Como os geradores de queda de tensão são úteis para teste de interrupção de tensão

Definindo o gerador de queda de tensão
NEMA MG1-16.48 define queda de tensão como a maior diferença de tensão da tensão nominal de saída do gerador. As correntes de inrush na partida do motor ou grandes cargas de bloco limitam a velocidade do motor e a menor excitação para o campo principal gera essas quedas. Como as causas e soluções para quedas de tensão instantâneas diferem daquelas para cargas em bloco, elas são medidas e analisadas independentemente. Devido à sua natureza instantânea, a maior queda causada pela corrente de energização do motor ocorre dentro de cinco ciclos e só pode ser monitorada com um osciloscópio. Os registradores mecânicos podem detectar quedas causadas por cargas pesadas de blocos que diminuem a velocidade do motor.

Confusão de Mergulho Sustentado
Algumas marcas de geradores são difíceis de comparar, pois queda de tensão é definido de forma diferente na documentação da empresa. Em vez de queda de tensão instantânea, é fornecida uma queda de tensão sustentada, que classifica a queda em uma curva de recuperação mais baixa, porém mais longa.
Com uma comparação da reatância subtransitória de dois geradores com tempos de resposta AVR comparáveis, uma comparação significativa da queda de tensão de partida do motor pode ser obtida. Ao iniciar o mesmo motor, duas máquinas com reatância subtransitória idêntica terão aproximadamente a mesma queda de tensão.

Como resultado, os fornecedores que usam a queda de tensão sustentada como uma medida da queda de tensão fornecerão apenas uma resposta simples de “sim” ou “não” para saber se seu grupo gerador corresponderá aos padrões de queda de tensão instantânea estabelecidos por outros fabricantes.
É o único método para garantir que você receberá propostas comparáveis ​​nos projetos que você descreve.

Compreendendo a resposta transitória de grupos geradores
Não há necessidade de se preocupar com a capacidade da concessionária local de suportar a carga ou quaisquer efeitos transitórios na qualidade da energia quando um switch envia algumas centenas de kW em um circuito. No entanto, esses são problemas legítimos quando a energia é extraída de um grupo gerador. A quantidade de carga que pode ser aceita em uma etapa, bem como a magnitude dos efeitos transitórios na qualidade de energia, varia muito entre os modelos de geradores.

Quando uma carga pesada é aplicada a um grupo gerador, a velocidade do motor cai temporariamente – ou diminui – antes de retornar ao estado estacionário. Quando uma carga é removida, a velocidade do motor aumenta temporariamente – ou ultrapassa. A qualidade da energia elétrica é alterada porque a frequência do gerador é determinada pela rotação do motor. A resposta transitória é a medida dessas flutuações transitórias de velocidade.

O comprimento e a % de mudança de frequência de uma reação transiente são medidos (veja a figura abaixo). O tempo que leva para o motor retornar ao funcionamento em estado estacionário é chamado de tempo de recuperação. Isso pode variar de um segundo a vinte segundos. Em geral, quanto maior a porcentagem de queda e quanto mais tempo o motor leva para se recuperar, mais peso adiciona ao ônibus.

As quedas são muitas vezes mais perigosas do que os overshoots porque a carga excessiva do bloco pode fazer com que o motor pare e a tensão do gerador caia. A massa rotacional do grupo gerador auxilia na manutenção da frequência, embora a inércia deva ser cuidadosamente balanceada entre o gerador e o motor. Quando um gerador maior é especificado, a queda de frequência é reduzida, permitindo que mais potência do motor esteja disponível para recuperação. O mecanismo de regulação de tensão do grupo gerador é o componente mais crítico que influencia a resposta transitória. Os métodos de regulação de tensão volt-per-hertz controlam a tensão seguindo a frequência proporcionalmente.

À medida que uma grande carga de bloco reduz a rotação do motor e a frequência do gerador, a tensão cai, descarregando eficientemente o motor e reduzindo o tempo de recuperação. Este sistema é usado por todos os conjuntos de geração Cat. Os sistemas de regulação de tensão constante têm uma porcentagem menor de mudança de tensão, mas um período de recuperação muito mais longo. Quando o motor está totalmente carregado, o perigo de uma parada do motor aumenta. Alguns geradores empregam métodos de regulação de dupla tensão por hertz. Embora esses métodos melhorem consideravelmente os recursos de carregamento de blocos ou reduzam o tempo de recuperação, eles apresentam uma queda de tensão muito maior. A capacidade de resposta transitória também é afetada pela configuração do motor.

A maioria dos motores do grupo gerador são turboalimentados para fornecer potência adicional – e kW – sem a necessidade de um motor maior. A desvantagem da turboalimentação está na capacidade de resposta transitória. O ar se torna um elemento limitante em cenários de transporte. Quanto mais longa for a resposta transitória de um motor de grupo gerador, mais turbo ele será. Quedas de tensão e interrupções curtas são causadas por falhas em uma rede de energia causadas por mudanças rápidas em cargas pesadas. Cargas continuamente variáveis ​​conectadas à rede de energia causam mudanças de tensão. Como essas ocorrências podem ter impacto em equipamentos elétricos e eletrônicos, elas devem ser imitadas em um ambiente de laboratório.

Testes IEC 61000-4-30
• IEC 61000-4-11, que se refere a equipamentos elétricos e eletrônicos com corrente nominal de entrada não superior a 16 A por fase para conexão a redes CA de 50 Hz ou 60 Hz.
• IEC 61000-4-34, que se aplica a equipamentos elétricos e eletrônicos com corrente de entrada nominal superior a 16 A por fase, especificamente quedas de tensão e interrupções curtas para equipamentos conectados a redes de corrente alternada de 50 Hz ou 60 Hz, incluindo monofásica e rede trifásica. A IEC recomenda medições in situ em todo o sistema de energia para correntes superiores a 1 A por fase.
• IEC 61000-4-29, que se aplica a equipamentos elétricos e eletrônicos quando ocorrem quedas de tensão, interrupções curtas ou mudanças de tensão nas portas de alimentação CC.
O objetivo, como em todas as normas fundamentais de EMC, é criar uma referência única para avaliar a imunidade de equipamentos elétricos e eletrônicos quando submetidos a esses fenômenos. As normas de produtos são responsáveis ​​por determinar a relevância e aplicabilidade dos testes indicados na norma básica. O material fornecido aqui será centrado na norma IEC 61000-4-11.

Requisitos para Equipamento de Teste
Equipamentos de teste dedicados podem ser usados ​​em laboratórios para replicar quedas de tensão, interrupções curtas e testes de variabilidade. As normas básicas IEC fornecem testes de variações de tensão como opcionais. A seguir estão os padrões que os equipamentos de teste devem atender para serem utilizados para testes de conformidade:

• Tensão de saída sem carga – a tensão de saída do gerador deve estar dentro de 5% dos níveis de queda definidos quando nenhuma carga é aplicada. Os níveis de mergulho são especificados como 0%, 40%, 70% e 80% da tensão nominal.
• Mudança na tensão de saída com carga – a mudança de tensão de sem carga para carregada deve ser inferior a 5% do nível de mergulho definido.
• Capacidade de corrente de saída – o gerador deve ser capaz de transportar corrente superior a 16A por um curto período de tempo no nível de mergulho necessário. A circunstância mais difícil é no nível de mergulho de 40%, quando o gerador deve lidar com 40 A por 3 segundos.
• Capacidade de pico de corrente de pico – O equipamento de teste não deve limitar a capacidade de pico de corrente de pico. A capacidade máxima de pico do gerador não deve exceder 1000 A para redes de 250 V a 600 V, 500 A para redes de 200 V a 240 V e 250 A para redes de 100 V a 120 V.
• Overshoot/undershoot de tensão – Quando o gerador é carregado com uma carga resistiva de 100, o overshoot/undershoot de pico instantâneo da tensão real deve ser inferior a 5% do nível de mergulho definido.
• Tempos de subida e descida de tensão – O gerador deve ser capaz de alternar entre 1 e 5 segundos durante uma mudança repentina de nível de tensão.
• Deslocamento de fase – o gerador deve ser capaz de deslocar fases entre 0 e 360 ​​graus.
• Relação de fase e cruzamento de zero - o gerador deve ser capaz de detectar e sincronizar com a potência de corrente alternada. A relação de fase do evento de queda e interrupção de tensão deve ser inferior a 10° da frequência de alimentação. Além disso, o controle de cruzamento zero do gerador deve estar dentro de 10° da frequência da rede.

Importância dos tempos de ascensão e queda
É fundamental empregar equipamentos de teste que atendam aos tempos de subida e descida rápidos necessários durante a realização de quedas de tensão e interrupções curtas para evitar grandes mudanças de fase durante a comutação. O tempo de comutação de 1s – 5s é o pior cenário e replica um curto-circuito na rede elétrica próxima ao equipamento eletrônico. Como resultado, testes com comutação rápida podem avaliar a durabilidade do equipamento que está sendo avaliado na pior situação. Veremos o efeito dos tempos de comutação em uma rede de energia de 230V / 50Hz como exemplo.

Podemos determinar a mudança de fase para vários tempos de comutação usando a frequência de alimentação CA. Podemos ver que o limite de tempo de comutação mais lento de 5 s estabelecido na IEC 61000-4-11 se traduz em uma mudança de fase de apenas 0.09°. Um gerador de mergulho de pré-conformidade com um tempo de comutação de 200 s adiciona um deslocamento de fase de 3.6° e um tempo de comutação de 500 s adiciona um deslocamento de fase de 9°.

Uma queda no nível de teste é um efeito secundário dessa considerável mudança de fase. Em redes de energia de 60Hz, o impacto da mudança de fase é ainda mais pronunciado. Um tempo de comutação de 200 s, por exemplo, representa um deslocamento de fase de 4.3° a 60Hz, enquanto um tempo de comutação de 500 s equivale a um deslocamento de fase de 10.8°. Dado que o ângulo inicial de mergulhos verdadeiros também pode ser ditado pela precisão do gerador, é bastante benéfico manter um deslocamento de fase diminuído devido ao processo de comutação.

Importância da Capacidade de Corrente de Inrush
Quando você conecta um equipamento eletrônico a uma rede de energia, a corrente de pico entra no equipamento, o que pode causar danos. A maioria dos equipamentos eletrônicos é projetada com um circuito para limitar essa corrente de pico. Quando a rede de energia se recupera após uma queda de tensão ou interrupção curta, o mesmo fluxo de corrente de inrush é retomado, mas o circuito de proteção pode ser desengatado. Para minimizar danos ao equipamento durante uma queda de tensão ou uma breve interrupção, o gerador de queda deve fornecer corrente suficiente sem limitar a corrente de energização.

A quedas de tensão e o equipamento de teste de interrupções curtas deve, idealmente, atender à capacidade de acionamento da corrente de pico de pico. Se o equipamento de teste atender a este requisito (pelo menos 1,000A para rede elétrica de 250V – 600V, 500A para rede elétrica de 220V a 240V e 250A para rede elétrica de 100V – 120V), é desnecessário medir a corrente de pico do EUT, economizando tempo. Se a corrente de inrush observada do EUT for inferior a 70% da capacidade de acionamento de inrush relatada do equipamento de teste, a IEC 61000-4-11 permite uma solução alternativa de usar um gerador com uma corrente de inrush mais baixa. Como ambas as características devem ser medidas antes do teste, isso aumenta o tempo e o custo.

Mudanças entre IEC 61000-4-11 Ed.2 e Ed.3
A IEC 61000-4-11 Ed.3 foi emitida em 2020 e substitui a anterior IEC 61000-4-11 Ed.2 de 2004. As principais modificações na norma são uma descrição mais explícita do tempo de subida e descida e uma reiteração do forte exigência de usar um gerador com tempos de subida e descida variando de 1s a 5s para testes de conformidade.

Os requisitos de over/undershoot do padrão não eram claros na Edição 2, levando a mal-entendidos sobre quais parâmetros precisavam ser medidos durante a calibração/verificação. De acordo com algumas interpretações, overshoot e undershoot devem ser registrados tanto quando ocorre uma transição de nível quanto quando a transição de nível é finalizada.

Overshoot e undershoot agora são explicitamente definidos como efeitos que ocorrem após a troca, e não antes da troca. Isso indica que um undershoot de borda descendente requer apenas medição, mas um overshoot de borda ascendente requer medição. Quando medido com uma carga resistiva de 100, o overshoot ou undershoot deve ser inferior a 5% da tensão real.

Perguntas Frequentes:
Por que ocorre a queda de tensão?
A queda de tensão acontece quando a tensão de alimentação (UF) cai abaixo de um limite definido em 90% da tensão de alimentação indicada (Uc). Uma queda de tensão ocorre em um sistema polifásico quando pelo menos uma das tensões cai abaixo do limite e termina quando todas as tensões são iguais ou acima do limite.

O que exatamente é um teste de quedas e interrupções de tensão?
Quedas de tensão e interrupções curtas são causadas por falhas em uma rede de energia causadas por mudanças rápidas em cargas pesadas. Cargas continuamente variáveis ​​conectadas à rede de energia causam mudanças de tensão.

O que exatamente é uma interrupção de tensão?
Uma interrupção de tensão ocorre quando a tensão URMS(1/2) cai abaixo do nível de interrupção designado. Normalmente, o limite de interrupção é definido significativamente mais baixo do que o nível de queda de tensão. A interrupção começa quando a tensão URMS(1/2) cai abaixo do valor limite de interrupção e termina quando a tensão URMS(1/2) iguala ou excede o valor limite de interrupção mais a histerese de tensão.

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