Exploring the Influence of Starting Large Motors on Power Networks: A Comprehensive Study and Simulation Analysis

Abstract

Starting large motors in an industrial power system can pose significant challenges, including high inrush currents and voltage drops throughout the network. This thesis investigates the effectiveness of various motor starting methods in mitigating these issues for large industrial motors. The study focuses on analyzing several techniques, such as Direct On-Line (DOL), capacitor start, auto-transformer start, soft starters, and Variable frequency Dive (VFD), using Electrical Transient Analyzer Program (ETAP) software to conduct comprehensive load flow, short-circuit, and motor start analyses in a real-world industrial power system. The system in question is a water treatment plant, composed of two main sites, where the motors are installed: Estação de Bombagem de Água Bruta (EBAB) and Estação Elevatória de Água Tratada (EEAT). The findings reveal that while the DOL start method is simple and cost-effective, it causes substantial voltage dips and high inrush currents, particularly in the EBAB motor, where the voltage drops fell below acceptable limits. In contrast, the capacitor start method proved to be a viable alternative, with both motors maintaining voltage drops within defined limits. The auto-transformer start, although effective in reducing inrush currents, resulted in unacceptable voltage drops for the EBAB motor. The soft starter methods provided a balanced solution, with current control that effectively managed inrush currents and maintained voltage stability within safe limits. However, the current limit approach caused voltage drops below acceptable levels for the EBAB motor. Among all methods, VFD emerged as the most effective, offering precise control over inrush currents and ensuring voltage stability, making it ideal for both the EBAB and EEAT motors.

O arranque de motores de alta potência num sistema de elétrico industrial pode causar desafios significativos, incluindo correntes de arranque elevadas e quedas de tensão na rede. Esta tese investiga a eficácia de vários métodos de arranque de motores na mitigação destes problemas. O estudo centra-se na análise de várias técnicas, tais como o arranque direto, arranque por condensador, arranque por autotransformador, soft starter e inversor de frequência, utilizando o software ETAP para realizar análises abrangentes de fluxo de carga, curto-circuito e arranque do motor num sistema elétrico industrial. As conclusões revelam que, embora o método de arranque DOL seja simples e económico, provoca quedas de tensão substanciais e correntes de arranque elevadas, particularmente no motor EBAB, onde as quedas de tensão caíram abaixo dos limites aceitáveis. Em contraste, o método de arranque com condensador provou ser uma alternativa viável, com ambos os motores a manterem as quedas de tensão dentro dos limites definidos. O arranque por autotransformador, embora eficaz na redução das correntes de arranque, resultou em quedas de tensão inaceitáveis para o motor EBAB. O soft starter forneceu uma solução equilibrada, com o controlo de corrente a gerir eficazmente as correntes de arranque e a manter a estabilidade da tensão dentro de limites seguros. No entanto, a abordagem de limite de corrente causou quedas de tensão abaixo dos níveis aceitáveis para o motor EBAB. Entre todos os métodos, o VFD emergiu como o mais eficaz, oferecendo um controlo preciso das correntes de arranque e assegurando a estabilidade da tensão, tornando-o ideal para os motores EBAB e EEAT.