Princípios básicos de acionamentos regenerativos – Parte 2

Após nosso artigo anterior, que forneceu uma breve visão geral da operação de acionamento regenerativo, aqui observamos alguns dos fatores especiais que precisam ser considerados com a operação regenerativa.

O efeito na rede elétrica (rede elétrica CA)

Regulamentos

Essas são as regulamentações impostas pelas empresas de energia para garantir que a geração embarcada não interrompa a segurança ou a confiabilidade do fornecimento de energia elétrica. O restante desta seção cobre os tópicos mais importantes controlados por regulamentos. Se o sistema de regeneração for usado como gerador intencional, ele deverá cumprir as normas vigentes no local de uso. Caso contrário, os tópicos abordados ainda devem ser considerados sempre que a classificação atual do sistema de regeneração for uma parte considerável da classificação do sistema de energia local, para garantir que, em caso de falha ou mau funcionamento, nenhum dano seja causado a outros equipamentos conectados .

Corrente de curto-circuito

Um gerador local contribui para a corrente em uma falha elétrica (curto-circuito) e pode afetar a segurança ou a classificação exigida do comutador elétrico. Em qualquer instalação de gerador proposta, a corrente de falta adicional deve ser calculada. No entanto, o inversor Regen tem um impacto insignificante, porque a proteção eletrônica contra sobrecorrente interrompe a corrente excessiva muito mais rapidamente do que um disjuntor ou fusível pode atuar. A corrente de curto-circuito de pico para a geração atual de inversores TC é de 260% da corrente nominal e, uma vez que o inversor desarma, a corrente diminui para zero em menos de 4 ms (dependendo do valor da bobina de corrente alternada). A corrente de pico para classificação de proteção é tomada em pelo menos meio ciclo da frequência de alimentação. Esses fatores juntos tornam a contribuição da corrente de falta desprezível.

Operação na ilha

Se a rede elétrica for desconectada de uma instalação onde um gerador está operando, existe a possibilidade de ocorrer uma “ilha” de energia onde a geração local involuntariamente mantém as cargas locais energizadas. Isso não é muito provável, porque sem um regulador projetado especificamente para regular a frequência, não há nada para garantir que a oferta e a demanda sejam equilibradas. Normalmente, a frequência sai rapidamente da faixa de trabalho e o sistema desarma. Além disso, não há controle de tensão ou potência reativa. No entanto, se uma ilha ocorresse, haveria um risco de segurança para os trabalhadores de energia e um risco de danos ao equipamento local na ilha se a tensão ou a frequência se movessem além de sua faixa de segurança.

Se um sistema Regen tiver uma fonte de energia (por exemplo, um motor, bateria ou outro acumulador de energia) para que a operação em ilha seja possível, deve ser fornecida proteção contra a ocorrência de uma ilha prejudicial. A faixa de frequência do inversor de regeneração deve ser restrita nas configurações dos parâmetros a uma faixa segura, e um relé de sobretensão deve ser incorporado para desarmar o inversor se a tensão se tornar excessiva.

Para geradores intencionais, existem padrões para proteção de ilhamento (às vezes chamado de proteção “Perda de rede elétrica” (LOM). Alguns deles exigem que o inversor opere um algoritmo especial para detectar a condição de ilhamento, que está disponível como um recurso padrão no Drive Unidrive M. Alguns deles requerem um relé de proteção independente aprovado.

Ilha intencional, geração de backup

Observe que o inversor de regeneração não pode ser usado como gerador autônomo, por exemplo, como fonte de backup em caso de perda de alimentação da rede. Ele só pode ser usado em conjunto com uma alimentação existente com a qual se sincroniza.

Passeio

Geradores intencionais podem ser obrigados a continuar em operação durante uma perturbação da rede elétrica. A situação mais comum é quando ocorre uma falha (curto-circuito) em algum lugar da rede de energia que resulta em uma queda repentina de tensão nos terminais do gerador. Isso pode ser equilibrado ou desequilibrado entre as três fases. Durante o percurso, pode não ser possível continuar gerando a potência nominal se a tensão for muito baixa, mas a corrente reativa é necessária para suportar a tensão e ajudar a rede a recuperar o controle uma vez que o circuito defeituoso foi desconectado por dispositivos de proteção automática.

Um AFE simples é bastante sensível a distúrbios de tensão porque sua operação depende de um equilíbrio preciso entre a forma de onda da tensão da rede e aquela gerada dentro do inversor. A menos que tenha capacidade de passagem, é mais propenso a causar desarmes incômodos do que um simples retificador. O Unidrive M tem uma capacidade de passagem selecionável que atende aos principais requisitos de padrões nacionais, como as diretrizes BDEW para geradores conectados a redes de MT.

É importante observar que em operação regenerativa normal o inversor Regen ajusta sua saída de energia para o sistema de energia CA de modo a regular a tensão do barramento CC para o valor desejado. Durante um distúrbio de tensão, ele não pode mais gerar sua potência nominal total, portanto, pode ser incapaz de continuar regulando a tensão CC. A fonte de energia então tem que assumir esse papel. Se não fizer isso, pode haver um desarme por sobretensão se a energia de entrada exceder a de saída. Alternativamente, um resistor de frenagem pode ser conectado para absorver o excesso de potência.

Regulação de potência e frequência

O equilíbrio de oferta e demanda na rede elétrica CA é alcançado regulando a frequência. Um gerador intencional pode ser necessário para ajudar nisso respondendo a comandos de energia externos ou para implementar uma função de controle de energia contra frequência. Isso pode ser programado como um aplicativo no inversor.

Harmônicos e inter-harmônicos

Conforme discutido no primeiro blog de regeneração, o inversor de regeneração gera níveis insignificantes de corrente harmônica verdadeira, ou seja, em múltiplos inteiros da frequência de alimentação CA. Ele interage com os harmônicos existentes na alimentação e também gera produtos de modulação PWM. Estes estão em altas frequências que por muitos anos foram consideradas fora da faixa de harmônicos, que geralmente terminavam na ordem 40. No entanto, padrões e instrumentos técnicos mais recentes começaram a considerar harmônicos até a ordem 100.

Por exemplo, considere um sistema operando em uma frequência de linha nominal de 60 Hz e uma frequência de comutação de 3 kHz. As principais frequências relacionadas à comutação presentes serão 2880 Hz e 3120 Hz. Estes são 48 e 52 vezes a frequência de alimentação. No entanto, as duas frequências não são quantidades comensuráveis, ou seja, não são bloqueadas por fase. Se a frequência da linha fosse 60,1 Hz, as frequências equivalentes do produto seriam 2879,8 Hz e 3120,2 Hz. Quando um instrumento de análise de harmônicos é conectado em tal sistema, ele provavelmente os indicará como 48º e 52º harmônicos, se tiver a largura de banda padrão de 5 Hz, ou pode indicar uma incapacidade de sincronizar os dados.

Se a frequência de chaveamento fosse 4 kHz, então as principais frequências presentes seriam 3880 Hz e 4120 Hz que não são frequências harmônicas. Eles seriam indicados como “inter-harmônicos” por um analisador com facilidade de inter-harmônicos, ou poderiam ser ignorados por um analisador de harmônicos básico com largura de banda normal de 5 Hz.

Os harmônicos e inter-harmônicos discutidos acima são todos conjuntos trifásicos com sequência de fase positiva ou negativa. Isso significa que, ao contrário das tensões de “ruído” de modo comum de alta frequência, elas passam por transformadores e podem causar interferência além de um transformador de alimentação local. O filtro de frequência de chaveamento é necessário para reduzir suas magnitudes a valores aceitáveis.

Interação com a fonte/dissipador de energia CC – controle de tensão

Quando um sistema de regeneração é conectado a uma fonte ou carga CC, deve-se pensar no controle da tensão CC. Em um sistema de acionamento regenerativo, o acionamento da máquina se torna efetivamente uma fonte de energia constante e o inversor de regeneração ajusta sua exportação de energia para equilibrar a potência de entrada na tensão CC desejada. Outros sistemas podem ter características bem diferentes. Por exemplo, em um inversor fotovoltaico, a tensão e a corrente CC são controladas pela curva de tensão/corrente do painel fotovoltaico para a insolação e temperatura especificadas. O inversor não “sabe” naturalmente qual tensão escolher, então a referência de tensão CC do inversor de regeneração deve ser adaptada pelo algoritmo MPPT para encontrar o ponto de potência ideal.

Tensão de modo comum de alimentação CC

A alimentação CC em um sistema de regeneração tem uma tensão de modo comum incomum, que é a tensão média entre seus pólos e o terra. Uma análise de forma de onda de tensão total é bastante complexa, mas consultando o esquema simplificado na Figura 1 do primeiro blog, você pode deduzir que quando um dos pares de transistores do inversor de entrada muda de estado, a tendência é que a tensão do circuito do barramento CC mudar por um passo igual a V_DC, em relação ao terra. Na verdade, o passo é restrito pela divisão de tensão ao redor do indutor de entrada para 1/3 V_DC. Esta etapa acontece sempre que uma fase muda, ou seja, seis vezes em cada ciclo de comutação PWM.

Isso significa que quando a alimentação CA é uma alimentação convencional de BT principal com neutro conectado ao terra, o barramento CC transporta uma alta tensão de modo comum que é um padrão PWM complexo com bordas de subida rápida, contendo um amplo espectro de frequências. Alguns dos efeitos disso são dados na lista a seguir:

1. Nenhum dos inversores conectados ao barramento CC, nem o próprio inversor Regen, deve ter os capacitores de filtro EMC internos no lugar, porque esses capacitores podem ser sobrecarregados pela tensão de modo comum e causar altas correntes de terra circulantes resultantes em mau funcionamento do inversor.
2. Nenhum filtro RFI deve ser conectado ao barramento CC, pelo mesmo motivo que em 1.
3. O barramento CC é “ruidoso”, portanto, se for distribuído por condutores não blindados, pode causar interferência nos circuitos de sinal próximos. Se a energia CC deve ser distribuída por distâncias significativas, deve ser em cabos blindados. No entanto, se os cabos forem longos, a corrente de terra de alta frequência em sua capacitância parasita causará perda de energia adicional nas bobinas Regen.
4. Nenhum outro equipamento pode ser conectado ao barramento CC, a menos que tenha sido confirmado que ele pode tolerar a tensão de modo comum. (Por exemplo, o equipamento projetado para funcionar a partir de uma fonte CC provavelmente terá seu próprio filtro RFI, que não poderia tolerar a tensão de modo comum. A maioria dos transdutores de corrente e tensão, no entanto, são projetados para tolerar a tensão de modo comum.)

Para aplicações especiais onde esses efeitos são inaceitáveis, uma solução é usar um transformador isolante na entrada para que a alimentação CA seja isolada do terra. É então possível operar com um polo do barramento CC conectado diretamente ao terra, de modo que não haja tensão de modo comum. Ou ele pode ser conectado através de capacitores ao terra ou um filtro RFI conforme necessário, para reduzir o ruído de modo comum de alta frequência que provavelmente causará interferência. Isso é usado, por exemplo, em inversores fotovoltaicos e em sistemas onde a energia CC deve ser distribuída para várias cargas.

Filtros, impedância de alimentação, controle de corrente

O filtro de frequência de comutação foi discutido acima para evitar interferência em outros equipamentos conectados ao mesmo circuito de alimentação. O filtro também deve ser considerado em termos de seu efeito no sistema de controle do inversor.

Em um inversor de 3 kHz, a frequência de rotação do filtro é de cerca de 800 Hz, de modo que fornece uma atenuação útil em 2900 Hz. O volume de negócios é um pouco afetado pela impedância de fornecimento, que é desconhecida para essas frequências incomuns. Isso significa que o ganho do circuito de corrente no inversor não deve ser ajustado muito alto, caso contrário a estabilidade em torno de 800 Hz torna-se marginal e o sistema torna-se sensível a distúrbios e sujeito a mau funcionamento. Para a maioria das aplicações de acionamento convencionais, onde o sistema de regeneração é uma das muitas cargas em uma rede de distribuição de BT industrial, há amortecimento natural suficiente para que não surjam requisitos especiais. Os valores padrão geralmente são eficazes.

Onde um ou mais sistemas de regeneração são fornecidos a partir de uma fonte dedicada, com pouco mais conectado, é possível que os loops de corrente sejam subamortecidos. Isso pode ser identificado facilmente usando um osciloscópio para visualizar as formas de onda da corrente de linha, uma vez que rajadas de oscilação (“toque”) ocorrem com um período de cerca de 800 Hz, geralmente em 6 pontos em cada ciclo da rede. Nesta situação, a estabilidade pode ser recuperada reduzindo o termo P nas malhas de controle de corrente. Também pode ser necessário reduzir os ganhos da malha de tensão para evitar um controle de tensão subamortecido causado pela malha de corrente mais lenta. Se a aplicação for altamente dinâmica de modo que esses ganhos menores não sejam aceitáveis, então é necessário um método alternativo para melhorar o amortecimento. Existem duas opções:

1. Adicione mais capacitores de filtro. Isso reduz a frequência de rotatividade do filtro para um valor em que os loops de controle de corrente têm menos atraso de fase e podem contribuir com o amortecimento ativo.
2. Use um filtro amortecido. Isso usa alguns capacitores adicionais e pequenos resistores para fornecer amortecimento. Mais informações estão disponíveis no Suporte Técnico do CT.

Ambas as opções foram utilizadas de forma eficaz. A desvantagem da opção 1. é que vários capacitores podem ser necessários, ocupando espaço e também causando uma alta corrente reativa permanente que pode então ter que ser compensada pela função de controle de corrente reativa do inversor. A desvantagem da opção 2. é que os resistores causam alguma perda de potência permanente e também precisam ser protegidos de sobrecarga no caso de harmônicos anormais na alimentação, tornando a opção bastante complexa.