Porque é que a flutuação de tensão é comum nos sistemas de energia industriais

Causas, impacto no mundo real e soluções práticas de um fabricante de estabilizadores de tensão industrial

A flutuação de tensão é extremamente comum em sistemas de energia industriais.
A flutuação de tensão não é, como vimos pela nossa experiência como fabricante de Estabilizadores de tensão automáticosO sistema não é o resultado de uma conceção eléctrica deficiente, mas sim a consequência natural da natureza do funcionamento do sistema.

Nas fábricas onde existem máquinas CNC, compressores, máquinas de soldar, laminadores, etc., a questão da flutuação da tensão é inevitável, a menos que sejam tomadas medidas específicas para atenuar o problema.

1. O que é a flutuação de tensão?

A flutuação de tensão refere-se a variações contínuas ou repetidas da tensão RMS em torno do seu valor nominal (como 380V, 400V, 480V, ou níveis de média tensão como 6kV / 11kV).
É causada principalmente por alterações rápidas ou frequentes da corrente de carga.

É diferente de:

• Queda de tensão - uma queda de tensão de curta duração
• Ondulação de tensão - uma subida de tensão de curta duração
• Apagão - perda total de fornecimento

Nas instalações industriais, a flutuação da tensão resulta normalmente em:

• Iluminação intermitente ou instável
• Sobreaquecimento do motor ou ruído anormal
• Avarias no PLC, CNC ou VFD
• Eficiência reduzida da production
• Redução da vida útil do equipamento

2. As cargas pesadas e dinâmicas são a causa principal

2.1 Grandes correntes de arranque do motor

As instalações industriais dependem fortemente de motores de indução de alta potência, incluindo:

• Bombas e compressores
• Transportadores
• Trituradores e trituradores
• Laminadores
• Ventiladores e sopradores

Quando um grande motor arranca:

• A corrente de arranque pode atingir 5-8 vezes a corrente nominal
• Esta procura súbita de corrente provoca uma queda de tensão na impedância do sistema
• Arranques frequentes resultam em flutuações repetidas de tensão

Nas instalações onde os motores arrancam e param continuamente, a instabilidade da tensão torna-se um problema persistente e não um evento ocasional.

2.2 Cargas industriais em rápida mudança

Alguns processos industriais criam naturalmente alterações de carga rápidas e irregulares:

Exemplos típicos incluem:

• Fornos de arco elétrico (EAF)
• Máquinas de soldadura por resistência e por arco
• Laminadores
• Trituradores pesados

Estas cargas podem alterar a procura de energia em milissegundoscausando uma variação contínua da tensão em vez de uma única queda de tensão.

De acordo com os padrões da indústria e a experiência de operação no local, os fornos eléctricos de arco estão entre os que mais contribuem para a flutuação de tensão nas redes industriais.

3. Impedância elevada do sistema em redes eléctricas industriais

A gravidade da flutuação da tensão é diretamente proporcional a impedância do sistema.

3.1 Linhas de distribuição longas

Muitas instalações industriais:

• Estão localizados longe de subestações de serviços públicos
• Utilizar cabos de alimentação longos
• Possuir vários estágios de transformador

Alimentadores mais longos significam maior impedância.
Maior impedância significa maiores quedas de tensão para a mesma variação de corrente.

Isto é especialmente comum em parques industriais, zonas mineiras e zonas de produção remotas.

3.2 Transformadores ou cabos subdimensionados

Quando transformadores ou os cabos funcionam perto da sua capacidade nominal:

• Pequenas alterações de carga criam uma variação de tensão percetível
• O stress térmico e a instabilidade da tensão ocorrem simultaneamente

Em projectos reais, encontramos frequentemente problemas de flutuação de tensão causados não por equipamento defeituoso, mas por margem de capacidade insuficiente na conceção inicial do sistema.

4. Procura de potência reactiva e fraco fator de potência

A maioria das cargas industriais são indutivas e consomem energia reactiva (kVAR), incluindo:

• Motores de indução
• Transformadores
• Reactores
• Equipamento de soldadura

Quando a procura de energia reactiva flutua:

• A tensão flutua com ela
• O efeito é mais forte em redes fracas ou isoladas

Sem uma compensação adequada da potência reactiva - como bancos de condensadores, SVC ou STATCOM - a estabilidade da tensão industrial é difícil de manter.

5. Rede de serviços públicos fraca ou capacidade limitada de curto-circuito

A flutuação de tensão é muito mais grave quando a rede de alimentação é fraca.

Uma grelha fraca tem normalmente:

• Baixa capacidade de curto-circuito
• Impedância de fonte elevada
• Produção limitada nas proximidades

As fábricas localizadas em áreas remotas ou alimentadores industriais partilhados são particularmente afectadas.
Nestes casos, mesmo as variações normais de carga interna podem causar uma flutuação visível da tensão em toda a instalação.

6. Cargas não lineares e electrónicas de potência

As instalações industriais modernas dependem cada vez mais de:

• Accionamentos de frequência variável (VFDs)
• Arrancadores suaves
• Rectificadores e inversores
• Sistemas UPS

Embora estes dispositivos melhorem a eficiência e o controlo, também o fazem:

• Introduzir os harmónicos
• Criar formas de onda de corrente que mudam rapidamente
• Interagir com a impedância do sistema

Sem uma filtragem adequada das harmónicas e a coordenação do sistema, estas interações podem agravar a flutuação da tensão em vez de a reduzir.

7. Funcionamento simultâneo de grandes equipamentos

Em muitas fábricas, a flutuação da tensão é amplificada por operações sincronizadas, tais como:

• Arranque simultâneo de vários compressores
• Lote 1TP1Processos de ação
• Linhas automatizadas a crescer em conjunto
• Sequências de arranque com mudança de turno

Estes fenómenos simultâneos provocam variações súbitas de carga que excedem a capacidade de resposta instantânea da rede.

8. Factores externos e ambientais

Nem todas as flutuações de tensão têm origem no interior da fábrica.

Os colaboradores externos incluem:

• Operações de comutação de redes de serviços públicos
• Acções do religador após falhas
• Variações sazonais da carga da rede
• Utilizadores industriais próximos no mesmo alimentador

Os sistemas eléctricos industriais estão estreitamente ligados à rede eléctrica pública, o que os torna sensíveis a perturbações a montante.

9. Porque é que os sistemas industriais são mais afectados do que os sistemas residenciais

Esta combinação faz com que a flutuação de tensão quase inevitável em ambientes industriais sem atenuação específica.

10. O que vemos em instalações industriais reais (perspetiva do fabricante)

Como fabricante de estabilizadores de tensão Servindo fábricas em todo o mundo, deparamo-nos frequentemente com problemas de flutuação de tensão:

• Oficinas de maquinagem CNC
• Instalações de corte e soldadura por laser
• Linhas de moldagem por injeção de plástico
• Instalações de transformação de alimentos
• Estações de compressão e sistemas de bombagem

Na maioria dos casos, a causa principal é nem uma única falha, mas uma combinação de:

• Cargas dinâmicas
• Impedância elevada do sistema
• Apoio insuficiente à potência reactiva

É por isso que a resolução da flutuação de tensão requer um abordagem a nível do sistemae não apenas a substituição de um componente.

11. Como a flutuação de tensão é tipicamente gerida

A atenuação efectiva envolve geralmente uma combinação de soluções:

• Reguladores automáticos de tensão (AVR) industriais
• Estático ou estabilizadores de tensão do tipo servo
• Transformadores de derivação em carga
• Compensação dinâmica de potência reactiva (SVC / STATCOM)
• Arrancadores suaves e definições optimizadas do VFD
• Dimensionamento correto de transformadores e cabos

Para equipamento sensível, como máquinas CNC e sistemas laser, é frequentemente necessário manter a tensão dentro de limites mais apertados do que ±5%.

FAQ

Q1: A flutuação de tensão é perigosa para o equipamento industrial?

Sim. A flutuação de tensão a longo prazo pode causar:

• Sobreaquecimento do motor
• Tensão de isolamento
• Erros do sistema de controlo
• Redução da vida útil do equipamento

P2: Qual é o nível de flutuação de tensão aceitável?

Na prática industrial geral:

• ±5% é uma diretriz comummente referenciada
• A automação de precisão e o equipamento eletrónico requerem frequentemente limites mais apertados

P3: Os estabilizadores de tensão podem eliminar completamente a flutuação de tensão?

Os estabilizadores de tensão podem reduzir significativamente a flutuação no lado da carga, mas os resultados óptimos dependem de:

• Seleção correta da capacidade
• Gestão da energia reactiva
• Coordenação adequada com a rede eléctrica

Considerações finais

A flutuação de tensão é comum em sistemas de energia industrial porque as cargas industriais são grandes, dinâmicas, indutivas e frequentemente ligadas a redes de alta impedância.

À medida que a automação industrial continua a expandir-se, a estabilidade da tensão torna-se um fator crítico para a fiabilidade da production e a proteção do equipamento.

Compreender as causas principais é o primeiro passo para conceber sistemas de energia industrial estáveis, eficientes e resilientes - e selecionar a solução de estabilização de tensão correta.

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