Acionamentos de elevadores, qualidade de energia e economia de energia

Os princípios básicos dos inversores de frequência, suas vantagens e como os harmônicos são criados.

Por Jonathan Bullick e Brad Wilkinson

Introdução

Nos últimos 25 anos, o uso de inversores de frequência (VFDs) de corrente alternada cresceu e, para muitos, eles se tornaram a forma preferida de controlar máquinas de tração de elevadores. As vantagens são bem documentadas e incluem maior eficiência do sistema, comissionamento simplificado e melhor qualidade de viagem. Cada vez mais, a questão da qualidade da energia no sistema elétrico se torna um ponto de preocupação na seleção e dimensionamento de sistemas de elevadores.

Objetivos de aprendizagem

Após ler este artigo, você deverá ter aprendido sobre:
♦ Componentes básicos e funcionamento de um inversor de frequência (VFD) e unidade regenerativa de elevador
♦ Como os acionamentos de elevadores CA criam harmônicos de corrente
♦ Como os harmônicos de corrente criam distorção de tensão e afetam o funcionamento de equipamentos elétricos
♦ Como reduzir os harmônicos de corrente em inversores de frequência de elevadores
♦ O custo e o desempenho relativos de várias soluções de mitigação e regeneração de harmônicos

Este artigo começa explicando os componentes básicos de um inversor de frequência (VFD) e como os harmônicos de corrente são criados. Uma breve visão geral da norma IEEE 519-1992 também é apresentada. Em seguida, são discutidas as normas aplicáveis ​​a instalações de elevadores e edifícios. Por fim, são apresentadas arquiteturas de acionamento avançadas com foco no desempenho harmônico e na economia de energia, além de uma análise de custo-benefício para cada tecnologia.

VFD de seis pulsos

O inversor de frequência de seis pulsos é o mais comumente aplicado em aplicações industriais, pois comprovou ser econômico e confiável. Um inversor de frequência de seis pulsos (Figura 1) consiste em três seções principais: a ponte de diodos de entrada, os capacitores intermediários do barramento CC e os transistores de saída.

O estágio de entrada é composto por uma ponte retificadora de diodos trifásica de onda completa que converte a energia CA trifásica de entrada em energia CC. Como os diodos permitem a passagem de corrente apenas em uma direção, deve-se observar que o estágio de entrada de um inversor de frequência de seis pulsos funciona como uma via de mão única – permitindo que a energia elétrica flua para o inversor, mas não de volta para a rede. 

O estágio intermediário, ou "barramento CC", é composto principalmente por capacitores. Os capacitores filtram a ondulação de tensão criada pela conversão CA/CC e atuam como um buffer, armazenando energia. 

O estágio de saída do inversor de frequência consiste em seis transistores bipolares de porta isolada (IGBTs), que ligam e desligam em alta frequência (geralmente 8 kHz ou superior), modulando assim a tensão CC dos capacitores do barramento. Essa tecnologia é conhecida como modulação por largura de pulso (PWM) e permite que o inversor gere uma saída CA trifásica de tensão/frequência variável para o motor do elevador. Controlando a magnitude e a fase da tensão e da frequência, o inversor consegue controlar o torque e a velocidade do motor. Diferentemente dos diodos de entrada, a corrente pode fluir em ambas as direções pelos IGBTs, permitindo que a energia seja devolvida aos capacitores do barramento CC.

Cargas Lineares e Não Lineares

Uma carga elétrica é qualquer dispositivo ao qual energia é fornecida ou consumida. Uma forma de classificar as cargas é pela natureza de seu consumo de corrente – linear ou não linear. Durante a operação em regime permanente, a impedância de uma carga linear não se altera ao longo do ciclo elétrico CA, e ela consumirá uma corrente puramente senoidal de uma fonte de tensão CA ideal (Figura 2). Exemplos de cargas lineares são resistores, capacitores, indutores e motores CA operando em regime permanente a partir da rede CA. 

Em contrapartida, a impedância de uma carga não linear varia ao longo do ciclo elétrico CA, e a carga consome corrente de forma irregular (Figura 3). 

Como a corrente irregular não é senoidal, ela contém harmônicos da frequência fundamental. Os harmônicos da corrente atuam sobre as impedâncias do sistema elétrico de um edifício. À medida que o número e a magnitude dos harmônicos aumentam, a tensão disponível para outras cargas dentro do sistema fica distorcida. Eventualmente, se a distorção for suficientemente alta, o funcionamento de outros equipamentos pode ser afetado negativamente (Tabela 1).

Em resumo, harmônicos de corrente mais elevados resultam em um maior consumo de corrente eficaz (rms) do sistema elétrico. O aumento da corrente significa que os equipamentos de alimentação (fusíveis, fios e transformadores) do sistema devem ser superdimensionados. Além disso, à medida que as correntes harmônicas fluem através de impedâncias resistivas, ocorre uma perda adicional de calor.

VFD como carga não linear

Os componentes eletrônicos que utilizam retificadores ou semicondutores como chaves durante a conversão de energia são todos cargas não lineares. Um edifício típico possui muitas cargas não lineares, incluindo lâmpadas fluorescentes; equipamentos elétricos antigos não compensados; e inversores de frequência (VFDs) que operam elevadores ou sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC). Quando conectado a uma fonte de alimentação trifásica, um retificador de seis pulsos cria dois pulsos de corrente não lineares durante cada meia onda da tensão CA (Figura 4). 

Os harmônicos de corrente gerados por um VFD são uma função do número de retificadores usados ​​no estágio de entrada do VFD e podem ser descritos pela seguinte equação:

h = kq ± 1

em que:

h = ordem harmônica

k = qualquer número inteiro

q = o número do pulso do retificador (ou seja, 6, 12, 18, etc.)

Usando a equação, um acionamento de seis pulsos geraria harmônicos de corrente localizados na quinta, sétima, décima primeira, décima terceira ordem, etc. A magnitude dos harmônicos de corrente diminui em ordens mais altas, sendo os harmônicos mais significativos em um acionamento de seis pulsos encontrados na quinta e sétima ordens.

Harmônicos

De acordo com o Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE), os harmônicos são definidos como “um componente sinusoidal de uma onda ou grandeza periódica cuja frequência é um múltiplo inteiro da frequência fundamental”. Para instalações na América do Norte, os harmônicos de uma rede elétrica de 60 Hz incluiriam as frequências listadas na Tabela 2.

A componente principal da corrente é chamada de fundamental, que ocorre na frequência da rede elétrica. Cada componente harmônica da corrente opera em uma frequência específica, n vezes a frequência da rede, e possui uma magnitude que depende da carga. A soma dessas componentes cria a corrente total que flui para a carga. Somente a componente fundamental da corrente gera trabalho útil na saída do equipamento. As demais componentes harmônicas são classificadas como potência reativa e não geram trabalho útil.

Cada um dos componentes atuais interage com a fonte de tensão através das impedâncias do sistema elétrico. Como algumas das impedâncias são comuns a múltiplas cargas na instalação, a influência é então compartilhada entre as cargas. Dessa forma, a tensão de alimentação das outras cargas fica distorcida pelo equipamento em questão.

A Figura 6 mostra como a adição de dois componentes harmônicos na quinta e sétima ordem pode potencialmente distorcer a tensão no sistema elétrico.

Fator de potência

O fator de potência também é usado, às vezes, para se referir à quantidade de harmônicos em um sistema. O fator de potência representa a razão entre a potência que está sendo utilizada para trabalho útil (potência ativa) na frequência fundamental e a potência elétrica total transferida. Um fator de potência unitário (1.00) é desejável e indica que toda a potência transferida está sendo consumida de forma útil pela carga. Um fator de potência baixo deve ser evitado, pois exige que os componentes elétricos sejam superdimensionados para acomodar a transferência de potência reativa e/ou harmônica não utilizada. 

A norma IEEE 519 descreve dois componentes que compõem o fator de potência total: o fator de deslocamento e o fator de distorção.

PF_Segurança = PF_Deslocamento X PF_Distorção                                                                    Equação 2

O PF_Deslocamento é a razão entre a potência ativa utilizada (medida em watts) e a potência reativa (medida em V/ampères) na frequência fundamental. O fator de deslocamento é afetado pela impedância da carga e calculado medindo-se a defasagem (Equação 3) entre a tensão aplicada e a corrente de carga. Um inversor de frequência de seis pulsos terá um fator de potência relativamente alto._Deslocamento, geralmente maior que 0.9.

PF_Deslocamento = cos(ø) Equação 3

PF_Distorção é o componente do fator de potência afetado pelos harmônicos. Representa a razão entre a corrente eficaz (rms) na frequência fundamental e a corrente eficaz total em todas as frequências.

PF_Distorção = I _{fundamental, rms} / I _rms                                                                 Equação 4

Norma IEEE 519-1992

A norma IEEE 519-1992, intitulada "Práticas e Requisitos Recomendados da IEEE para Controle de Harmônicos em Sistemas de Energia Elétrica", foi desenvolvida a partir da necessidade de definir e medir harmônicos de tensão e corrente aceitáveis ​​em nível de sistema. A concessionária de energia elétrica é responsável por fornecer aos seus clientes uma tensão senoidal limpa e com baixa distorção. Por sua vez, os clientes têm a responsabilidade de não gerar harmônicos de corrente em excesso e, consequentemente, não causar distorção de tensão indesejável para outros clientes. A norma IEEE 519 fornece uma base para a medição de harmônicos e define níveis harmônicos aceitáveis.

PCC

Conforme especificado na norma IEEE 519, o ponto onde o sistema elétrico da concessionária e o sistema do consumidor se encontram é definido como Ponto de Acoplamento Comum (PCC). Literalmente, é o primeiro ponto em que o sistema elétrico é distribuído dentro da instalação do consumidor; tipicamente, o painel de distribuição principal da instalação. O PCC é onde todas as cargas dentro do sistema do consumidor se unem para apresentar uma carga unificada à concessionária. Isso é importante porque algumas das cargas do consumidor podem, na verdade, compensar ou neutralizar o baixo fator de potência ou os altos harmônicos de outras cargas. Como resultado, a concessionária observa um agregado de todas as cargas do consumidor no PCC. A distorção da carga coletiva medida no PCC é frequentemente menor do que a distorção de qualquer carga não linear individual.

Dito isso, o grau em que uma carga impacta a concessionária depende em grande parte do tamanho e da capacidade de processamento dessa carga. Por exemplo, um único chiller de 200 hp, acionado por um inversor de frequência (VFD), funcionando em regime contínuo, terá um impacto muito maior no sistema elétrico do edifício e na carga da concessionária do que um sistema de elevador de 40 hp operando, no máximo, com 50% de sua capacidade. As correntes harmônicas provenientes do VFD do chiller, por si só, podem exceder a corrente total consumida pelo VFD do elevador, tornando a carga do elevador praticamente insignificante.

No entanto, como o painel de distribuição principal da instalação é frequentemente de difícil acesso para os instaladores de equipamentos, adotou-se a prática comum de aplicar os termos e condições da norma IEEE 519 ao sistema elétrico local acessível. Normalmente, trata-se da chave seccionadora que alimenta o equipamento em questão. Assim, na prática, o PCC (Ponto de Conexão Comum) torna-se a chave seccionadora do sistema de refrigeração. Da mesma forma, a chave seccionadora do sistema de elevadores é o PCC do fornecedor e instalador do sistema de controle de elevadores. Embora isso não seja tecnicamente correto de acordo com a norma (e, além disso, a concessionária de energia nunca faria tal medição), essa é a prática aceita. A teoria é que, se a qualidade da energia na chave seccionadora do equipamento estiver em conformidade, o equipamento não poderá, de forma alguma, afetar negativamente a qualidade da energia dentro do edifício.   

THD versus TDD

Embora o método de cálculo seja semelhante, a distorção harmônica total (THD) e a distorção de demanda total (TDD) podem resultar em valores numéricos significativamente diferentes. As definições a seguir foram extraídas diretamente da norma IEEE 519-1992.

A THD é calculada como a razão entre o valor RMS (raiz quadrada média) do conteúdo harmônico e o valor RMS da frequência fundamental, expressa como uma porcentagem da fundamental. Para ficar claro, este é um valor instantâneo, em um dado momento.

A distorção harmônica total (TDD) é calculada como a raiz quadrada da soma total dos quadrados das distorções harmônicas da corrente, em porcentagem da corrente de carga máxima demandada (demanda de 15 ou 30 minutos). Este método é dependente do tempo, pois o valor da corrente fundamental é determinado ao longo do tempo e a média desse valor é usada como ponto de referência para o cálculo. Isso cria uma representação mais precisa do que o chamado valor nominal da corrente realmente representa. As harmônicas da corrente são então comparadas a esse valor médio de longo prazo, fornecendo uma visão mais precisa do impacto no sistema. Essa é a razão para seu uso na determinação dos valores limite estabelecidos na norma IEEE-519.

A corrente fundamental de demanda máxima é a média de todas as correntes fundamentais de carga presentes no PCC (Ponto de Conexão Comum). Quando há apenas uma carga conectada ao PCC, como no caso de uma avaliação de equipamento singular (ou seja, um elevador), essa corrente se torna a corrente média nessa carga. Isso tende a complicar a medição e o cálculo subsequente, pois o elevador não opera continuamente. A corrente média é muito menor que o valor instantâneo. O valor de distorção harmônica total (THD) calculado em qualquer instante pode, então, ser influenciado pela carga e pelo número de operações do elevador ao longo do tempo. Para contornar esse problema, tornou-se comum medir a corrente e calcular o valor de THD enquanto o elevador está subindo em plena carga. Esse seria o ponto de consumo de corrente pseudomáximo do sistema elétrico e, portanto, o ponto que poderia exercer a maior influência sobre outras cargas dentro da instalação. 

Efeitos da impedância do sistema elétrico

A impedância do sistema elétrico que alimenta o PCC influencia o valor da distorção. Impedâncias de sistema mais altas geralmente resultam em sistemas mais facilmente distorcidos por uma determinada carga não linear. Isso é levado em consideração pela norma IEEE 519, que estabelece os limites de distorção com base na razão entre a corrente de curto-circuito disponível e a corrente média da carga. I_SC/I_LÀ medida que a impedância do sistema diminui, a relação aumenta; portanto, o nível de distorção permitido também aumenta. Os níveis são definidos da seguinte forma:

Os exemplos a seguir estabelecem alguns pontos de referência para o I_SC/_IL índices.

Exemplo 1

Considere que cada elevador é alimentado por um transformador de isolamento individual localizado no lado da linha do PCC (Ponto de Conexão Comum). O transformador é dimensionado com base na potência VA do motor do elevador (onde VA do transformador = potência nominal de plena carga)._motor x Volts_motor x 1.73). Se o transformador tiver impedância em torno de 5%, o resultado será I_SC/I_L será em torno de 20. Valores aceitáveis ​​de TDD seriam de 5% se a relação for inferior a 20 e de 8% se for igual ou superior a 20. Observe que isso seria considerado um dimensionamento mínimo para o transformador, e a configuração normalmente não seria empregada.

Normalmente, a corrente de plena carga (FLA) de entrada do controlador seria considerada ao dimensionar o transformador, o que aumentaria a potência em VA do transformador. O resultado é que... I_SC/_IL A proporção aumentaria para aproximadamente 25-30, e o valor TDD aceitável seria de 8%. 

Exemplo 2

Considere um conjunto de quatro elevadores alimentado por um transformador de distribuição, localizado no lado da linha do PCC (Ponto de Conexão Comum). O transformador é dimensionado com base na carga coletiva dos quatro controles dos elevadores. Se o transformador tiver uma impedância de 5.5%, o resultado será... I_SC/I_L ficará em torno de 75, sendo o TDD aceitável de 12%.

Exemplo 3

Considere que o elevador é alimentado diretamente pela rede elétrica principal do prédio, sem transformador. O prédio possui um transformador de alimentação principal de 800 kVA com impedância de 6.7%. O controlador do elevador é dimensionado para operar um motor de indução de 40 hp (padrão de 350 pés por minuto e 3,500 libras). O resultado é... I_SC/I_L seria em torno de 266, e um TDD aceitável seria de 15%.

Em geral, uma impedância de transformador mais alta diminui a I_SC/I_L relação, enquanto o superdimensionamento do transformador aumenta a relação. Com base nesses exemplos, pode-se estabelecer que, na maioria dos casos, a instalação típica de um elevador terá a I_SC/I_L A proporção situa-se no intervalo de 20 a 500. Isso significa que o valor alvo de TDD, com base na norma IEEE 519, estará no intervalo de 8 a 15%.

Topologias avançadas de acionamento de elevadores

Unidade Regenerativa

Durante um ciclo típico de elevador, a energia é inserida no sistema, armazenada e devolvida. No modo motor, a energia flui da rede elétrica para o motor e o trabalho mecânico é realizado quando a cabine do elevador se move. Além disso, tanto a energia potencial quanto a cinética são armazenadas no sistema do elevador e devolvidas ao inversor durante o modo gerador. Como a corrente não pode fluir pelos retificadores de entrada, a energia regenerativa é armazenada nos capacitores do barramento CC.

Tradicionalmente, resistores de frenagem têm sido usados ​​para dissipar o excesso de energia regenerada dos capacitores. À medida que a corrente flui para os capacitores, a tensão sobre eles aumenta. Quando a tensão do barramento CC atinge um limite, um circuito resistivo é fechado nos capacitores e a corrente flui através do resistor de frenagem, dissipando o excesso de energia elétrica na forma de calor. Esse calor representa perda de energia no sistema, uma vez que não pode ser recuperado. Os resistores de frenagem são duas vezes menos eficientes quando energia adicional é necessária para alimentar um aparelho de ar condicionado para resfriar a sala de controle.

Uma unidade regenerativa pode ser usada em substituição a um resistor de frenagem, e a energia regenerada pode ser devolvida à rede elétrica, onde é consumida por outras cargas do edifício. As unidades regenerativas estão se tornando cada vez mais populares, pois podem aumentar drasticamente a eficiência do sistema e reduzir o custo total de propriedade do elevador. 

Os componentes dos inversores regenerativos são semelhantes aos de um inversor de frequência de seis pulsos, exceto pela ausência do estágio de diodo de entrada. O inversor regenerativo possui capacitores no barramento CC e um estágio IGBT usado para fornecer corrente à rede principal. Além disso, um indutor é utilizado para suavizar o fluxo de corrente e sincronizá-la com a tensão e a frequência da rede principal.

Quando a tensão do barramento CC acoplado atinge um limite, os IGBTs da unidade regenerativa ciclam na mesma frequência da linha e a corrente flui de volta para a linha. Deve-se notar que, como os IGBTs da unidade regenerativa ciclam apenas a 60 Hz, há perdas de comutação significativamente menores durante a operação do que na operação PWM de um inversor de frequência. Como os IGBTs da unidade regenerativa chaveiam a corrente para a linha de maneira semelhante aos diodos em um retificador de seis pulsos, uma unidade regenerativa terá conteúdo harmônico semelhante ao de um inversor de frequência durante o modo regenerativo.

Filtragem passiva de harmônicos

Uma série de filtros passa-baixa para harmônicos pode ser instalada na entrada de um inversor de frequência (VFD) ou unidade regenerativa para reduzir as correntes harmônicas. O filtro harmônico é composto por indutores e capacitores e projetado de forma a permitir a passagem de corrente na frequência fundamental, mas bloquear a corrente em frequências mais altas. Por exemplo, os filtros harmônicos patenteados da KEB foram projetados para filtrar e cancelar os harmônicos de quinta, sétima, décima primeira, décima terceira, décima sétima e décima nona ordem, com o objetivo de atingir uma distorção harmônica total (THiD) inferior a 8% na carga nominal. Como o filtro opera em ambas as direções do fluxo de corrente, tanto na entrada quanto na saída do sistema elétrico do edifício, ele pode ser utilizado com unidades regenerativas.

Filtro harmônico KEB

Com o filtro harmônico, o fator de potência (FP)_SegurançaO valor de ) geralmente varia de 0.99 a 1.00. Os filtros harmônicos são robustos devido ao seu design passivo e ajudam a proteger o inversor de frequência e a unidade regenerativa contra distúrbios ou transientes na rede elétrica. Eles superam o desempenho de um transformador de isolamento, tornando-o desnecessário em casos onde o controlador pode operar diretamente com a tensão da rede. Além disso, com um filtro harmônico instalado, os capacitores no barramento CC do inversor de frequência e da unidade regenerativa apresentam uma ondulação de corrente muito menor, resultando em menor aquecimento e um aumento significativo (até três vezes) na vida útil.

Deve-se notar que o filtro harmônico introduz perdas resistivas adicionais ao sistema. No entanto, essas perdas são pequenas em relação à energia devolvida pela unidade regenerativa. Além disso, quando o inversor de frequência está ocioso, o filtro apresenta uma pequena carga capacitiva ao sistema elétrico. Contudo, se desejado, essa carga capacitiva pode ser desativada. Os filtros podem ser projetados com diferentes topologias para bloquear diferentes ordens harmônicas. Portanto, o desempenho pode variar consideravelmente de um filtro para outro. Em alguns casos, se o filtro não for projetado para lidar com operação anormal ou ressonância do sistema, ele pode danificar o inversor de frequência. Assim, é importante garantir que o filtro seja compatível com o inversor e a unidade regenerativa e aprovado para fluxo de energia bidirecional.

Front-end ativo

O sistema de front-end ativo (AFE) é composto por dois inversores conectados em sequência. O primeiro inversor sincroniza-se com a tensão da linha e retifica ativamente a tensão CA em CC. Este estágio de retificação ativa utiliza um filtro capacitivo indutivo para se conectar à linha CA. O resultado é uma corrente fluindo da linha em uma onda senoidal quase pura com baixa distorção harmônica; em muitos casos, pode ser inferior a 3% THiD. O PF_Segurança é regulado para um valor de 1.00. Além disso, um filtro EMI de alta qualidade na entrada do sistema é necessário, pois o retificador ativo gera um alto nível de EMI de modo comum em relação ao terra. O segundo inversor funciona como um acionador de motor e controla o motor como antes, independentemente do estágio de entrada.

Como o AFE utiliza PWM com alta frequência portadora, as perdas de comutação são maiores em comparação com a comutação em bloco da unidade regenerativa. As perdas no circuito de ferro do filtro AFE também são maiores em comparação com as de filtros harmônicos de tamanho similar. Os sistemas AFE só podem ser conectados a um sistema elétrico trifásico balanceado em estrela com aterramento central; sistemas conectados em triângulo não são permitidos. Além disso, as tensões de fase devem estar dentro de uma tolerância de +/-5% entre si. Um transformador deve ser utilizado em edifícios com sistemas elétricos em triângulo mais antigos ou se as fases estiverem muito desequilibradas. Um AFE supera os requisitos da norma IEEE 519, mas o desempenho adicional tem um custo mais elevado.

Análise de custo-benefício

VFD de seis pulsos

Um inversor de frequência de seis pulsos é a solução de acionamento CA mais econômica e deve ser considerado para todas as aplicações de tração. Em aplicações menores (<30 hp), um inversor de frequência padrão contribuirá com relativamente pouca distorção harmônica no sistema elétrico da instalação, portanto, soluções adicionais de baixa distorção harmônica provavelmente não serão economicamente viáveis. Novamente, as vantagens do inversor de frequência de seis pulsos são sua simplicidade, confiabilidade e economia de energia por meio de um controle aprimorado.

Reator de entrada (com VFD)

O uso de um reator ou indutor de entrada na entrada do inversor de frequência é altamente recomendado em todas as aplicações com inversores de frequência. Um reator de entrada representa um investimento relativamente modesto e melhorará drasticamente a distorção harmônica do inversor. O uso de um reator de entrada reduzirá o valor THiD de um inversor de frequência de seis pulsos de cerca de 80% para 45%. Um reator de entrada também oferece o benefício adicional de reduzir as correntes de pico nos retificadores e capacitores do barramento CC. Como resultado, a vida útil do capacitor do barramento CC geralmente dobra com o uso de um reator de entrada. Observe que um transformador de isolamento do inversor também alcançará o mesmo resultado, mas o custo do transformador é de oito a dez vezes maior que o de um indutor.   

Regeneração de energia

A seleção de aplicações que utilizam acionamento regenerativo deve ser criteriosa para garantir um retorno de investimento razoável. Devido à sua alta eficiência, todas as aplicações que utilizam motores de ímã permanente sem engrenagens devem ser consideradas. Instalações de alta demanda, onde os elevadores funcionam 24 horas por dia, 7 dias por semana, são excelentes candidatas para unidades regenerativas – exemplos de instalações incluem hospitais, hotéis e aeroportos. Alta velocidade (acima de 500 m/min) e alta capacidade (acima de 3,000 kg) também devem ser fortemente consideradas, visto que a grande massa em movimento em altas velocidades proporciona um retorno energético significativo – essas instalações incluem vagões de carga, edifícios comerciais, etc. Aplicações com engrenagens helicoidais de baixa velocidade, baixa capacidade e ineficientes não regeneram muita energia, portanto, a unidade regenerativa oferece pouco valor nesses casos. 

Normalmente, a adição de uma unidade regenerativa oferece o retorno do investimento mais rápido e proporciona o maior aumento na eficiência operacional do sistema de elevadores. Mesmo elevadores existentes que operam com um inversor de frequência podem ser facilmente atualizados com uma unidade regenerativa independente (por exemplo, uma pequena caixa de controle que é instalada fora do painel principal). A maioria das concessionárias de energia oferece descontos ou créditos compensatórios com base na atualização ou instalação de uma unidade regenerativa. Como uma unidade regenerativa contribui com harmônicos durante a operação de regeneração, alguma mitigação de harmônicos por meio de filtros pode ser considerada em determinadas aplicações. No entanto, auditorias energéticas mostraram que os elevadores representam uma parcela relativamente baixa do consumo de energia de um edifício – cerca de 3 a 5% do total.   Isso é significativo, pois significa que existem outras cargas no edifício, como os sistemas de climatização ou de iluminação, que potencialmente contribuem com muito mais harmônicos para o sistema elétrico do edifício do que o elevador.

Filtro passivo de harmônicos em série (com VFD e/ou regeneração)

Um filtro harmônico oferece excelente desempenho na mitigação de harmônicos a um preço acessível e deve ser considerado sempre que houver necessidade de atender ao padrão IEEE 519. O filtro geralmente pode ser instalado no painel de controle do elevador, dispensando uma caixa separada – isso ajuda a reduzir o custo inicial e é uma boa solução para salas de máquinas menores. O filtro elimina completamente a necessidade de um transformador de isolamento quando a tensão do controlador e a tensão do edifício são as mesmas. Nesse caso, a economia com a ausência desse transformador compensa o custo adicional do filtro. Como o filtro é passivo, ele não requer eletrônica separada para ser controlado. Em última análise, isso proporciona um sistema mais robusto.

AFE

Um AFE (Automatic Feedforwarder) oferece o melhor desempenho harmônico e é inerentemente capaz de regenerar energia de volta para a rede. No entanto, o AFE possui significativamente mais componentes e requer um esquema de controle mais sofisticado do que as outras soluções. Além disso, esse tipo de sistema é fisicamente maior do que uma combinação similar de inversor/regenerador/filtro. Contudo, à medida que o nível de potência relativa aumenta, a solução AFE se torna mais comparável à solução de filtro/regenerador em termos de custo e tamanho.   

O elevado custo inicial e o tamanho de um inversor de frequência para elevadores com sistema AFE limitam sua utilidade apenas a instalações de alta potência (acima de 50 hp), onde os custos já são elevados devido à velocidade ou capacidade do elevador. Certas instalações (como data centers, hospitais e aeroportos) com requisitos rigorosos de qualidade de energia também serão candidatas prováveis ​​para inversores de frequência para elevadores com sistema AFE.

Conclusão

Quando se trata de mitigação de harmônicos, nada é gratuito. Os componentes extras necessários para mitigar os harmônicos do inversor exigem mais espaço e aumentam o custo inicial do controlador do elevador. No entanto, o retorno do investimento pode ser obtido, em última análise, por meio de componentes elétricos menores, energia regenerativa, descontos nas concessionárias de energia e maior vida útil de outros componentes do sistema.

A norma IEEE 519 serve como diretriz e estabelece metas para uma qualidade de energia aceitável. Não é economicamente viável que todos os elevadores atendam a esses requisitos, pois outras cargas dentro do edifício terão um efeito preponderante. Em última análise, o proprietário do edifício ou um consultor precisará avaliar as diferentes tecnologias de acionamento e seus respectivos retornos de investimento para verificar se o investimento adicional em acionamentos regenerativos e mitigação de harmônicos justifica os benefícios.

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Perguntas de reforço da aprendizagem

♦ O que é uma carga não linear e como ela causa distorção de tensão?
♦ O que é fator de potência total e como ele se relaciona com os harmônicos da corrente?
♦ Como a tensão do sistema é distorcida pelos harmônicos da corrente?
♦ Quais são os diferentes métodos usados ​​para reduzir os harmônicos de corrente?#f7f4eequagem de distorção de tensão é criada?

Referências
[1] Práticas e requisitos recomendados do IEEE para controle harmônico em sistemas de energia elétrica, norma IEEE 519, 1992.
[2] Avaliações de conformidade com o limite harmônico usando IEEE 519-1992, S. Mark Halpin 1 e Reuben F. Burch, IV2
[3] ISR-Universidade de Coimbra. “Elevadores e escadas rolantes energeticamente eficientes.” Internet: www.e4project.eu, março de 2010. [3 de outubro de 2010].