O impacto do desequilíbrio de voltagem

Se estiver a utilizar sistemas trifásicos, deve estar consciente das tensões desequilibradas, um dos problemas mais comuns de energia eléctrica para as instalações industriais. As probabilidades de desequilíbrios nas suas plantas são elevadas se não tomar medidas para os evitar. A captura de desequilíbrios antes que causem danos graves ao seu equipamento é o ideal.

Abaixo, descubra o que são desequilíbrios de tensão, o que os provoca e como pode preveni-los e testá-los para proteger os seus sistemas eléctricos.

O que é o desequilíbrio de voltagem trifásica?

Um sistema de potência trifásico é equilibrado ou simétrico quando as tensões e correntes trifásicas têm a mesma amplitude. Um sistema desequilibrado significa que as tensões de fase são desiguais.

Este desequilíbrio mede a diferença entre as fases de tensão num sistema trifásico. Este problema de energia eléctrica é comum em centrais eléctricas industriais ou em qualquer instalação onde funcionem grandes máquinas com motores potentes.

A ocorrência de desequilíbrios de tensão pode ter impacto em numerosos aspectos das suas operações, incluindo a eficiência do motor, custos e danos.

O que causa as tensões desequilibradas?

A norma ANSI C84.1 estabelece: Os sistemas de alimentação eléctrica devem ser concebidos e operados de modo a limitar o desequilíbrio máximo de tensão a 3% quando medido no contador elétrico em condições de vazio. Isto significa que é da responsabilidade do utilizador verificar o estado de equilíbrio da tensão das suas próprias instalações.

Quando uma tensão está desequilibrada, é frequentemente devido à distribuição da carga do sistema. Estes desequilíbrios podem ocorrer em qualquer ponto de um sistema, e sistemas de poder desequilibrados podem acontecer por muitas razões.

Aqui estão algumas das causas mais comuns de tensões desequilibradas:

• Falta de simetria nas linhas de transmissão
• Grandes cargas monofásicas, como fornos de arco ou soldadores
• Bancos de condensadores de correcção de factor de potência defeituosos
• Transformadores abertos delta ou wye
• Baixo binário de saída causando tensões mecânicas
• Corrente elevada em rectificadores e motores trifásicos
• Desbalanceamento de corrente fluindo em condutores neutros
• Funcionamento defeituoso do equipamento de correcção do factor de potência
• Fornecimento de serviços públicos desequilibrado ou instável
• Banco transformador desequilibrado que fornece uma carga trifásica demasiado grande para o banco
• Cargas monofásicas desigualmente distribuídas no mesmo sistema de potência
• Faltas monofásicas à terra não identificadas
• Conectores ou contactores soltos, corroídos, sem caroço

Mesmo as condições das plantas podem causar ou contribuir para o desequilíbrio de tensão. Por exemplo, transformadores sobrecarregados, dispositivos de correção do fator de potência com mau funcionamento, controlos cíclicos e reactores dessintonizados podem conduzir a desequilíbrios. Mesmo o que está a acontecer na fábrica ao lado ou mais acima da linha de electricidade pode afectar o desequilíbrio de tensão nas suas instalações.

Efeitos do desequilíbrio de voltagem

O desequilíbrio de voltagem pode ser prejudicial para os motores. Uma diferença nas tensões de fase causa correntes de circulação em motores trifásicos, resultando num desequilíbrio de corrente de seis a 15 vezes superior ao desequilíbrio de tensão. A corrente extra contribui para o aumento do aquecimento motor, que pode ser severo com um desequilíbrio suficientemente grande. Esta temperatura mais elevada do motor degrada o isolamento circundante, encurtando a vida útil do motor e levando à queima do motor.

Outros efeitos de corrente e tensão desequilibradas incluem o aumento da pulsação, tensão mecânica, vibração e perdas. Além disso, são comuns problemas de manutenção como contactos desgastados e ligações soltas. Estes problemas podem fazer com que um motor funcione de forma ruidosa, a temperaturas elevadas, e falhe prematuramente.

Além disso, o desequilíbrio de voltagem irá despoletar a proporção da corrente de enrolamento do rotor bloqueado, que já é relativamente elevada, a velocidade de plena carga será ligeiramente reduzida e o binário será reduzido. Se o desequilíbrio de tensão for suficientemente grande, a capacidade de torque reduzido pode não ser adequada para a aplicação e o motor não atingirá a sua velocidade nominal.

A norma NEMA MG-1, estabelece que os motores polifásicos devem funcionar com sucesso em condições de funcionamento com carga nominal quando o desequilíbrio de tensão nos terminais do motor não exceder 1%. Além disso, o funcionamento de um motor com uma condição de desequilíbrio superior a 5% não é recomendado e resultará provavelmente em danos no motor.

Embora geralmente não seja desejável, outra acção correctiva pode ser a de desdramatizar um motor. Quando o desequilíbrio de voltagem excede 1%, um motor deve ser arejado para que funcione com sucesso. A curva de desvalorização, mostrada abaixo, indica que no limite de 5% estabelecido pela NEMA para o desequilíbrio, um motor seria substancialmente desclassificado, para apenas cerca de 75% da sua classificação de potência em cavalos da placa.

O desequilíbrio de tensão pode ser prejudicial para os conversores trifásicos de corrente contínua utilizados nos variadores de frequência (VFD). Unidades de frequência variável problemáticas (VFD) que têm perturbações, que mostram todos os sinais de sobrecarga do circuito, mesmo que as medições mostrem o contrário, podem ter correntes de fase desequilibradas. As correntes da linha VFD podem tornar-se muito desequilibradas devido à corrente excessiva em uma ou duas fases. Isto acontece mesmo que a corrente média das três fases esteja muito abaixo da classificação actual da VFD.

A extremidade dianteira dos VFDs utiliza um conjunto de díodos de alta potência para converter a potência de entrada CA trifásica para criar o barramento CC como um reservatório para a secção do inversor de potência. A corrente através da secção do rectificador de entrada é desenhada em pulsos. Idealmente, o fluxo de corrente através de cada díodo é dividido de forma igual, no entanto, o desequilíbrio de tensão fornecido à entrada do VFD causa uma potência desigual através dos díodos individuais, resultando em falhas prematuras e frequentes dos díodos de potência. A produção desequilibrada dos díodos actuais irá criar um maior conteúdo harmónico. À medida que os impulsos de saída se tornam mais desequilibrados, os harmónicos de corrente tripla também aumentam.

Porque é que isto é importante?

As razões mais aparentes para se preocupar com o desequilíbrio de tensão são a diminuição da eficiência e do desempenho do motor – ambas as quais afectam a rentabilidade da sua empresa. A eficiência de um determinado motor varia, dependendo de factores como o tipo de aplicação, a carga e a tensão de alimentação.

O funcionamento numa fonte de alimentação com um desequilíbrio de tensão maior aumentará as perdas ^I2R– ou seja, a resistência da corrente ao quadrado – no rotor e no estator, o que significa que mais da potência fornecida será convertida em calor e menos em trabalho. O motor funcionará mais quente e, consequentemente, de forma menos eficiente. Note-se que o aumento das perdas do rotor irá aumentar o “escorregamento”, pelo que o motor irá rodar um pouco mais lentamente e fazer menos trabalho num determinado período de tempo.

A equação básica de Arrhenius afirma que a taxa química duplica por cada grau C de aumento de temperatura. Ao aplicar esta equação ao isolamento do motor, é fácil ver que qualquer aumento de temperatura reduzirá drasticamente a vida útil do motor. A tabela seguinte mostra os efeitos da temperatura do enrolamento resultante do desequilíbrio de voltagem.

Uma vez que os desequilíbrios danificam o seu equipamento, a sua fábrica sofrerá uma paragem, uma vez que os motores não estão a funcionar tão eficientemente como deveriam. Para além do dinheiro perdido durante o tempo de paragem, os seus motores danificados exigirão substituições ou reparações dispendiosas

Como Prevenir um Sistema de Poder Desbalanceado

Para evitar o desequilíbrio de tensão, as cargas têm de ser distribuídas igualmente entre as fases de um painel. Quando uma fase fica mais carregada do que as outras, a voltagem nessa fase será baixa, resultando num desequilíbrio. A distribuição uniforme das suas cargas ajuda a evitar que uma fase fique sobrecarregada.

A compreensão das causas de um desequilíbrio ajuda-o e aos seus técnicos a procurar os sinais e a trabalhar para os prevenir. A melhor forma de evitar desequilíbrios é testar os desequilíbrios de tensão e determinar o que os pode estar a causar. Mesmo que haja um ligeiro desequilíbrio algures no sistema, os testes para o detectar agora podem ajudá-lo a apanhá-lo antes que os efeitos sejam prejudiciais. O ATPOL III™ Instrumento de Teste de Análise de Assinatura Eléctrica Energizada (ESA) com o software ATPOL 8.0 que o acompanha pode medir e calcular com rapidez e precisão o desequilíbrio de tensão fornecido a estes cavalos de trabalho da indústria como parte dos testes motorizados de rotina que demoram menos de 1 minuto. O software ATPOL 8.0 calcula a % de desequilíbrio de tensão e fornece o fator de redução de tensão adequado.

O ATPOL III™ portátil pode ser ligado rapidamente utilizando um conetor especial a conectores ALL-SAFE© pré-instalados ou utilizando TC’s amovíveis e sondas de tensão em qualquer controlador de motor ou seccionador facilmente acessível. Para proporcionar uma proteção adicional aos cada vez mais populares VFD, podem mesmo testar a alimentação de entrada destes dispendiosos controladores para garantir que não existem condições de desequilíbrio de tensão que possam conduzir a desequilíbrios de corrente através das secções do retificador.

Como calcular a corrente desequilibrada

Para calcular manualmente a percentagem de uma tensão desequilibrada, é preciso primeiro determinar a corrente ou tensão média e o maior desvio. Depois, dividirá o desvio pela voltagem média e multiplicará esse número por 100 para obter a sua percentagem.

A percentagem de desequilíbrio de voltagem:

Por exemplo: V1 = 469

V2 = 478

V3 = 461

Tensão média = 469,33 V2 tem um desvio máximo de 8,66667

% VUB = 100(8,66667/469,33) = 1,84%

O ATPOL é a ferramenta ideal para adicionar à sua caixa de ferramentas de manutenção preditiva para testes de motores energizados. A realização rotineira de um teste motor ESA usando ALL-SAFE PRO©permite às plantas realizar rapidamente uma inspecção completa de todo o sistema motor.

O ATPOL III™utiliza a tensão e corrente do motor para aceder:

• A condição da energia de entrada
• O estado eléctrico e mecânico do motor e o desequilíbrio
• Desalinhamento
• Condições de suporte
• Soltura
• Rubs da carga
• Anomalias no processo, tais como cavitação

As medições portáteis podem ser efectuadas facilmente a partir de quaisquer motores que não possuam todos os cofres, utilizando TCs portáteis, de fixação ou flexíveis.

O ATPOL III™ efectua uma captura de dados simultânea de todas as três fases de tensão e corrente para criar gráficos, tabelas e ecrãs para utilizar a qualidade da energia como uma ferramenta de manutenção preditiva necessária para colocar o seu equipamento no topo das instalações de classe mundial. Utilizar o desbalanceamento em V para prever a falha prematura do isolamento do enrolamento para determinar a vida reduzida do motor causada pelo desbalanceamento da tensão.

Teste com Precisão os Seus Motores com ALL-TEST PRO

Os testes motorizados são cruciais para assegurar o bom funcionamento do seu equipamento e encontrar quaisquer erros ou potenciais problemas para que possam ser resolvidos. Para assegurar a precisão ao testar os seus motores, utilize os produtos ALL-TEST. Quer esteja a testar desequilíbrios de tensão ou a realizar testes sem energia, os nossos produtos podem ajudá-lo a determinar o estado do seu motor.

O ATP conhece motores. A ATP é especializada em soluções energizadas e desenergizadas para testes de campo. Os produtos ATP são portáteis no terreno, leves, fáceis de utilizar, precisos e fornecem a deteção mais precoce de potenciais problemas, para manter a sua fábrica a funcionar de forma eficiente e segura.