Controle de sobretensões por comutação

June 23, 2024 Luciano Bertene

Nos sistemas de energia modernos, as operações de comutação são críticas para controlar os circuitos elétricos, transferir energia e manter a estabilidade do sistema. No entanto, estas operações de comutação podem representar vários desafios, especialmente se não forem realizadas adequadamente. Este artigo examina a importância de superar as dificuldades associadas às operações de comutação e discute estratégias eficazes para garantir uma rede elétrica estável e confiável.

Controle de surtos e sobretensões de comutação

Os surtos de comutação causam sobretensões na linha e devem ser controlados de forma eficaz para proteger o cabo e os dispositivos conectados. Isto pode ser conseguido usando os seguintes métodos:

Inserindo resistores

Normalmente existe um resistor R conectado em série com os contatos do disjuntor, que é usado na ligação, mas causa curto nos próximos ciclos. Isto reduz os transientes que causam surtos quando o disjuntor é ligado.

Fechamento controlado por fase de disjuntores

As sobretensões devem ser evitadas controlando de forma independente cada interrupção da alimentação trifásica. No entanto, isto requer dispositivos de monitorização complicados e, portanto, está fora de questão para uma aplicação.

Dissipar a carga presa antes de fechar novamente os disjuntores

Quando as linhas são desligadas rapidamente, a carga restante nos capacitores e nos condutores das linhas de transmissão pode desaparecer. Essa carga elétrica tende a fluir através dos isoladores para o terra. Normalmente, os resistores são inseridos no terra ou conectados em série com reatores shunt e removidos antes de desligar os interruptores.

Uso de reatores shunt

Os reatores shunt são usados para limitar o aumento de tensão causado pelo efeito Ferranti em linhas de alta tensão. Contudo, neste ponto haveria algumas oscilações na rede elétrica e a inserção de um resistor em série com os reatores suprimiria a mudança e limitaria os surtos.

Contenção de sobretensões de comutação usando pára-raios apropriados

A conexão de pára-raios ou pára-raios de projeto apropriado ajudaria a desviar a energia causada pelo surto para a terra e a suprimir o surto.

Compreendendo o desempenho da comutação atrasada

Na comutação de fontes de alimentação, os atrasos incluem diversos fenômenos indesejáveis, tais como:

comutação de transientes Durante as operações de comutação, flutuações rápidas na tensão e na corrente podem causar surtos de tensão transitórios que resultam em tensão nos componentes e interferência eletromagnética.
Picos atuais Mudanças repentinas nas condições de carga podem resultar em picos de corrente, potencialmente excedendo os limites operacionais seguros e causando falhas no equipamento.
Efeitos de ressonância As interações entre indutância, capacitância e resistência no circuito podem desencadear ressonâncias que levam a oscilações e picos de tensão.
Interferência Eletromagnética (EMI) A comutação rápida pode gerar ruído de alta frequência, o que resulta em interferência eletromagnética e causa interferência em sistemas eletrônicos vizinhos.

Desafios atrasados

Técnicas de comutação suave Ao implementar métodos de comutação suave, como comutação de tensão zero (ZVS) e comutação de corrente zero (ZCS), os picos de tensão e corrente durante transientes são minimizados. Isso reduz o estresse nos componentes e atenua os problemas de EMI.
Circuitos amortecedores A adição de circuitos amortecedores atenua sobretensões e overshoots transitórios, protegendo componentes sensíveis e reduzindo a interferência eletromagnética.
Drivers de portão ativos A utilização de gate drivers de alto desempenho garante um controle rápido e preciso das transições de comutação, minimizando perdas de comutação e reduzindo atrasos.
Distribuição de carga A distribuição adequada da carga entre vários conversores de energia evita desequilíbrios repentinos de energia, evita picos de energia e melhora a estabilidade do sistema.
Algoritmos de controle adaptativos Ao incorporar algoritmos de controle adaptativos, o sistema pode ajustar os parâmetros de comutação em tempo real com base nas condições de carga, otimizando a eficiência e minimizando eventos de atraso.
Filtragem e blindagem A implementação de técnicas eficazes de filtragem e blindagem reduz a interferência eletromagnética, evita interferência com outros sistemas e garante a conformidade com os padrões de compatibilidade eletromagnética (EMC).
Gerenciamento termal Mecanismos de resfriamento eficientes evitam o superaquecimento durante a comutação de alta frequência, preservando a integridade dos componentes e prolongando a vida útil do sistema.

Benefícios da gestão atrasada em sistemas de energia

Maior confiabilidade dos componentes

O gerenciamento eficaz de atrasos reduz o estresse nos componentes eletrônicos, resultando em maior confiabilidade e maior vida útil de componentes críticos, como transistores de potência, capacitores e indutores.

Eficiência aprimorada

Ao minimizar os picos de tensão e corrente, as técnicas de comutação suave e os algoritmos de controle adaptativos otimizam a eficiência do sistema, reduzem as perdas de energia e melhoram a eficiência energética geral.

Interferência eletromagnética reduzida (EMI)

O gerenciamento adequado de atrasos permite controlar o ruído de alta frequência e a interferência eletromagnética, garantir a conformidade com os padrões de compatibilidade eletromagnética (EMC) e minimizar a interferência com sistemas eletrônicos vizinhos.

Melhor estabilidade do sistema

Ao mitigar os efeitos de longo prazo, como efeitos de ressonância e picos de corrente, a estabilidade do sistema de alimentação chaveada é melhorada e a probabilidade de falhas do sistema e desligamentos inesperados é reduzida.

Maior densidade de potência

O gerenciamento eficaz de sobrecarga permite projetos com maior densidade de potência, resultando em sistemas de energia mais compactos e leves, sem comprometer o desempenho e a confiabilidade.

Maior flexibilidade

O sistema de fonte de alimentação chaveada pode se adaptar às mudanças nas condições de carga por meio do uso de algoritmos de controle adaptativos, tornando-o mais flexível e versátil para diversas aplicações.

Medidas de poupança

A maior confiabilidade dos componentes e a redução das perdas de energia resultam em economia de custos ao longo da vida útil do sistema, minimizando os custos de manutenção e substituição.

Conformidade com as normas de segurança

A implementação de técnicas de controle de comutação adequadas ajuda a cumprir os padrões e regulamentos de segurança e garante que o sistema opere dentro de limites operacionais seguros, mesmo sob condições de carga dinâmica.

Melhor desempenho do sistema

O gerenciamento de operações atrasadas proporciona transições de comutação mais suaves e efeitos de transição reduzidos, o que, por sua vez, leva a um melhor desempenho e capacidade de resposta do sistema.

Segurança futura

Ao abordar eficazmente os desafios vencidos, o sistema de fornecimento de energia chaveado torna-se mais resiliente a potenciais atualizações do sistema e evoluções futuras e pode responder a novas tecnologias sem grandes reformulações.

Fatos: Desafios atrasados na troca de fontes de alimentação

Definir fatos para lidar com desafios atrasados na comutação do sistema de energia:

Comutação de alta frequência e interferência eletromagnética

A comutação em altas frequências produz interferência eletromagnética (EMI).
A EMI pode afetar outros componentes e sistemas eletrônicos.
O gerenciamento da interferência eletromagnética é fundamental para a conformidade regulatória e o funcionamento adequado do dispositivo.

Perdas de energia e eficiência

Dispositivos de energia e componentes passivos sofrem perdas durante a conversão.
Uma alta prioridade é melhorar a eficiência para reduzir o desperdício de energia.

Gerenciamento termal

A comutação de fontes de alimentação gera calor significativo durante a operação.
Para evitar o superaquecimento e garantir a confiabilidade, o gerenciamento térmico adequado é fundamental.

Redução de tamanho e peso

A demanda por dispositivos eletrônicos menores e mais leves exige redução de tamanho.
Otimizar o projeto do circuito e usar materiais modernos são cruciais.

Ruído e ondulação

Ruído e ondulação na tensão e corrente de saída podem danificar componentes sensíveis.
Minimizar o ruído e a ondulação é crucial para uma fonte de alimentação estável.

Eficiência em grandes faixas de carga

Alcançar alta eficiência em toda a faixa de carga é um desafio.
Concentre-se em melhorar a eficiência em condições de carga total e carga leve/pesada.

Confiabilidade e envelhecimento

Com o tempo, os componentes se desgastam e envelhecem, afetando sua confiabilidade.
Análises rigorosas de confiabilidade e testes de estresse são essenciais para a longevidade.