a suavizar flutuações rápidas. Claro que as lâmpadas de filamento estão se tornando incomuns agora. As lâmpadas fluorescentes têm uma característica diferente com menos efeito de suavização. As lâmpadas LED geralmente têm um regulador para não serem afetadas pela tensão, exceto quando são projetadas para serem usadas com um dimmer. Os padrões podem ser atualizados no futuro para refletir o comportamento das lâmpadas modernas, mas o custo das mudanças na substituição do equipamento de teste e no reteste dos produtos não é bem-vindo. É provável que os limites baseados em lâmpadas de filamento estejam conosco por alguns anos.

Inter-harmônicos

Inter-harmônicos são frequências indesejadas que não estão em múltiplos inteiros da frequência de alimentação, então eles ficam entre harmônicos no espectro. Se estiverem próximos de um harmônico verdadeiro, podem resultar em uma aparente modulação da tensão de alimentação. Em uma carga resistiva simples como uma lâmpada de incandescência eles não causam cintilação porque sua frequência é alta e a lâmpada só é sensível à média de funcionamento do r.m.s. Tensão. No entanto, um retificador ou outra carga não linear pode gerar frequências de soma e diferença que podem incluir baixas frequências se o inter-harmônico estiver próximo de um múltiplo inteiro da frequência de alimentação. A Figura 3 mostra um exemplo onde o inter-harmônico é de ordem 5.2. A amplitude do pico é visivelmente modulada, mas o r.m.s. tensão não é, e isso não será medido como cintilação. Este tipo de forma de onda pode ocorrer com acionamentos regenerativos ou outros controladores de potência ativos onde a frequência de chaveamento não é bloqueada por fase com a alimentação.

Causas da cintilação

A cintilação é sempre causada por uma variação da corrente extraída da fonte, resultando em uma variação da tensão de alimentação que afeta outras cargas, incluindo a iluminação. Existem muitas fontes possíveis, a lista abaixo mostra algumas das mais comuns.

Eventos únicos:

1. Motores de partida direto na linha. Esta é de longe a causa mais comum de quedas de tensão simples. Um motor de indução consome entre 3 e 5 vezes sua corrente nominal na partida, e o efeito sobre a tensão é agravado pelo fato de que a corrente de partida está atrasada em relação à tensão em fase, de modo que a queda de tensão na impedância de alimentação, que geralmente é predominantemente indutiva , é maior do que para uma carga resistiva.
2. Iniciar dispositivos eletrônicos grandes, como drives, com corrente de pico de carga do capacitor
3. Iniciando grandes transformadores com corrente de energização magnetizante
4. Iniciar compressores ou bombas com contrapressão, causando um alto torque de partida

Eventos aleatórios frequentes:

1. Fornos a arco
2. Soldadores de arco
3. Máquinas sujeitas a picos frequentes de carga pesada, por ex. misturadores, prensas etc.

Eventos periódicos ou quase periódicos:

1. Soldadores a ponto automáticos
2. Bombas ou compressores alternativos ou cargas pulsantes semelhantes.
3. Termostatos ou outros controladores que funcionam alternando a carga, especialmente com comutadores de estado sólido que podem operar com frequência.
4. Controladores de tiristor ou triac com disparo de rajada

O efeito de acionamentos de velocidade variável na cintilação

A unidade em si

A única maneira de uma unidade causar cintilação em si mesma é através da corrente de energização de carga do capacitor quando a energia é aplicada. Os inversores da Control Techniques são projetados para que a corrente de energização não exceda a corrente de entrada nominal, de modo que a queda de tensão não exceda aquela causada pelo funcionamento normal na potência nominal.

O sistema de controle

Se a unidade estiver em um sistema que faz com que a unidade gere uma saída de energia rapidamente flutuante, isso pode causar cintilação. Isso pode ser causado por operação periódica programada ou por estabilidade marginal em uma malha de controle de realimentação. Qualquer sistema de controle deve ser avaliado para garantir que não cause cintilação excessiva.

Em uma máquina com múltiplos eixos e movimentos periódicos rápidos, pode ser possível dispor o controle de forma que os picos de potência ocorram sequencialmente. Isso poderia multiplicar a frequência de cintilação pelo número de eixos, o que, se passar de 25 Hz, poderia eliminar o problema.

A carga

Partida do motor

O drive elimina completamente a queda repentina de tensão causada pela partida do motor. Não apenas a frequência e a tensão do motor aumentam de forma controlada para que a corrente do motor seja limitada, mas também a corrente de entrada do inversor é proporcional à potência de saída, não à corrente de saída, de modo que a corrente de entrada aumenta apenas à medida que o motor velocidade aumenta. Existem aplicações em que um inversor vale a pena apenas por seu benefício de dar partida sem causar queda excessiva de tensão, se a alternativa for um reforço caro do sistema de alimentação.

Cargas pulsantes, como bombas alternativas

O inversor tem energia armazenada muito limitada em seu capacitor de link CC, não o suficiente para suavizar um ciclo de oscilação, portanto, se a potência da carga flutuar, a corrente de entrada do inversor flutuará da mesma maneira. A menos que sejam tomadas medidas especiais, o inversor não compensará uma carga flutuante.

Normalmente, a unidade simplesmente não faz diferença no nível de cintilação causada por uma carga pulsante, mas é possível que uma unidade piore esse efeito :

• Em primeiro lugar, ao reduzir a velocidade, pode-se reduzir a frequência de pulsação abaixo do ponto crítico de 25 Hz, onde a cintilação se torna perceptível.
• Segundo, se o sistema de acionamento estiver configurado para fornecer controle de velocidade próximo com um torque de carga pulsante, ele pode aumentar a flutuação de energia, pois evita que o motor desacelere e acelere no ciclo de torque. Isso reduz o benefício da energia armazenada na inércia da máquina, incluindo o volante, se instalado. A menos que haja uma razão muito particular para controlar a velocidade dentro do ciclo de torque, não é aconselhável usar o controle de velocidade em malha fechada ou compensação de escorregamento com uma carga pulsante. Na verdade, é melhor permitir que a velocidade varie com o torque para aproveitar a energia mecânica armazenada.

Se o controle de velocidade em malha fechada deve ser usado, é melhor implementar um controlador predominantemente integral com baixo ganho. Desta forma a velocidade média é controlada com precisão, mas o controlador não resiste à variação periódica natural dentro de um ciclo causada pelo escorregamento do motor de indução. Essa sugestão parece contra-intuitiva, já que tendemos a pensar em um inversor de velocidade variável como oferecendo controle de velocidade rápido e preciso, mas, na verdade, o controle de ação rápida reduz o benefício do volante ou outra inércia no armazenamento de energia.

A discussão acima se aplica a um motor de indução. Com um motor de ímã permanente, a velocidade é regulada de forma inerente e as pulsações de torque são refletidas diretamente como potência de entrada, sem qualquer possibilidade de escorregamento do rotor, causando alguma redução. É possível programar um algoritmo de controle especial em um drive que deliberadamente permite que a velocidade diminua dinamicamente à medida que o torque aumenta, dentro de um ciclo de rotação, mantendo a velocidade média de longo prazo no valor desejado. Isso tende a manter a potência constante (potência =torque x velocidade), e é a potência que determina a corrente de entrada. A Control Techniques tem uma aplicação patenteada para isso. É possível que isso possa proporcionar economias de custo úteis no projeto de máquinas em algumas aplicações, por exemplo, uma bomba ou compressor alternativo de vários cilindros pode ser substituído por um monocilíndrico.

Limites de cintilação

A cintilação é medida usando um “flickermeter” definido na norma IEC 61000-4-15. Os limites para equipamentos são definidos em padrões como IEC 61000-3-3  e IEC 61000-3-11.

A medição de cintilação é da flutuação da tensão de alimentação. Para um teste de produto, o sistema de teste deve incluir uma impedância de alimentação de rede simulada, que é definida na norma. Os limites da IEC 61000-3-3 são baseados em uma alimentação de 230 V 50 Hz com impedância de (0,4 + j0,25) W, que simula uma alimentação muito “fraca”, ou seja, com baixa corrente de curto-circuito.

A Figura 4 mostra o limite para mudanças simples de tensão retangulares repetitivas da IEC 61000-3-3, para uma alimentação de 230 V 50 Hz. O eixo de frequência representa ciclos completos por segundo, ou seja, cada ciclo compreende duas etapas iguais, mas opostas. Existem outras regras para avaliar outros padrões. A figura mostra claramente os níveis baixos permitidos para a faixa de frequência crítica entre cerca de 0,5 Hz e 20 Hz.

Reduzindo a cintilação

Já consideramos maneiras pelas quais o uso de um variador de velocidade pode ajudar a reduzir a cintilação da partida do motor ou de uma carga pulsante.

Os métodos convencionais incluem o uso de bombas alternativas de vários cilindros para suavizar o torque e volantes.

Onde uma grande pulsação de energia for inevitável, a conexão de alimentação deve ser feita eletricamente próxima à alimentação de entrada do local para evitar a queda de tensão em cabos compartilhados com outras cargas. Os circuitos de iluminação também devem ser conectados separadamente perto da alimentação de energia de entrada.

Em casos extremos pode ser necessário instalar uma nova alimentação com menor impedância. Em vista do alto custo, vale a pena explorar a possibilidade de que o uso criativo de inversores de velocidade variável possa evitar o custo.