Entendendo Flicker: Impacto na Qualidade de Energia e Como Inversores de Frequência Ajudam

Este artigo analisa o assunto de flicker, que pode ser visto como questão de qualidade de energia ou de Compatibilidade Eletromagnética (EMC) dependendo do ponto de vista. Consideraremos se inversores de frequência podem causar flicker e também onde eles podem ajudar a resolver um problema de flicker.

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

Flicker às vezes é confundido com harmônicas e outros problemas de qualidade de energia. Harmônicas são, por definição, em frequências que são múltiplos inteiros da frequência de alimentação, e são muito altas para o olho responder. No entanto, tanto flicker quanto tensão harmônica são causados por correntes de carga afetando a tensão devido à impedância da fonte de alimentação, então em locais onde a impedância de alimentação é alta, por causa de uma linha de alimentação longa ou outro fator, problemas de tensão harmônica e flicker podem ocorrer juntos.

A Figura 1 mostra uma forma de onda exagerada com flicker simulado a um quinto da frequência de alimentação. Por contraste, a Figura 2 mostra uma quinta harmônica simulada. Na Figura 2, cada ciclo é distorcido mas com a mesma forma, então nenhum flicker ocorre.

Fornecedores de energia elétrica devem garantir que sua qualidade de energia seja adequada ao propósito, e têm diretrizes para flicker. Geralmente só realizam medições se houver reclamação, raramente há qualquer tipo de teste rotineiro de instalações exceto para alguns sistemas especiais como turbinas eólicas.

Produtos elétricos fabricados em grandes números podem ter que atender a normas de produto para flicker. A norma internacional de produto mais conhecida é IEC 61000-3-3, ou para Europa EN 61000-3-3, que dá testes e limites para produtos com corrente nominal até 16 A por fase. Na União Europeia, esta norma é harmonizada sob a Diretiva EMC, de modo que equipamentos dentro de seu escopo geralmente têm que cumpri-la para portar a marca CE e ser colocados no mercado na UE. Para corrente nominal até 75 A, IEC 61000-3-11 se aplica. As normas têm limites rigorosos na faixa de frequência de repetição sensível de 0,5 Hz – 20 Hz, mas sem limites acima de 25 Hz.

As normas para flicker todas requerem uma medição e avaliação que leva em conta o comportamento dinâmico de luzes elétricas e a sensibilidade do olho e cérebro humanos. As curvas de flicker (veja mais adiante) são baseadas em lâmpadas de filamento de tungstênio. Estas são bastante sensíveis à tensão por causa da relação quadrática de tensão e potência. Por outro lado, a massa térmica significa que tendem a suavizar flutuações rápidas. Claro, lâmpadas de filamento estão se tornando incomuns agora. Lâmpadas fluorescentes têm característica diferente com menos efeito de suavização. Lâmpadas LED frequentemente têm regulador então não são afetadas por tensão, exceto quando projetadas para uso com dimmer. As normas podem ser atualizadas no futuro para refletir o comportamento de lâmpadas modernas, mas o custo de mudanças na substituição de equipamentos de teste e re-teste de produtos é indesejável. É provável que os limites baseados em lâmpadas de filamento permaneçam conosco por alguns anos.

Interharmônicas

Interharmônicas são frequências indesejadas que não estão em múltiplos inteiros da frequência de alimentação, então ficam entre harmônicas no espectro. Se estiverem próximas a uma harmônica verdadeira, podem resultar em uma modulação aparente da tensão de alimentação. Em uma carga resistiva simples como lâmpada de filamento, não causam flicker porque sua frequência é alta e a lâmpada é sensível apenas à média corrente da tensão rms. No entanto, um retificador ou outra carga não-linear pode gerar frequências soma-e-diferença que podem incluir baixas frequências se a interharmônica estiver próxima a um múltiplo inteiro da frequência de alimentação. A Figura 3 mostra um exemplo onde a interharmônica é de ordem 5,2. A amplitude de pico é visivelmente modulada, mas a tensão rms não é, e isso não será medido como flicker. Este tipo de forma de onda pode ocorrer com inversores regenerativos ou outros controladores de potência ativa onde a frequência de chaveamento não está phase-locked com a alimentação.

Causas de flicker

Flicker é sempre causado por uma variação de corrente consumida da alimentação, resultando em variação de tensão de alimentação que então afeta outras cargas incluindo iluminação. Há muitas fontes possíveis, a lista abaixo mostra algumas das mais comuns.

Eventos únicos:

1. Partida de motores diretamente na rede. Esta é de longe a causa mais comum de quedas de tensão únicas. Um motor de indução consome entre 3 e 5 vezes sua corrente nominal na partida, e o efeito na tensão é piorado pelo fato de que a corrente de partida defasa a tensão em fase, de modo que a queda de tensão na impedância de alimentação, que é geralmente predominantemente indutiva, é maior que para uma carga resistiva.
2. Partida de grandes dispositivos eletrônicos como inversores, com corrente de inrush de carga de capacitor
3. Partida de grandes transformadores com corrente de inrush de magnetização
4. Partida de compressores ou bombas com contrapressão, causando alto torque de partida

Eventos aleatórios frequentes:

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

Eventos periódicos ou quase periódicos:

1. Soldadores por pontos automáticos
2. Bombas ou compressores alternativos, ou cargas pulsantes similares.
3. Termostatos ou outros controladores que funcionam comutando a carga – especialmente com chaves de estado sólido que podem operar frequentemente.
4. Controladores tiristor ou triac de disparo em rajada (burst-firing)

O efeito de inversores de frequência no flicker

O próprio inversor

A única forma que um inversor pode causar flicker em si mesmo é através da corrente de inrush de carga do capacitor quando a energia é aplicada. Inversores Control Techniques são projetados para que a corrente de inrush não exceda a corrente de entrada nominal, então a queda de tensão não excede a causada pela operação normal na potência nominal.

O sistema de controle

Se o inversor está em um sistema que faz o inversor gerar uma saída de potência flutuante rapidamente, isso pode causar flicker. Isso poderia ser causado por operação periódica programada ou por estabilidade marginal em um laço de controle de realimentação. Qualquer sistema de controle deve ser avaliado para garantir que não causará flicker excessivo.

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

A carga

Partida do motor

O inversor elimina completamente a queda de tensão súbita causada pela partida do motor. Não apenas a frequência e tensão do motor rampam 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, então a corrente de entrada rampa apenas à medida que a velocidade do motor aumenta. Existem aplicações onde um inversor vale a pena puramente por seu benefício na partida sem causar queda de tensão excessiva, se a alternativa seria um reforço caro do sistema de alimentação.

Cargas pulsantes como bombas alternativas

O inversor tem energia armazenada muito limitada em seu capacitor de barramento CC, não suficiente para suavizar um ciclo de flicker, então se a potência de carga flutua, a corrente de entrada do inversor flutua da mesma forma. A menos que medidas especiais sejam tomadas, o inversor não compensará uma carga flutuante.

Geralmente, o inversor simplesmente não faz diferença no nível de flicker causado por uma carga pulsante, mas é possível que um inversor piore este efeito:

• Primeiro, ao reduzir a velocidade, pode trazer a frequência de pulsação abaixo do ponto crítico de 25 Hz onde o flicker se torna perceptível.
• Segundo, se o sistema de inversor é configurado para dar controle de velocidade próximo com torque de carga pulsante, pode amplificar a flutuação de potência, porque impede o motor de desacelerar e acelerar no ciclo de torque. Isso reduz o benefício da energia armazenada na inércia da máquina, incluindo volante se instalado. A menos que haja razão muito particular para controlar a velocidade precisamente dentro do ciclo de torque, não é aconselhável usar controle de velocidade em malha fechada ou compensação de escorregamento com carga pulsante. Na verdade, é melhor permitir que a velocidade varie com o torque para aproveitar a energia mecânica armazenada.

Se controle de malha fechada deve ser usado, é melhor implementar um controlador predominantemente integral com ganho baixo. Desta forma, a velocidade média é controlada precisamente, mas o controlador não resiste à variação periódica natural dentro de um ciclo causada pelo escorregamento do motor de indução. Esta sugestão parece contra-intuitiva, já que tendemos a pensar de inversor de frequência como oferecendo controle de velocidade rápido e preciso, mas controle rápido de atuação reduz o benefício do volante ou outra inércia em armazenar energia.

A discussão acima se aplica com motor de indução. Com motor de ímã permanente, a velocidade é inerentemente rigorosamente regulada e pulsos de torque são diretamente refletidos como potência de entrada sem qualquer possibilidade de escorregamento do rotor dando alguma redução. É possível programar um algoritmo de controle especial em um inversor que deliberadamente permite a velocidade cair dinamicamente conforme o torque sobe, dentro de um ciclo rotacional, enquanto mantém 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. Control Techniques tem uma aplicação patenteada para isso. É possível que isso possa dar economias úteis no projeto de maquinaria em algumas aplicações, por exemplo, uma bomba ou compressor alternativo multi-cilindro poderia ser substituído por um de cilindro único.

Limites de flicker

Flicker é medido usando um "flickerímetro" definido na norma IEC 61000-4-15. Limites para equipamentos são definidos em normas como IEC 61000-3-3 e IEC 61000-3-11.

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

A Figura 4 mostra o limite para mudanças de tensão retangulares repetitivas simples da IEC 61000-3-3, para alimentação 230 V 50 Hz. O eixo de frequência representa ciclos completos por segundo, ou seja, cada ciclo compreende dois degraus iguais mas opostos. Há regras adicionais 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 flicker

Já consideramos formas em que o uso de inversor de frequência pode ajudar a reduzir flicker de partida de motor ou de carga pulsante.

Métodos convencionais incluem uso de bombas alternativas multi-cilindro para suavizar o torque, e volantes.

Onde uma grande pulsação de potência é inevitável, a conexão de alimentação deve ser feita eletricamente próxima à entrada de alimentação do local para evitar queda de tensão em cabos compartilhados com outras cargas. Circuitos de iluminação também devem ser conectados separadamente próximo à entrada de alimentação.

Em casos extremos, pode ser necessário instalar nova alimentação com impedância menor. Dado o alto custo, vale explorar a possibilidade de que uso criativo de inversores de frequência possa evitar o custo.