Retrofits de Inversores de Alta Tensão em Usinas Elétricas

1 Estrutura Básica e Mecanismo de Funcionamento dos Inversores de Alta Tensão

1.1 Composição do Módulo

• Módulo Retificador: Este módulo converte a energia elétrica de alta tensão CA de entrada em energia CC. A seção de retificação consiste principalmente em tiristores, diodos ou outros dispositivos semicondutores de potência para realizar a conversão de CA para CC. Além disso, por meio de uma unidade de controle, pode-se realizar a regulação de tensão e a compensação de potência dentro de uma certa faixa.

• Módulo Filtro DC: A energia CC retificada é processada por um circuito de filtragem para suavizar as flutuações de tensão, formando uma tensão de barramento DC estável. Esta tensão não apenas fornece suporte energético para a etapa subsequente de inversão, mas também desempenha um papel crucial na garantia da estabilidade da tensão de saída e da capacidade de resposta dinâmica.

• Módulo Inversor: A energia CC filtrada é convertida de volta em energia CA no módulo inversor usando dispositivos semicondutores de potência, como IGBTs, e tecnologia de modulação de largura de pulso (PWM). Ajustando o ciclo de trabalho e a frequência de comutação do sinal PWM, o inversor pode controlar precisamente a amplitude e a frequência da energia CA de saída, atendendo às necessidades de várias cargas, como motores, ventiladores e bombas. Esta tecnologia permite que o inversor ofereça funções como partida suave, controle de velocidade contínuo, condições de operação otimizadas e economia de energia.

1.2 Mecanismo de Funcionamento

Os inversores de alta tensão utilizam uma topologia multicascata, produzindo uma forma de onda de saída que se aproxima muito de uma onda senoidal. Eles podem fornecer diretamente energia CA de alta tensão para acionar motores. Essa configuração elimina a necessidade de filtros adicionais ou transformadores de elevação e oferece a vantagem de baixo conteúdo harmônico. A velocidade do motor $n$ satisfaz a seguinte equação:

Onde: $P$ é o número de pares de polos do motor; $f$ é a frequência de operação do motor; $s$ é a taxa de deslizamento. Como a taxa de deslizamento é geralmente pequena (geralmente na faixa de 0–0,05), ajustar a frequência de alimentação do motor $f$ permite a regulagem correspondente de sua velocidade real $n$. A taxa de deslizamento do motor $s$ está positivamente correlacionada com a intensidade da carga - quanto maior a carga, maior a taxa de deslizamento, resultando em uma diminuição da velocidade real do motor.

1.3 Fatores Chave na Seleção Técnica

• Adequação de Tensão: Selecione esquemas de adequação apropriados, como "Alta-Alta" ou "Alta-Baixa-Alta", com base na tensão nominal do motor. Para motores com potência superior a 1.000 kW, recomenda-se o esquema "Alta-Alta". Para motores abaixo de 500 kW, o esquema "Alta-Baixa-Alta" pode ser priorizado.

• Atenuação Harmônica: Harmônicas são facilmente geradas nos terminais de entrada e saída dos inversores de alta tensão. Para reduzir seu impacto, podem ser empregadas técnicas de multiplexação ou filtros adicionais. Configurando corretamente os filtros, a distorção harmônica pode ser controlada em 5%, alcançando uma supressão eficaz de harmônicas.

• Adaptabilidade Ambiental: Os inversores de alta tensão requerem sistemas de resfriamento a ar ou a água para garantir que a temperatura interna do gabinete de controle permaneça abaixo de 40°C. Desumidificadores e unidades de ar condicionado são tipicamente instalados nos locais dos inversores. Em áreas especiais sem ar condicionado, as classificações de temperatura dos componentes devem ser consideradas durante o projeto, e a capacidade de ventilação dos sistemas de resfriamento deve ser aumentada para garantir a operação estável.

2 Exemplo de Aplicação de Inversores de Alta Tensão em Usinas Elétricas

O sistema de energia de uma usina elétrica geralmente inclui equipamentos de turbinas geradoras, caldeiras, tratamento de água, transporte de carvão e sistemas de dessulfuração. A seção da turbina fornece energia para bombas de água de alimentação e bombas de circulação, a seção da caldeira fornece ventiladores de forçamento (ventiladores primários), ventiladores secundários e ventiladores de exaustão, enquanto a seção de transporte de carvão opera transportadores de correia. Utilizando inversores de alta tensão para controle de velocidade variável desses dispositivos com base nas variações de carga, pode-se reduzir o consumo de energia, diminuir o consumo de energia auxiliar e melhorar a economia operacional.

Um projeto de produção de níquel-ferro em Morowali, Indonésia, localizado na ilha de Sumatra, comissionou oito unidades geradoras de 135 MW entre 2019 e 2023. Para otimizar ainda mais as operações internas e reduzir os custos de produção, foram implementadas retrofits técnicos envolvendo a instalação de inversores de alta tensão entre 2023 e 2024 para as bombas de condensado das Unidades 1, 2, 3, 4 e 7, bem como as bombas de água de alimentação das Unidades 2 e 5.

2.1 Status do Equipamento

O projeto utiliza um processo pirometalúrgico de níquel-ferro com 25 linhas de produção, equipado com oito caldeiras de leito fluidizado cíclico Dongfang Electric DG440/13.8-II1 e oito conjuntos de turbinas a vapor de reaquecimento intermediário e geradores de 135 MW. Cada unidade é configurada com duas bombas de condensado de frequência fixa, duas bombas reguladas por acoplador hidráulico e seis ventiladores regulados por acoplador hidráulico.

As bombas de água de alimentação e os ventiladores são projetados com redundância, fornecendo uma capacidade de backup de 10%–20%. As Unidades 5 e 6 operam em modo isolado com uma taxa de carga de aproximadamente 70%. Otimizando a velocidade do motor para atender às demandas de carga real e incorporando a retroalimentação de energia de frenagem regenerativa à rede, o consumo desnecessário de energia de ventiladores, bombas e outros equipamentos é reduzido, minimizando ainda mais as perdas de energia do sistema.

2.2 Esquema de Retrofit

Com base nas condições reais de operação do equipamento, foram implementados retrofits de inversores de alta tensão para as bombas de água de alimentação e bombas de condensado dos conjuntos geradores de 135 MW.

• Retrofit de Bomba de Água de Alimentação: Foi adotada uma configuração "Automática Um para Um", onde cada bomba de água de alimentação é equipada com um inversor de alta tensão dedicado, incluindo um gabinete de bypass para garantir a confiabilidade do sistema.

• Retrofit de Bomba de Condensado: Foi implementada uma configuração "Um para Dois", onde duas bombas de condensado compartilham um inversor de alta tensão, equilibrando eficiência e custo-benefício.

Considerando a faixa de temperatura máxima histórica local de 23–32°C, os componentes foram selecionados para operar em uma temperatura ambiente de 40°C. Além disso, o design de exaustão forçada do gabinete do inversor foi ajustado com base em uma temperatura de sala de 40°C para garantir a dissipação de calor eficaz, eliminando a necessidade de uma sala de inversor dedicada ou sistemas de ar condicionado.

2.3 Avaliação de Benefícios Econômicos

O investimento total para este projeto de retrofit foi de aproximadamente 6 milhões de RMB, incluindo 5 milhões de RMB para equipamentos, 400.000 RMB para construção e 600.000 RMB para materiais auxiliares fornecidos pelo cliente. Cálculos mostram um benefício anual de economia de energia de 6,58 milhões de RMB, permitindo a recuperação do investimento em menos de um ano, alcançando com sucesso os objetivos econômicos esperados.

3 Conclusão

Com o rápido desenvolvimento da tecnologia de inversores de alta tensão, suas aplicações se expandiram rapidamente em vários setores. Nos sistemas de produção de usinas elétricas, a tecnologia de inversores de alta tensão deve ser promovida ativamente. Prioridade deve ser dada ao retrofit de unidades com longas horas de operação ou aquelas que necessitam urgentemente de atualizações, pois tais medidas oferecem valor econômico significativo e importância estratégica.