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BEM-VINDO AO WEBINAR
“Influência das harmônicas na compensação reativa (correção do fator de potência) nas instalações elétricas de
baixa tensão”
por: José Starosta
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PALESTRANTE: Eng. José Starosta - Especialista em Qualidade de Energia
- Presidente da ABESCO - Associação Brasileira das Empresas de Serviços de Conservação de Energia - Diretor da Ação Engenharia. MEDIADOR: Eng. Hilton Moreno Consultor do Leonardo Energy Brasil
JOSE STAROSTA AÇÃO ENGENHARIA E INSTALAÇÕES LTDA [email protected]
“Influência das harmônicas na compensação reativa (correção do fator de potência) nas
instalações elétricas de baixa tensão”
www.acaoenge.com.br
Por que compensar os reativos ???
• Regulação de tensão/Qualidade de energia
• Tarifação de reativos
• Uso racional de energia
• Melhora da eficiência dos processos
M M MOTOR MOTOR
M M conc
MOTOR MOTOR CAPACITORES
ENERGIA REATIVA ENERGIA ATIVA
conc
Avaliação de P e Q
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
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4500
5000
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hora
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/kV
Ar
P
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Qinj
Q2
Avaliação do FP
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kW
/kV
Ar
P
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Qinj
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Avaliação do FP
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80,0
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hora
FP FP1
FP2
3 9 0
4 0 0
4 1 0
05 0 0
1 0 0 0
1 5 0 0
0
2 0 0
4 0 0
T O R Q U E - S O L D A P O N T O A Ç Ã O E N G E N H A R I A E I N S T A L A Ç Õ E S
Vp
tp
[
V]
I
[A
]Q
[
kV
Ar
]
T im e [S S .m s ]
50
.1
98
51
.1
98
52
.1
98
53
.1
98
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.1
98
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99
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.1
99
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.1
99
59
.1
99
00
.1
99
01
.1
99
06
.7
65
07
.7
65
08
.7
66
09
.7
66
10
.7
66
L 1 L 2 L 3 A vg /T o t
SOLDA A PONTO
Estamparia -Prensas
4 3 0
4 4 0
4 5 0
4 6 0
4 7 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
T O R Q U E -S E E S T A M P A R I A P E S A D A A Ç Ã O E N G E N H A R I A E I N S T A L A Ç Õ E S
Vp
tp
[
V]
Q
[k
VA
r]
T im e [S S .m s ]
15
.0
26
21
.1
60
27
.2
95
33
.4
30
39
.5
66
45
.7
02
51
.8
37
57
.9
71
04
.1
07
10
.2
44
16
.3
80
22
.5
15
28
.6
46
34
.7
76
40
.9
07
47
.0
41
L 1 L 2 L 3 A vg /T o t
M
13,2 kV
690 V
1500 kVA
5 %
690 V
1200 kVA
1005 Arms
6 pulsos
Ztrafo 0,01587 ohm
% A Ztrafo V
rms 1005
I1 100% 926 0,015870 25,41863
I5 39% 361 0,079350 49,56633
I7 14% 130 0,111090 24,91026
I11 8% 74 0,174570 22,3684
I13 3% 28 0,206310 9,913267
I17 5% 47 1,348950 110,1898
I19 3% 23 2,110710 84,51695
Irms/I 1,085818
THD 42% 22,0%
Como é o casamento das fontes e das cargas
M
G 690 V
1500 kVA
15 %
690 V
1200 kVA
1005 Arms
6 pulsos
Ztrafo 0,04761 ohm
% A Ztrafo V
rms 1005
I1 100% 926 0,047610 76,2559
I5 39% 361 0,238050 148,699
I7 14% 130 0,333270 74,73078
I11 8% 74 0,523710 67,10519
I13 3% 28 0,618930 29,7398
I17 5% 47 4,046850 330,5693
I19 3% 23 6,332130 253,5509
Irms/I 1,085818
THD 42% 65,9%
!!!!!!!!!!!!!!!!
MUDANÇA DE FONTE
Bus
Trafo 1000 kVA
13,8 kV/380V
N.O.N.O. N.O.
Bus
Cargas
M M M
N.O.
Gerador 1000 kVA
380V
Vf
Zrede
ZL0
I5 I7
I1
Vf
Zrede
ZL0
I1
Delta V
THDV
THDI
I
Perdas
Calor
Energia Reativa
Inserção de cargas não lineares-fonte: trafo
Vf
Zrede
ZL0
I5 I7
I1
N.O. Bus
Trafo 1000 kVA
13,8 kV/380V
N.O.N.O. N.O.
Bus
Cargas
M M M
Gerador 1000 kVA
380V
Vf
Zrede
ZL0
I5 I7
I1
Inserção de capacitores
Combinação fatal A combinação L(rêde) / C( kVAr) em um sistema elétrico define uma freqüência de ressonância.
A presença de cargas nesta rede, com espectro de corrente ( harmônica) nesta (ou próxima) a esta freqüência causará penetração de corrente no capacitor com queima posterior; ressonância.
hr= kVAcc/ kVAr cap
Comportamento da impedância com a freqüência
Impedâncias de L,C e equiv
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
60
18
0
30
0
42
0
54
0
66
0
78
0
90
0
10
20
11
40
12
60
13
80
15
00
frequência-Hz
Z (
oh
m)
Zeq
Zl
Zc
1000 kVA / 200 kVAr
Impedância do sistema e injeção de reativo “automática”
frequência de ressonância X Potência do capacitor - Trafo 2000 kVA
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 1680
frequência (hz)
imp
ed
ân
cia
eq
uiv
ale
nte
(o
hm
)
Z (200kVAr)
Z(400kVAr)
Z(600 kVAr)
Z(0)
Aspecto prático da ressonância:
Trafo de 1000 kVA/5%
•Banco de 50 kVAr: Hr=20
•Banco de 100 kVAr:Hr=14
•Banco de 200 kVAr: Hr=10
5a
13a
11a
15a
7a
Banco automático=busca pela ressonância
1 2 3 4 6 7
Resonance
Point (7th)
85
Resonance
Point (5th)
k
n
Decreased NIncreased N
DC MotorHarm Source
L1
IHarmonic
TrafoImpedance
C1 1. C N1.
A RESSONÂNCIA
0
5 0
1 0 0
1 5 0
2 0 0
2 5 0
3 0 0
H ar m o n ics G r ap hI M ains L oad1
Am
pe
re
s
H a rm o n ics
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1
L 1 - T H D : 1 8 .5 L 2 - T H D : 1 7 .4 L 3 - T H D : 1 9 .1
L ZjwL
w C L N2
1
2
1 1
01
Comportamento da impedância com a freqüência
Impedâncias de L,C e equiv
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
60
18
0
30
0
42
0
54
0
66
0
78
0
90
0
10
20
11
40
12
60
13
80
15
00
frequência-Hz
Z (
oh
m)
Zeq
Zl
Zc
1000 kVA / 200 kVAr
ressonância
N.O. Bus
Trafo 1000 kVA
13,8 kV/380V
N.O.N.O. N.O.
Bus
Cargas
M M M
Gerador 1000 kVA
380V
Vf
Zrede
ZL0
I5 I7
I1
A
A ressonância e as correntes nos capacitores
0
2 5
5 0
7 5
1 0 0
1 2 5
1 5 0
1 7 5
H ar m o n ics G r ap hI M ains L oad1
Am
pe
re
s
H a rm o n ics
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1
L 1 - T H D : 1 2 .0 L 2 - T H D : 1 5 .1 L 3 - T H D : 1 9 .3
S c o p e
Vp
hI
1
3 9 ° 8 4 ° 1 2 9 ° 1 7 4 ° 2 1 9 ° 2 6 4 ° 3 0 9 ° 3 5 4 °
V - L 1 V - L 2 V - L 3 I1 - L 1 I1 - L 2 I1 - L 3
Como calcular a frequência de ressonância paralela?
1
1
1
11
11
|| 1
; ; 1
22
2
22
2
NCLCL
jLCLZ
Cj
NCLCL
LLC
L
Z
LjLjCjN
LjLjCjN
ZZZZN
Z
LjZLjZCj
Z
TR
TR
TR
TRTR
TR
TR
LTRLC
LTRLTRC
Para quem ama as fórmulas:
Um Reator XL1 em série com o capacitor move a freqüência de ressonância para valores menores. A nova freqüência de ressonância se modifica para: Xc=XL+XL1 A nova freqüência de ressonância é deslocada para valores menores da menor harmônica dominante.
Soluções Dessintonizadas – Definicões
A frequência de ressonância se define pelo ponto de ressonância serie.
Os reatores conectados em série se definem por valores percentuais, definidos pela relação de sua impedância na frequência fundamental em relação a impedância dos capacitores na mesma frequencia.
Reator 60Hz Harmônica
7% 227Hz H3.78
6% 245Hz H4.08
14% 160Hz H2.67
5.67% 252Hz H4.2
Solução Dessintonizada de 7%
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.2550
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
Frequency
Imp
ed
an
ce (
Oh
m)
1 Step
2 Steps
3 Steps
4 Steps
5 Steps
6 Steps
36
Frecuencia
Impedancia
(O
hm
)
Paso 1
Paso 2
Paso 3
Paso 4
Paso 5
Paso 6
Comportamento com a dessintonia
Avaliação das impedâncias de dessintonia
-
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,0020
80
140
210
270
330
390
450
510
570
630
690
750
freqüência
Imp
ed
ân
cia
s
Zc+ZL2
ZL1
Ztot
Soluções Sintonizadas - Filtros
Os filtros passivos são “sintonizados” próximo a frequência harmônica.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
50
100
150
200
250
300
Imp
ed
an
ce (
Oh
m)
Frequency
1 Step 2 Steps
3 Steps 4 Steps5 Steps 6 Steps
7 Steps 8 Steps
9 Steps 10 Steps
11 Steps 12 Steps
13 Steps 14 Steps
15 Steps
Tuning frequency is just below harmonic frequency
38
Paso1
Paso3
Paso 5
Paso 7
Paso 9
Paso 11
Paso 13
Paso 15
Paso2
Paso4
Paso 6
Paso 2
Paso 10
Paso 12
Paso 14
O que fazer com niveis altos de THDV
Desconecte TODOS os capacitores: Se existirem diferenças significativas use solução desintonizada. Não existem diferenças? Solução sintonizada
2as e 4as harmônicas altas?- conversores de frequencia com problemas Rede com baixa Pcc - Solução desintonizada em 14% é preferida ao invés de 7% Compensação desbalanceada? – somente soluções 14%. Tensões harmônicas sem fontes de corriente - concessionaria. 5as harmonicas e superiores – 7% 3as harmonicas e superiores – 14%
39
O incremento de tensão e a compensação reativa
Em sistemas sem ressonância
% U= Qcap (kVAr) . Ztr (%) / Ptr (kVA)
Elevação abrupta de tensão na presença de capacitores RESSONÂNCIA
Fonte
(L)
carga Capacitor
(C)
•Z(%)
•P(kVA)
•RT
•Regime
•Linearidade
•Concepção
•Tipo de Manobra
•Z
•Q injetado
As correspondências
N.O. Bus
Trafo 1000 kVA
13,8 kV/380V
N.O.N.O. N.O.
Bus
Cargas
M M M
Gerador 1000 kVA
380V
Capacitores Gerador
X
Geradores e Capacitores
O que acontece??????
Sobre-excitação do gerador – “curva de capabilidade” com limitação de alimentação de carga capacitiva. Mudança da impedância da rede, com possibilidades de ressonância, mesmo que não ocorra quando da alimentação pelo trafo. (“efeito apagão”). Trafo/Gerador de 1000 kVA com 200 kVAr: Mudança da frequência de ressonância da 10ª harmônica para a 5ª harmônica!!!! O capacitor é uma das partes mais sensíveis do sistema, e não suporta “desaforos”. Quando ele queima, a impedância do sistema muda. Quando bem tratados, duram 15 anos. Injeção de reativo pode não ser adequada ao “tempo da carga”
“Culpabilidade”
Capacitores, Vnom e V serviço Z cte= 1/WC Qcap=U2/Z
Se ZL/Zc=7% Ucap = Un/0,93; Se Un=220V;
Ucap~237V (além das sobretensões da rede)
Inserção de L em série com C – U^~ ZL/ZC ;
“Nem sempre se pode aproveitar os capacitores existentes na inserção de indutores”
Se: U serv < U nom ; Q = (Userv/ Unom)2
(220/380)2=0,33 (380/440 )2 =0,75
30 kVAr/220, ligado em 380; 0,33 x 30 = 10 kVAr
Manobra: Estática vs. Eletro-Mecânica
Manobra
Estática
Manobra
Eletro-Mecânica
Vantagens da manobra estática: • Isenção de Transientes • Prevenção de desgaste de contato • Ilimitado número de Conexões e Desconexões
• Tempo da manobra
COMPENSAÇÃO EM TEMPO REAL
resumo de características Tempo de resposta Isenção de transientes de manobra Qualidade de energia assegurada Compatibilidade a cargas não lineares Confiabilidade Flexibilidade
kW=kVA
Guindastes
4 5 0
4 7 5
0
2 5 0
5 0 0
7 5 0
0
1 0 0
2 0 0
T E C O N - P T 3 - S T A R T - U P Ação Engenharia e Insta lações Ltda
Vp
tp [
V]
I [A
]Q
[k
VA
r]
T im e [HH:M M :S S ]
19
:28
:05
19
:28
:48
19
:29
:30
19
:30
:14
19
:30
:56
19
:31
:51
19
:32
:46
19
:33
:37
19
:34
:20
19
:35
:03
19
:35
:46
19
:36
:29
19
:37
:12
19
:37
:55
19
:38
:37
19
:39
:25
L1 L2 L3 Avg/Tot
0
1
2
4 0 04 2 54 5 04 7 5
- 0
2 5 0
- 0
2 5 05 0 0
0
1 0
2 03 0
C O S I P A -D N 3 -5 0 % -S C /C C AÇ AO ENGENHAR IA E INS TALAC OES LTDA
P.
FV
ptp
[V
]P
[
kW
]Q
[k
VA
r]T
HD
[%]
Vp
tp
T im e [H H :M M ]
16
:2
1
16
:2
2
16
:2
3
16
:2
3
16
:2
4
16
:2
5
16
:2
6
16
:2
7
16
:2
8
16
:2
9
16
:2
9
16
:3
0
16
:3
1
16
:3
2
16
:3
4
L 1 L 2 L 3 A vg /To t
Case-compensação reativa e THDV
Consumos maiores de 150 kvar por fase são
reduzidos a valores menores de 50 kvar
Tempos extremamente curtos