Simulação de partida softstart

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Simulação de partida softstart

  1. 1. 1 Simulação de Partida de Motores através de Soft Starter utilizando o ATPDraw M. Firmino de Medeiros Jr., DCA - UFRN, A. L. A. de Araújo, COSERN, G. D. Sousa, A. O. Salazar, e J. Tavares de Oliveira, DEE - UFRN Resumo - O presente artigo descreve o desenvolvimento de módulos para simulação de partida de motores de indução através do dispositivo Soft-Starter, usando a ferramenta computacional ATPDraw. Os resultados são comparados com outros obtidos através de simulações no SIMULINK MatLabTM , que foram utilizados em aplicação de cálculo de afundamento de tensão em nós próximos ao de instalação de um motor, no momento de sua partida. Palavras Chaves—ATPDraw, Soft Starter, partida de motores. I. INTRODUÇÃO Soft-Starter é um dispositivo eletrônico composto por uma ponte de tiristores em anti-paralelo e um dispositivo de controle do ângulo de disparo dos tiristores, possibilitando variar a tensão eficaz no motor. Assim, pode-se controlar a corrente de partida do motor fazendo com que a mesma seja elevada suavemente. Através da utilização do Soft-Starter evitam-se, portanto, os picos de corrente atingidos na partida direta, que podem variar de 4 a 12 vezes da corrente nominal, com possibilidade de ocorrer afundamento de tensão na rede. Neste trabalho foi desenvolvido um modelo de simulação para a partida de motores com soft starter, dentro do ambiente ATPDraw, uma plataforma gráfica para o Alternative Transients Program – ATP. O modelo de simulação é composto pela ponte de tiristores em anti-paralelo, construído a partir do componente Valve, já disponível no ATP, e pelo bloco de controle do ângulo de disparo dos tiristores, implementado através da ferramenta MODELS do ATP, que é semelhante a uma linguagem de programação, conforme detalhada em [1]. II. DESENVOLVIMENTO A partir do estudo de funcionamento de um soft-starter foi desenvolvido o seu bloco de controle, através da ferramenta MODELS. Este trabalho está sendo financiado pela Cosern, através de seu Programa de P&D, regulamentado e aprovado pela Aneel. M. F. de Medeiros Jr. trabalha no Departamento de Engenharia de Computação e Automação da UFRN (e-mail: firmino@dca.ufrn.br). A. L. A. de Araújo trabalha na Companhia Energética do Rio Grande do Norte - COSERN (e-mail: andre.araujo@cosern.com.br). G. D. Sousa é aluno de iniciação científica e estudante do Curso de Graduação em Engenharia Elétrica (e-mail: gabriel@dca.ufrn.br). A. O. Salazar trabalha no Departamento de Engenharia de Computação e Automação da UFRN (e-mail: andrés@dca.ufrn.br) J. T. de Oliveira trabalha no Departamento de Engenharia Elétrica da UFRN (e-mail: jtavares@ct.ufrn.br) Por ser uma ferramenta dedicada ao ATPDraw, MODELS já disponibiliza algumas variáveis para utilização do usuário. Nesse caso, utilizou-se a TIMESTEP, que faz referência ao valor do passo de tempo das iterações. Simplificadamente, o algoritmo possui a seguinte lógica: PASSO 1 – Inicialização das variáveis, a partir dos dados de entrada fornecidos pelo usuário, que são: freqüência da rede, ângulo de disparo inicial e tempo de partida. O valor de alfa (ângulo de disparo) é convertido de graus para um valor correspondente em segundos. PASSO 2 – A fim de verificar se decorreu um tempo correspondente a um período, o algoritmo verifica se a tensão da rede cruzou o valor zero. Em caso positivo, segue para o passo 3, em caso negativo, segue para o passo 4. PASSO 3 – O valor do ângulo de disparo é decrementado de um valor calculado no passo 1, a partir do valor do ângulo inicial e do tempo de partida, e a variável “tempo” é zerada. PASSO 4 – Testa se tempo é maior do que a variável alfa (convertida em segundos). Em caso afirmativo, os tiristores são “gatilhados”; caso contrário, deixam de conduzir. PASSO 5 – A variável tempo é incrementada de TIMESTEP; em seguida, retorna-se ao passo 2 para a próxima iteração até que o tempo de simulação determinado seja atingido. III. SIMULAÇÕES Fig 1. Circuito para simulação do soft starter no ATPDraw Primeiramente realizou-se a simulação do bloco construído através de um circuito monofásico com carga RL, mostrado na fig. 1. Os resultados obtidos foram considerados satisfatórios, como mostra a forma de onda da tensão representada na fig 2. A simulação foi realizada com ângulo de disparo inicial de 180º, um tempo de partida de 0,3 segundos e freqüência da rede de 60 Hz. O objetivo dessa simulação é verificar a eficácia do método numérico implementado no ATP, em
  2. 2. 2 comparação com uma outra simulação obtida através de outro simulador, no qual o método numérico pode ser escolhido. 300 [V] 200 100 0 -100 -200 -300 SIMULAÇÃO SOFT-STARTER Gráfico: Vout ( 0 - 0,6 s ) 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 [s] 0,6 Fig 2. Gráfico da Tensão de Saída ( V ) Fig 3. Motor de Indução no ATPDraw A fig 3. representa o motor de indução simulado no ATPDraw, com as seguintes especificações: 2.2 CV, 220V, 60Hz, 4 pólos RS = 1.63 Ω, Rr = 0.74 Ω, Llr = 2.1 mH, Lls = 4.7 mH, Lh = 85 mH Jm = 4,5.10-3 Kg.m², Tn = 8.144 N – m, ωn = 1725 RPM 70 [A] 40 10 -20 -50 -80 SIMULAÇÃO PARTIDA DIRETA CORRENTE ESTATOR 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 [s] 0,30 Fig 4. Corrente no Estator (A) A fig 5. apresenta o resultado obtido no SIMULINK (MatLabTM) para o mesmo motor. A escala do gráfico apresenta 20A/divisão. Fig 5. Corrente no Estator (A) – Partida Direta -Simulação realizada no SIMULINK MatLabTM 250 [V] 200 150 100 50 0 PARTIDA DORETA VELOCIDADE [ RAD/s ] 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 [s] 3,0 Fig 6. Velocidade Rotor ( rad/s ) As figs. 4 e 6 representam as respostas para simulação de uma partida direta com o motor acima especificado, usando o ATPDraw. Os principais resultados obtidos foram IPART,MÁX = 63,73 A IREGIME = 9,432 A e velocidade de regime permanente igual a 180 rad/s. A fig 7. mostra o esquema de simulação da partida do mesmo motor, com a utilização do soft starter construído. Nesse caso, utilizou-se um ângulo de disparo inicial de 135º e um tempo de partida de 0,16 segundos. Fig 7. Simulação do Motor com Partida Soft Starter
  3. 3. 3 Fig 8. Esquema do Soft Starter Trifásico Internamente ao bloco SOFT na fig. 7, tem-se o seguinte esquema de ligação, mostrado na fig 8. Todas as resistências são valores muito baixos (10-6 Ω), colocadas por necessidades do ATPDraw. 40 [A] 25 10 -5 -20 -35 -50 PARTIDA SOFT-STARTER CORRENTE ESTATOR 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 [s] 0,40 Fig 9. Corrente no Estator ( A ) Fig 10. Corrente no Estator (A) – Partida Suave Simulação realizada no SIMULINK (MatLabTM) Na fig 10. tem-se a resposta obtida no Simulink (MatLabTM) para mesmas condições de partida e de ângulo inicial, com 20 A/divisão. 250 [V] 200 150 100 50 0 PARTIDA SOFT-STARTER VELOCIDADE [ RAD/s ] 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 [s] 3,0 Fig. 11. Velocidade Rotor ( rad/s) As figs. 9 e 11 representam as respostas para simulação de uma partida com soft starter para o mesmo motor utilizado na simulação de partida direta. Os resultados obtidos foram IPART,MÁX = 38,6 A IREGIME = 9,432 A e velocidade de 180 rad/s. Fig 12. Correte no Estator (A) – Comparação entre Soft Starter e Partida Direta Fig 13. Velocidade no Rotor (rad/s) – Comparação entre Soft Starter e Partida Direta IV. APLICAÇÃO Um dos problemas que se pode perceber durante a partida de motores é a ocorrência de um afundamento de tensão em nós eletricamente próximos àquele em que o
  4. 4. 4 motor se encontra instalado, devido ao alto nível de corrente atingido nesse instante. A fim de obter uma ferramenta capaz de indicar e auxiliar na avaliação desse fenômeno, propõe-se o bloco do soft starter que foi apresentado nas seções anteriores. Para testar sua eficácia, simulou-se a sua utilização em uma rede de distribuição com 23 nós, utilizando um motor de 20 HP, instalado no nó 20. A rede está representada na fig. 14 e, para melhor visualização, apresentou-se na fig. 15 apenas a região de instalação do soft-starter na rede, modelada no ATPDraw. Fig 14. Diagrama unifilar da rede simulada Fig. 15 Rede de Distribuição no ATPDraw Fig 16. Nível de Tensão (kV) - NÓ 18: Comparação entre Partida Direta e Soft Starter Através da mesma rede mostrada nas figs. 14 e 15, simulou-se a partida direta do motor. Através dos resultados obtidos na fig. 16, pode-se perceber que a partida direta causa uma perturbação maior, em comparação à partida com soft-starter, ao nível de tensão em nós próximos ao de instalação do motor. V. CONCLUSÃO Comparando os resultados obtidos entre a simulação do ATP e do SIMULINK, ambos mostraram equivalência com respeito a pico de corrente e tempo de partida. Verifica-se apenas alguma diferença na forma de onda, devido ao método de convergência de cada simulador. Assim, o presente trabalho conclui sobre a viabilidade do uso da ferramenta ATPDraw para simulação de partida de motores de indução através de soft starter. Outros dispositivos de partida, tais como chaves estrela-triângulo e inversores, podem ser ainda facilmente modelados, a fim de possibilitar estudos dos impactos na rede devido às partidas de motores de indução, como afundamento de tensão. VI. BIBLIOGRAFIA [1] L Dubé, “Users Guide to MODELS in ATP”. April 1996. [2] J. A. Filho e M. P. Pereira, “ATPALTERNATIVE TRANSIENTS PROGRAM – Curso Básico Sobre a Utilização do ATP” – CLAUE, Última revisão: nov/1996 [3] “Módulo 1 – Comando e Proteção”, WEG Indústrias S.A. – Centro de Treinamento de Clientes. [4] Magnus Kjellberg, Sören Kling, “SOFTSTARTER HANDBOOK“, ABB, disponível no site: http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/SCOT209.nsf/, em 13/05/2007. [5] Siemens AG. Correntes de Curto-Circuito em Redes Trifásicas. Editora Edgard Blucher LTDA. Tradução 5ª Edição Alemã. Set/1975.

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