Projeto de sistemas de energia seguros e confiáveis para fontes de alimentação na mineração

Dentro das minas do mundo, equipamentos movidos a eletricidade transportam, trituram e moem rochas, transportam matérias-primas, iluminam cavernas escuras, operam bombas e ventiladores e acionam brocas, máquinas de corte, coletores de pó e talhas. A falha do equipamento leva a uma paralisação dispendiosa da produção, portanto, espera-se alta confiabilidade, apesar da vibração, do impacto e da exposição a produtos químicos, poeira, calor e umidade.

Projetar redes de abastecimento elétrico para esse ambiente e, ao mesmo tempo, garantir a segurança do trabalhador é um desafio, mas é ajudado pela disponibilidade de produtos elétricos comerciais certificados de acordo com padrões internacionais de operação e segurança. Para simplificar o projeto do sistema e garantir a compatibilidade entre os componentes, os projetistas podem usar uma única fonte para grande parte dos equipamentos necessários para criar uma solução completa.

Este artigo descreve resumidamente as demandas ambientais e de qualidade de energia que a mineração impõe aos equipamentos elétricos. Em seguida, ele apresenta exemplos de soluções especializadas da SolaHD e explica como elas podem ser aplicadas em uma abordagem de várias camadas para garantir a qualidade da energia e a segurança do trabalhador.

Os desafios da engenharia elétrica subterrânea

Nas minas, os equipamentos estão sujeitos a líquidos corrosivos, poeira combustível, fuligem, produtos químicos agressivos, vibração intensa, impacto aleatório, picos de energia e variações extremas de temperatura. No entanto, espera-se que os equipamentos e seus sistemas de energia sejam seguros e confiáveis.

A segurança é reforçada pela supervisão de instituições como a U.S. Mine Safety and Health Administration (MSHA) e a Federal Mine Safety and Health Act de 1977. Outro padrão dos EUA é o National Electrical Code (NEC), ou National Fire Protection Association (NFPA) 70. Esta norma abrange a instalação segura de fiação e equipamentos elétricos. O artigo 500 da NEC exige a instalação de equipamentos em conformidade com o código, testados e aprovados para riscos específicos, incluindo os encontrados em minas e seus arredores.

Para garantir a qualidade da energia, é necessário compreender a arquitetura básica de energia e os problemas associados.

As minas obtêm geralmente sua energia da rede CA, embora também seja usada energia CC de alta tensão, fornecida por conversão CA/CC ou microrredes CC no local. A fonte de alimentação ininterrupta (UPS) ou no-break é um exemplo. Os sistemas seguem um projeto básico: a energia de alta tensão da rede CA alimenta transformadores de alta tensão que abastecem uma subestação principal. A subestação principal distribui energia para várias subestações secundárias e diretamente para as cargas de motores maiores da mina. As subestações secundárias fornecem energia para cargas de média tensão e transformadores de média/baixa tensão conectados a outros equipamentos.

Embora essa rede de fornecimento seja normalmente estável, frequentemente surgem problemas de qualidade de energia. Esses problemas aparecem na forma de interrupções de energia, apagões temporários ou racionamentos, quedas de tensão, surtos de tensão, transientes de tensão, distorções harmônicas e ruído elétrico (Figura 1).

Figura 1: São mostradas formas de onda que representam problemas de qualidade de energia. (Fonte da imagem: Autor, usando informações da SolaHD)

Considere a causa e o efeito desses problemas de qualidade de energia:

Interrupções de energia: São perdas completas de energia por um período prolongado, normalmente causadas por um acidente ou falha de equipamento na rede de geração, ou distribuição da concessionária. As interrupções de energia podem causar falhas de hardware e travamentos em equipamentos baseados em computador, interromper operações e diminuir a vida útil dos equipamentos elétricos.

Racionamentos: Descrevem o que acontece quando a tensão fornecida fica abaixo dos níveis mínimos normais por um período prolongado. Ocorrem quando o excesso de capacidade ou outros problemas de rede forçam as concessionárias a reduzir a tensão para atender à demanda. Os efeitos dos racionamentos de energia são semelhantes aos das interrupções.

Quedas de tensão: As condições de queda e subtensão são os distúrbios de qualidade de energia mais comuns na mineração. Ocorrem quando um aumento significativo na carga estressa a fonte, fazendo com que a tensão de alimentação caia abaixo de um nível limite. O IEEE define uma queda como uma redução de tensão de 10 a 90% abaixo da tensão normal a 60 hertz (Hz). Um evento de queda dura menos de um minuto, mas mais de 8 milissegundos (ms). As subtensões duram mais de um minuto.

Tanto as quedas quanto as subtensões podem causar disparo incômodo do disjuntor, mau funcionamento e desligamento do equipamento ou falha prematura do equipamento. A operação contínua aumenta o risco de combustão ou explosão. Os sinais desses problemas incluem luzes fracas ou piscantes, unidades de HVAC com funcionamento insatisfatório, motores que esquentam e sistemas de controle de automação e computadores que travam ou desligam.

Surtos de tensão: Uma condição de surto ou sobretensão é um aumento temporário do nível de tensão por um período que varia de meio ciclo de frequência a alguns segundos. Esses distúrbios podem ser causados pelo desligamento de motores elétricos de alta potência e pelo ciclo normal dos sistemas HVAC. A exposição repetida a surtos de tensão pode estressar e enfraquecer os sistemas e causar disparos falsos de disjuntores e outros dispositivos de proteção.

Outro problema associado às sobretensões é a degradação do isolamento. A deterioração do isolamento coloca em risco a operação segura do sistema de energia da mina, servindo como catalisador de incêndios ou desencadeando explosões de metano, ou pó de carvão.

Transientes de tensão: Os transientes de tensão, ou picos, resultam de aumentos significativos e repentinos na tensão causados por fatores externos, como quedas de raios e comutação da rede elétrica. Eles também podem se originar dentro da mina devido a curtos-circuitos, disjuntores disparados e partida de equipamentos pesados.

Os equipamentos eletrônicos sensíveis correm o maior risco de sofrerem transientes de tensão que podem causar travamento ou falha do sistema, corrompendo ou excluindo dados valiosos.

Distorções harmônicas: Os problemas de tensão surgem quando múltiplos da frequência fundamental (como 180 Hz em um sistema de 60 Hz) ocorrem na onda senoidal da alimentação. A distorção harmônica existe devido às características não lineares de dispositivos como os acionamentos de velocidade variável (VSDs) e as cargas no sistema de energia. Os harmônicos levam ao aumento do aquecimento em equipamentos e condutores, à falha de ignição de VSDs e a pulsações de torque em motores. Outros sintomas de distorção harmônica em um sistema de energia de mineração são interferência no sistema de comunicação da mina, luzes piscando, disjuntores disparados e conexões elétricas soltas.

Há muitos motores elétricos nas minas, a maioria dos quais apresenta VSDs não lineares, o que os torna a principal fonte de harmônicos em uma operação de mineração. Além disso, o uso de um retificador de onda completa nos motores melhora a eficiência, mas gera harmônicos consideráveis.

Ruído elétrico: É um distúrbio de baixa amplitude, baixa corrente e alta frequência gerado dentro e fora da mina. As fontes incluem descargas atmosféricas distantes, fontes de alimentação chaveadas, circuitos eletrônicos, contatos ruins da escova do motor e fiação de baixa qualidade.

Os sinais de ruído são sobrepostos às formas de onda de tensão e podem causar falhas no computador e efeitos indesejáveis nos circuitos dos sistemas de controle.

Resolvendo problemas de qualidade de energia

A melhor maneira de enfrentar os desafios críticos da demanda contínua por energia de alta qualidade na mineração, garantindo ao mesmo tempo a robustez e os altos níveis de segurança elétrica, é adotar uma abordagem em várias camadas usando equipamentos certificados que incluem no-breaks, condicionadores de energia, dispositivos de proteção contra surtos (SPDs), transformadores e fontes de alimentação.

A Tabela 1 resume o melhor equipamento para controlar um determinado problema de qualidade de energia.

Tabela 1: Uma série de dispositivos de proteção é necessária para lidar com todos os problemas de qualidade de energia que podem ocorrer no ambiente de mineração. (Fonte da imagem: SolaHD)

É útil trabalhar com uma única fonte, como a SolaHD, para uma abordagem de qualidade de energia em várias camadas, a fim de simplificar o processo de projeto, aquisição e implementação, bem como para garantir a compatibilidade. Por exemplo, o no-break off-line SDU500B da empresa fornece energia reserva por 4 minutos (min) e 20 segundos (s) em plena carga e 14 minutos e 30 s em meia carga no caso de uma interrupção de energia (Figura 2). Conforme mostrado na Tabela 1, esse no-break também oferece suporte à fonte de alimentação principal em caso de racionamentos, quedas de energia, surtos de tensão, transientes de tensão e harmônicos.

Figura 2: O no-break off-line SDU500B fornece energia reserva por 4 min e 20 s com plena carga. (Fonte da imagem: SolaHD)

O no-break é montado em trilho DIN e usa baterias de chumbo-ácido (SLA) seladas e livres de manutenção, que são totalmente carregadas em oito horas. Fornece uma saída de 300 watts e 120 volts com uma onda senoidal simulada de 50 a 60 Hz e um tempo de transferência inferior a 8 ms. O no-break pode operar em uma faixa de temperatura de 0 a 50˚C e é um "componente reconhecido" para uso em áreas de risco com classificação de zonas, de acordo com a norma E491259, o que o torna adequado para operações de mineração.

Os condicionadores de energia da SolaHD também podem regular uma tensão em ±1% para variações de entrada de até +10/-20%, oferecem melhor atenuação de ruído e são projetados para suportar os ambientes elétricos mais adversos.

Os condicionadores de energia usam uma técnica de projeto de transformador chamada ferroressonância, que cria dois caminhos magnéticos separados no dispositivo com acoplamento limitado. Uma vantagem desse projeto é que a corrente de entrada contém uma corrente harmônica insignificante em relação à fundamental. O lado de saída do transformador apresenta um circuito de tanque ressonante paralelo e extrai energia do primário para substituir a energia fornecida à carga.

O regulador cabeado MCR de 120 volt-ampere (VA) 63-23-112-4 da SolaHD, por exemplo, é um condicionador de energia que fornece uma saída de 120 volts (±3%) a partir de uma entrada de 120, 208, 240 ou 480 volts. Garante excelente filtragem de ruído e proteção contra surtos, além de regulagem de tensão. A atenuação de ruído é de 120 decibéis (dB) no modo comum e 60 dB no modo transversal. Sua proteção contra surtos é testada de acordo com a forma de onda ANSI/IEEE C62.41 Classe A e B. O regulador cabeado MCR é uma boa opção quando há previsão de racionamentos, quedas de tensão, surtos, transientes, harmônicos e ruído elétrico.

Os SPDs protegem contra transientes de tensão prejudiciais ao equipamento. O supressor de surtos de tensão transiente (TVSS) SPD STV25K-24S da SolaHD é um dispositivo montado em trilho DIN que opera com uma entrada de 240 volts (até 20 A) e fornece proteção no ponto de uso usando um varistor de óxido metálico (MOV) (Figura 3).

Figura 3: O STV25K-24S TVSS SPD é um dispositivo montado em trilho DIN que opera com uma entrada de 240 volts (até 20 A) e oferece proteção contra surtos no ponto de uso. (Fonte da imagem: SolaHD)

O SPD da SolaHD é adequado para instalação em gabinetes de controle em ambientes industriais adversos, como em uma instalação de mineração. O dispositivo fornece 25.000 A de proteção contra surtos por fase. O tempo de resposta a um transiente é inferior a 5 nanossegundos (ns). O SPD incorpora fusível térmico para evitar o superaquecimento do MOV causado por níveis excessivos de corrente.

Especificação dos transformadores de isolação e das fontes de alimentação

Além de aumentar ou diminuir uma tensão CA de entrada para um valor de saída adequado, os transformadores de isolação podem proteger os dispositivos conectados ao lado secundário contra harmônicos e ruídos elétricos.

Um exemplo é o SolaHD E2H112S. Esse transformador de isolação é do tipo seco com eficiência energética e possui proteção contra intempéries. Ele tem uma entrada primária de 480 volts (até 135 A), oferece 208 ou 120 volts do secundário (até 315 A) e é dimensionado em 112,5 quilovolt-amperes (kVA) (Figura 4). O transformador também reduz os harmônicos e o ruído elétrico.

Figura 4: O transformador de isolação E2H112S recebe uma entrada de 480 volts no primário e oferece 208 ou 120 volts no secundário. O transformador também reduz os harmônicos e o ruído elétrico. (Fonte da imagem: SolaHD)

O transformador deve ser protegido contra correntes de irrupção por um disjuntor. É uma boa prática de projeto selecionar um dispositivo de disjuntor com um retardo de tempo adequado para eliminar disparos incômodos. Esse fenômeno ocorre quando a corrente de irrupção é alta, mas não tem duração suficiente para danificar o transformador.

As fontes de alimentação são essenciais para qualquer sistema de alimentação elétrica, fornecendo energia CA ou CC aos equipamentos e ajudando a filtrar o ruído elétrico da fonte principal. As versões montadas em trilho DIN são organizadas e economizam espaço. Modelos monofásicos e trifásicos de CA estão disponíveis; também é possível especificar dispositivos capazes de lidar com quedas de tensão até a metade da tensão da linha sem interrupção da potência de saída.

A SolaHD fornece uma variedade de fontes de alimentação em trilho DIN, como a fonte CA/CC SDN5-24-100C (Figura 5). Essa é uma fonte de alimentação monofásica e está em conformidade com a especificação E234790 para áreas de risco. Pode aceitar uma entrada de 85 a 264 volts CA (VCA) ou uma entrada de 90 a 375 volts CC (VCC), fornecendo uma saída nominal de 24 volts. A corrente de saída é de 5 A. A ondulação de tensão na saída é menor que 50 milivolts (mV) de pico a pico. A fonte de alimentação apresenta alta imunidade a interferência eletromagnética (EMI) e uma faixa de temperatura operacional de -25 a +60˚C. É compacta, mede 123 x 50 x 111 mm e é protegida contra falhas permanentes de curto-circuito, sobrecarga e circuito aberto.

Figura 5: A SDN5-24-100C é uma fonte de alimentação compacta, montada em trilho DIN, medindo 123 x 50 x 111 mm. (Fonte da imagem: SolaHD)

Conclusão

As minas são ambientes física e eletricamente desafiadores para garantir a qualidade da energia e a segurança dos trabalhadores. Os projetistas devem adotar uma abordagem de várias camadas em que cada componente do sistema de fornecimento elétrico possa operar de forma confiável e, ao mesmo tempo, reduzir os desafios da qualidade da energia. O equipamento elétrico também deve seguir as normas de segurança relevantes. Ao trabalhar com um único fornecedor, os projetistas podem construir rapidamente uma rede elétrica que aumenta a confiabilidade do local, reduz os custos de manutenção, garante a segurança e reduz os problemas de qualidade de energia antes que eles afetem as operações.