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Melhora nos Indicadores de Qualidade de Energia

utilizando Filtros de Harmônicas Sintonizados:

Estudo de caso em indústria de têmpera de vidros

Jeremias Wolff e Guilherme Schallenberger

Electric Consultoria e Serviços Resumo  Este artigo tem como objetivo apresentar resultados

obtidos através da instalação de filtros sintonizados em baixa tensão em uma indústria que tem como principal processo a têmpera de vidros. As medições apresentadas neste artigo foram feitas nas barras de baixa e média tensão e tem como objetivo mostrar as diferenças de qualidade de energia antes e depois da instalação de filtros sintonizados.

Apresenta-se como objetivo secundário a demonstração de resultados no PAC – Ponto de Acoplamento Comum do cliente com a concessionária de energia em média tensão e a seus impactos nos sistemas em baixa e média tensão.

Ao final ainda acrescentamos uma análise de fator k de transformadores com e sem filtros sintonizados.

Palavras-chaves  Filtro de Harmônicas, Filtro Passivo 

Sintonizado Têmpera de Vidros, Ressonância, Fator de Potência, Conversores, Medição, Carga não Linear.

I.INTRODUÇÃO

Este artigo tem como objetivo mostrar as vantagens da utilização de filtros passivos sintonizados.na melhora dos indicadores de qualidade de energia para o cliente como para a concessionária que o atende.

Do ponto de vista das concessionárias, o fornecimento de energia tem requisitos técnicos que devem ser atendidos, sendo o Prodist atualmente o principal meio para regular e controlar a qualidade de energia fornecida. Estas por sua vez, deverão dar cada vez mais atenção para a qualidade de energia fornecida a seus consumidores e o respectivo impacto provocado por estes em suas redes de transmissão e distribuição.

O processo produtivo da planta em análise é têmpera de vidro. Cada transformador descrito na figura 1 representa um forno de têmpera, composto por 3 motores de corrente contínua, acionados por conversores AC/DC e um conjunto de resistências para aquecimento.

Os motores de corrente contínua acionam grandes ventiladores, variando sua velocidade de 120rpm a 1800rpm em 1 minuto e reduzindo de 1800rpm para 120rpm no mesmo tempo. Este ciclo é feito durante todo o período de funcionamento da fábrica, nos 3 transformadores conforme a figura 1 durante 24 horas do dia.

Os problemas relacionados pelo cliente foram variados, indo de:

• Desligamento dos conversores AC/DC (baixa tensão link DC);

• Concessionária sentia problemas em seu alimentador e tinha distorções harmônicas elevadas;

• Desligamento de disjuntores (alta corrente harmônica aliada a baixo fator de potência);

• Travamento e queima de nobreak, lâmpadas, fontes de CLP’s e demais equipamentos de automação;

• Vibração de cabos de potência;

• Elevado ruído audível nos transformadores; • Aquecimento dos transformadores;

O estudo prévio do sistema envolveu medições na entrada de energia em 23kV (com acompanhamento da concessionária que atende a planta) e nas saídas dos 3 transformadores que alimentam os fornos de têmpera.

Verificada a necessidade de correção com filtros sintonizados, o projeto buscou atender os seguintes requisitos: • Redução do nível de DHTv% e DHTi%;

• Melhora na regulação de tensão; • Correção do fator de potência;

• Melhora nos indicadores de qualidade de energia solicitados pela Concessionária de Energia;

II.ANÁLISE E MEDIÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO O alimentador deste cliente é radial em 23kV, com uma corrente de curto-circuito trifásica de 1393A.

Fig. 1. Diagrama Unifilar Geral.

Na figura 1 são indicados os pontos de medição juntamente com o diagrama unifilar resumido da planta, com disposição dos transformadores, filtros e cargas.

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2

III. MEDIÇÕES E ANÁLISE EM 23KV – PAC CONCESSIONÁRIA

Fig. 2. Medição M1, DHTv[%], Vharm[%] e kVAr na Barra de 23kV.

Fig. 3. Medição M1, TDD[%], Vharm[%] e kVAr na Barra de 23kV.

Fig. 4. Medição M1, Tensão Fase - Fase [RMS] e KVAr em 23kV. Na figura 2 temos os gráficos com distorção harmônica total, tensões harmônicas e potências reativas. A potência reativa

(kVAr) foi plotada juntamente com as outras grandezas, para uma melhor visualização da atuação dos filtros (ligado x desligado)

O alimentador analisado não é exclusivo do cliente, sendo compartilhado com outros consumidores, tendo ao longo do seu caminho capacitores e reguladores de tensão.

Ainda na figura 2 podemos ver que entre as 8:00 e 10:00 os filtros estavam ligados, e a DHTv% estava em torno de 1,5%, onde a maioria dos consumidores opera normalmente neste horário no alimentador. No período entre as 00:00 e 06:00 o nível de DHTv% ficou em 4%, neste horário a maioria dos clientes estão desligados.

Na figura 3 são apresentados os gráficos com TDD[%](Total

Demand Distortion) e corrente harmônica [A]. A TDD[%] foi

utilizada com objetivo de gerar um valor % que represente a distorção para a carga máxima.A corrente harmônica foi plotada com valor absoluto, não sendo relacionada com corrente fundamental ou carga, gerando um valor seguro para análise.

A figura 4 representa o impacto da tensão com os filtros, ligados e desligados, basicamente relacionada a potência reativa compensada. O valor mínimo registrado com os filtros desligados foi de 22.786V, e 23.500V após a energização, melhorando em 714V(+3,13%) a tensão no PAC.

Fig. 5. Medição M1, comparação da DHTv% e Vharm% com filtro ligado e desligado.

Fig. 6. Medição M1, comparação da TDD% e Vharm% com filtro ligado e desligado.

As figuras 5 e 6 representam o impacto no sistema de distribuição com os filtros ligados e desligados, nos mesmos horários e mesma carga durante uma semana de análise. É importante traçar comparações que correlacionem as mesmas horas de operação, pois durante um dia a variação de distorção harmônica de tensão em um alimentador pode variar mais de 300%.

A DHTv% na barra de média tensão teve uma redução de 44%, passando de 3,05% com filtro desligado, para 1,7% (média no período de 5 dias) para o filtro ligado, sempre comparando mesmos horários e mesma carga.

00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 -500 500 1500 k V A R

TOT QFnd(kVAR) (av g)

1.5 2.5 3.5

%

A VThd (av g) B VThd (av g) C VThd (av g)

1.0 2.0 3.0 4.0

%

A V HG05 (av g) B V HG05 (av g) C V HG05 (av g)

0.2 0.4 0.6 0.8

%

A V HG07 (av g) B V HG07 (av g) C V HG07 (av g) DESLIGAMENTO FILTROS TOT Q Fnd(k VAR) Av g 1686 .9kVAR

DESLIGAMENTO FILTROS C VThd Av g 3.1 111% DESLIGAMENTO FILTROS C V HG05 Av g 2 .8 8 15 % 00:00 30/04/2014 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 -500 500 1500 k V A R

2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 %

A TDD (av g) B TDD (av g) C TDD (av g)

1 3 5 7 9 A m p s

A I HG05 (av g) B I HG05 (av g) C I HG05 (av g)

0.75 1.25 1.75 2.25 A m p s

A I HG07 (av g) B I HG07 (av g) C I HG07 (av g) DESLIGAMENTO FILTROS

C TDD Av g 12.5 93% DESLIGAMENTO FILTROS TOT Q Fnd(k VAR) Av g 1686 .9kVAR

DESLIGAMENTO FILTROS C I HG0 5 Av g 9.6 09 A 00:00 30/04/2014 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 -500 0 500 1000 1500 k V A R

TOT QFnd(kVAR) (av g) 22750 23000 23250 23500 23750 V o lt s

A-B Vrms (av g) B-C Vrms (av g) C-A Vrms (av g)

0.16 0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22 %

TOT Vunb(NegSeq) (av g) DESLIGAMENTO FILTROS

C-A V rms Av g 22 78 6V

DESLIGAMENTO FILTROS 1678.0kVAR

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3 A TDD% teve uma redução de 63%, passando de 12,14%

com filtro desligado, para 4,43% (média período de 5 dias) para o filtro ligado, sempre comparando mesmos horários e mesma carga.

A ordem mais atenuada foi a 5º harmônica, tanto para tensão com corrente. A atenuação é coerente com a sintonia do filtro que é próxima da quinta harmônica.

Abaixo temos a curva de carga típica durante 7 dias de medição.

Fig. 7. Medição M1, tendência potência ativa [kW], reativa [kVAr] e aparente [kVA] durante 7 dias de medição.

IV. MEDIÇÕES E ANÁLISE EM BAIXA TENSÃO – PONTO DE VISTA DO CONSUMIDOR

O sistema elétrico analisado é basicamente composto por motores de corrente continua, sendo os mesmos acionados por conversores AC\DC, possibilitando uma rápida variação de velocidade, separados em três transformadores conforme informações da figura 1 e tabelas I e II.

TABELAI. LISTAGEM DE CARGAS POR TRANSFORMADOR. Tipo de Carga Carga _[kW] Carga _[FP] Trafo _[-]

Motores DC Motores DC Motores DC 960kW 1292kW 1292kW 0,70i 0,70i 0,70i TR3 TR4 TR5 TABELAII. LISTAGEM DOS FILTROS POR TRANSFORMADOR.

Tipo de Filtro _{[kVAr/Tensão]}Potência Estágios _[n°/kVAr] Trafo _[-] Sintonizado Sintonizado Sintonizado 450kVAr/380V 540kVAr/380V 540kVAr/380V 5/90KVAR 6/90KVAR 6/90KVAR TR3 TR4 TR5

A correção do fator de potência era realizada por meio de banco de capacitores, mas devido ao elevado conteúdo harmônico os mesmos queimavam em poucas semanas.

No TR3 (2MVA) foi instalado um filtro de 450kVAr sintonizado na quinta harmônica. Para este caso, uma análise poderá mostrar que, para uma potência de 960kW e Fator de

Potência 0,70i, 450kVAr em potência reativa capacitiva não é suficiente para elevar o fator para 0,92i, entrando é importante considerar que o ciclo dos motores é de 2 minutos, saindo de 200kW para 960kW em 1 minuto e reduzido para 200kW no mesmo período. Assim, o filtro mantém o fator de potência em uma janela de 15 minutos perto da unidade (1,00i), além de possuir suportabilidade para corrente harmônica produzida pelos conversores AC\DC.

Os filtros instalados nos transformadores 4 e 5 são idênticos, sendo de 540kVAr cada, seguindo a mesma metodologia de dimensionamento do anterior. Cada filtro tem capacidade de drenar 100% de DHTi% do sistema elétrico.

Fig. 8. Medição M4, DHTv[%] e TDD[%] em 380V no TR5.

Fig. 9. Medição M4, Potência Ativa [kW] e Fator de Potência [%] em 380V no TR5. 16/04/2014 20/04/2014 24/04/2014 28/04/2014 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 k W TOT P(kW) (av g) -500 0 500 1000 1500 k V A R

0 1000 2000 3000 k V A

TOT S-arit(kVA) (av g)

11:30 15/04/2014 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 %

A VThd (av g) B VThd (av g) C VThd (av g)

0 5 10 15 20 25 %

A TDD (av g) B TDD (av g) C TDD (av g) FILTRO DESLIGADO A VThd Av g 13.22 00 % FILTRO DESLIGADO C TDD Av g 23.7 65 % FILTRO LIGADO B VThd Av g 5.6 937% FILTRO LIGADO C TDD Av g 5 .98 5% 11:30 15/04/2014 Tuesday 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 0 250 500 750 1000 k W TOT P(kW) (av g) -500 -250 0 250 500 750 k V A R

0 250 500 750 1000 1250 k V A

TOT S-arit(kVA) (av g) FILTRO DESLIGADO

763.3kVAR

FILTRO LIGADO 265.9kVAR

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4 Fig. 10. Medição M4, tendência das tensões e correntes harmônicas no TR5.

Fig. 11. Medição M4, Tensão e Desequilíbrio no TR5.

Fig. 12. Medição M4, DHTv% e Espectro harmônico de tensão com filtro ligado x desligado no TR5.

Fig. 13. Medição 4, DHTi% e Espectro harmônico de tensão com filtro ligado x desligado no TR5.

Na figura 8 temos a tendência da DHTv% e TDD% (Total

Demand Distortion) na saída do TR5 de 2MVA. A redução foi

de 57% para a DHTv% (valor máximo) passando de 13,22% para 5,69%. Na TDD% (valor máximo) a redução foi de 74%, passando de 23,76% para 5,98%.

A figura 9 representa a tendência da carga, que conforme já mencionado é pulsante, com período de funcionamento de 2 minutos, sendo indispensável uma integração de dados da ordem de segundos para uma boa representação da curva, diferente da medição no PAC em 23kV, onde é recomendado integração de 10 minutos.

Conforme pode ser verificado nas figuras 12 e 13 onde temos o espectro de harmônicas, houve uma maior atenuação da quinta harmônica, ordem de sintonia do filtro. As demais ordens também foram atenuadas em menor proporção, não sendo necessária a conversão ou modificação de estágios para outras sintonias, como 7º e 11° ordens.

Além da melhora nos indicadores de distorção harmônica e desequilíbrio tensão, houve uma melhor regulação de tensão, passando dos valores mínimos sem filtro de 358V, para 373V com o filtro ligado. Desta forma todos os conversores conseguiram trabalhar com potência máxima simultaneamente, não ocorrendo mais desarmes por tensão mínima no link DC. 11:30 15/04/2014 Tuesday 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 0 200 400 A m p s

0 50 100 A m p s

A I HG11 (av g) B I HG11 (av g) C I HG11 (av g) 0.0

5.0 10.0

%

0.0 1.5 3.0

%

0 2 4

%

A V HG11 (av g) B V HG11 (av g) C V HG11 (av g) F IL TR O LIGADO C V H G05 Avg 1. 5686% 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 360 370 380 390 400 410 V o lt s

A-B Vrms (av g) B-C Vrms (av g) C-A Vrms (av g)

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 %

TOT Vunb(NegSeq) (av g) FILTRO DESLIGADO

C-A Vrms Avg 358.9V _{C-A Vrms Avg 375.2V}FILTRO LIGADO

FILTRO DESLIGADO 0.9619%

FILTRO LIGADO 0.6673%

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5

V. MEDIÇÕES E ANÁLISE EM 380V – FILTRO

Fig. 14. Medição FILTRO, Potência Reativa (kVAr), Desequilíbrio de Corrente [%], correntes harmônicas [A]

Fig. 15. Medição FILTRO, DHTi% e espectro harmônico de corrente[A] drenado pelo filtro.

As figuras 13 e 14 representam o funcionamento do filtro passivo sintonizado, onde confirmamos a potência reativa injetada na rede é de 540KVAr (em 60 Hz) equilibrada, drenando as corrente harmônicas geradas pelos conversores AC\DC e ficando abaixo do seu limite máximo de 100% de DHTi%.

O filtro sintonizado trabalha na impedância da rede, fazendo um caminho de baixa impedância para as correntes harmônicas de sequência positiva e negativa. Importante colocar que em alguns momentos, pela análise da tensão harmônica pré-existente na rede, os filtros podem drenar mais corrente harmônicas do que foi considerado no estudo, mas ainda assim sendo muito eficientes para controle de tensão harmônica.

VI. ANÁLISE FATOR K - CONSUMIDOR

Conforme relatado no início deste arquivo, o cliente tinha problemas de sobreaquecimento e elevado ruído audível nos transformador, sendo que nenhum dos transformadores do cliente tinha fator K maior do que 1.

1_{UL Descrever Sigla}

Sabe-se que os transformadores com especificações de fator K (definido na fabricação) são projetados para reduzir os efeitos de aquecimento das correntes harmônicas criadas por cargas não lineares.

A classificação do fator K atribuída a um transformador é um índice relacionado ao transformador (projeto), de suportar um nível harmônico em sua corrente da carga nominal, permanecendo dentro de seus limites da temperatura de operação.

Uma classificação específica do fator K indica que um transformador pode fornecer além da saída nominal de carga em kVA, uma carga específica relacionada ao conteúdo harmônico.

Quando o transformador está sujeito a harmônicas, deve ter sua potência máxima redimensionada, com fator K definido abaixo:

Para transformadores existentes que não foram projetados com fator K, podemos utilizar o FHL (Factor Harmonic Loss) fator de perdas harmônicas, e aplicar o fator de redução no equipamento. = ∑ á ∑á (1)

Nota: o cálculo do “fator K” segundo definição da UL1_{e o} “fator FHL” segundo IEEE2_{, seguem as mesmas definições. O} que diferencia eles, é que o “fator K-UL” tem como corrente de base, a corrente nominal do transformador, é e um dado de placa do mesmo, o FHL tem como base a máxima corrente de carga medida.

O transformador em análise é um transformador à seco de 2MVA, com entrada em 23kV, fechamento em delta no primário e saída em 380V com fechamento em estrela aterrado. Este transformador não possui denominação de Fator K.

A análise abaixo visa simplesmente a comparação entre o “FATOR K C/ FILTROS”, e o “FATOR K S/ FILTROS”, não será analisada a redução de potência devido a harmônicas conforme a IEEE Std C. 57.110, pois além dos dados medidos seria necessários dados de projeto do transformador e ensaios que não estavam disponíveis.

− = ∑ !"!#$ % ""&á' "# (% ∑""&á'_"# !"_!#$% = ),)+, -,./0= 4,17 (2) − 7 = ∑ I ( I-$ 9 (:(&á' (:- h9 ∑ I( I-$ 9 (:(&á' (:-=3,005_1,018 = 2,95 (3)

2_{IEEE – Descrever Sigla}

15:00 15/04/2014 Tuesday 15:10 15:20 15:30 15:40 15:50 0 200 400 A m p s

-700 -625 -550 k V A R

0.50 1.25 2.00

%

TOT Iunb(Dev Av g) (av g)

0 30 60 A m p s

0 20 40 A m p s

(6)

6 Muitos fabricantes exigem a especificação do FATOR K do

transformador no momento da compra, sendo que em alguns casos a redução deste indicador com a utilização de filtros, poderá reduzir custos com aquisição de um transformador com fator K mais elevado, e consequentemente melhorar a qualidade de energia do sistema.

VII. RESUMO DOS RESULTADOS – CONCESSIONÁRIA E CONSUMIDOR

TABELA III. RESUMO DAS MEDIÇÕES – PONTO DE VISTA DA CONCESSIONÁRIA EM 23KV

Grandeza SEM FILTO PAC 23kV COM FILTRO PAC 23kV DHTv [%] TDD [%] Deseq. V-/+ [%] Tensão Min. [V] Fator de Potência 3,05% 12,14% 0,189% 22784V 0,85 1,71% 4,43% 0,144% 23214V 0,99i

TABELAIV. RESUMO DAS MEDIÇÕES – PONTO DE VISTA DO CONSUMIDOR EM 380V

Grandeza SEM FILTO TR5 380V COM FILTRO TR5 380V DHTv [%] DHTi [%] Deseq. V-/+ [%] Tensão Min. [V] *FP FATOR K 12,55% 26,27% 0,91% 358,9V 0,70i 4,17 5,45% 13,26% 0,66% 373,2V 0,89i 2,95 VIII.CONCLUSÃO

Com base nas medições realizadas, em média tensão (barra de 23kV – PAC do Consumidor), e nas barras de baixa tensão do cliente (380V), concluímos:

• As medições apontaram que houve uma melhora significativa nos indicadores de qualidade de energia na barra de 23kV da concessionaria, comprovando bons resultados com a entrada em operação dos filtros passivos sintonizados por parte do cliente. Concessionária confirmou sensível melhora no alimentador.

• O levantamento das cargas lineares e não lineares e a correta modelagem do sistema elétrico mostrou ser item indispensável para um projeto de filtros bem dimensionado.

• A compensação de reativos e redução da distorção harmônica em sistemas que possuem cargas não lineares como conversores AC\DC, quando associada à uma baixa potência de curto circuito, não deve ser feita através de banco de capacitores ou bancos dessintonizados.

• Sempre deve-se considerar como premissa de projeto a injeção de corrente harmônica por parte do consumidor e a distorção harmônica de tensão imposta pelo sistema de distribuição.

REFERÊNCIAS

[1] R. C. Dugan, M. F. Granaghan, S. Santoso e H. W. Beaty. Electrical Power System Quality, McGraw-Hill. 2003.

[2] J. Arrilaga, B.C. Smith, N. R. Watson and A. R. Wood. Power System Harmonic Analysis, John Wiley. 1997.

[3] C. Sankaran, Power Quality, CRC Press. 2002. [4] Dranetz, Dran-View 6 User’s Guide. [4] PTW32 (Power Tools for Windows) -Tutorial.

[6] Análise Técnico/Financeira para Correção de Fator de Potência em Planta Industrial com Fornos de Indução. Jeremias Wolff e Guilherme

Schallenberger - Electric Consultoria e Serviços 2010.