BEM-VINDO AO WEBINAR Influência das harmônicas na compensação reativa (correção do fator de potência) nas instalações elétricas de baixa tensão

BEM-VINDO AO WEBINAR

“Influência das harmônicas na compensação reativa

(correção do fator de potência) nas instalações elétricas de baixa tensão”

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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

JOSE STAROSTA

AÇÃO ENGENHARIA E INSTALAÇÕES LTDA jstarosta@acaoenge.com.br

“Influência das harmônicas na compensação

reativa (correção do fator de potência) nas

instalações elétricas de baixa tensão”

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

A injeção de reativos e o FP

Q (kVAr) P (kW) S1 (kVA) 1 Qcap Q1 Q2=Q1-Qcap S2 (kVA) 2

Como compensar os reativos

• Instalar capacitores

(via de regra)

Avaliação de P e Q 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 hora k W /k V A r P Q1 Qinj Q2 Avaliação do FP 75,0 80,0 85,0 90,0 95,0 100,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 hora FP FP1 FP2 Avaliação de P e Q 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 hora k W /k V A r P Q1 Qinj Q2 Avaliação do FP 75,0 80,0 85,0 90,0 95,0 100,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 hora FP FP1 FP2 Avaliação de P e Q 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 hora k W /k V A r P Q1 Qinj Q2 Avaliação do FP 75,0 80,0 85,0 90,0 95,0 100,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 hora FP FP1 FP2 Avaliação de P e Q 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 hora k W /k V A r P Q1 Qinj Q2 Avaliação do FP 75,0 80,0 85,0 90,0 95,0 100,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 hora FP FP1 FP2 Avaliação de P e Q 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 hora k W /k V A r P Q1 Qinj Q2 Avaliação do FP 75,0 80,0 85,0 90,0 95,0 100,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 hora FP FP1 FP2 Avaliação de P e Q 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 hora k W /k V A r P Q1 Qinj Q2 Avaliação do FP 75,0 80,0 85,0 90,0 95,0 100,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 hora FP FP1 FP2

3 9 0 4 0 0 4 1 0 0 5 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 V p t p [ V ] I [ A ] Q [ k V A r ] T im e [S S .m s ] 5 0 . 1 9 8 5 1 . 1 9 8 5 2 . 1 9 8 5 3 . 1 9 8 5 4 . 1 9 8 5 5 . 1 9 9 5 6 . 1 9 8 5 7 . 1 9 9 5 8 . 1 9 9 5 9 . 1 9 9 0 0 . 1 9 9 0 1 . 1 9 9 0 6 . 7 6 5 0 7 . 7 6 5 0 8 . 7 6 6 0 9 . 7 6 6 1 0 . 7 6 6 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 V p t p [ V ] Q [ k V A r ] T im e [S S .m s ] 1 5 . 0 2 6 2 1 . 1 6 0 2 7 . 2 9 5 3 3 . 4 3 0 3 9 . 5 6 6 4 5 . 7 0 2 5 1 . 8 3 7 5 7 . 9 7 1 0 4 . 1 0 7 1 0 . 2 4 4 1 6 . 3 8 0 2 2 . 5 1 5 2 8 . 6 4 6 3 4 . 7 7 6 4 0 . 9 0 7 4 7 . 0 4 1 L 1 L 2 L 3 A vg /T o t

60 segundos

Perfil de carga “nervoso” – energia reativa

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%

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 T rafo 1000 kVA 13,8 kV/380V N. O. N. O. N. O. Bus Cargas M M M N. O. Ge rador 1000 kVA 380V Vf Zrede ZL0 I5 I7 I1 Vf Zrede ZL0 I1 Delta V THDV THDI I Perdas Calor Energia Reativa

Vf Zrede ZL0 I5 I7 I1 N. O. _Bus T rafo 1000 kVA 13,8 kV/380V N. O. N. O. N. O. Bus Cargas M M M Ge rador 1000 kVA 380V Vf Zrede ZL0 I5 I7 I1 Inserção de capacitores

A inserção de capacitores na rede

e as harmônicas

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.

Inserção de capacitores em circuito típico

Divisor de corrente

A

A superposição de efeitos

60 Hz 300 Hz 420 Hz Z_L=jwL Z_C= 1/jwC _Urms I_rms Médias quadráticas

Comportamento da impedância com a freqüência Impedâncias de L,C e equiv 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 60 180 300 420 540 660 780 900 1020 1140 1260 1380 1500 frequência-Hz Z (o h m ) Zeq Zl Zc 1000 kVA / 200 kVAr

Os capacitores

I

_cap

=I

_1cap

+

I

_hcap

U

_cap

=U

_1cap

+ U

_{h cap}

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) im p e d â n c ia e q u iv a le n te (o h m ) 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) 8 5 Resonance Point (5th) k n Decreased N Increased N DC Motor Harm Source L₁ I_Harmonic Trafo Impedance C1 1. C1.N

A RESSONÂNCIA

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 H a r m o n ics G r a p h I M ains L oad1 A m p e r e s H a r m o n ic s 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 Z jwL w C L N 2 1 2 1 1 0 1   

Comportamento da impedância com a freqüência Impedâncias de L,C e equiv 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 60 180 300 420 540 660 780 900 1020 1140 1260 1380 1500 frequência-Hz Z (o h m ) Zeq Zl Zc 1000 kVA / 200 kVAr ressonância N. O. _Bus T rafo 1000 kVA 13,8 kV/380V N. O. N. O. N. O. Bus Cargas M M M Ge rador 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 a r m o n ics G r a p h I M ains L oad1 A m p e r e s H a r m o n ic s 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 V p h I1 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

CCM 10 – 460V – PF / Pot. Reativa / THDV / THDI

SEM CAPACITORES

COM CAPACITORES

CCM EMERGÊNCIA – 460V – PF / Pot. Reativa / THDV / THDI

SEM CAPACITORES

COM CAPACITORES

Como calcular a frequência de ressonância paralela?  





1 1 1 1 1 1 1 || 1 ; ; 1 2 2 2 2 2 2 N CL CL j LC L Z C j N CL CL LL C L Z L j L j C j N L j L j C j N Z Z Z Z N Z L j Z L j Z C j Z TR TR TR TR TR TR TR LTR L C L TR LTR C                                   _        _       _    

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

Solução antirressonante ou “Dessintonizada” 34 Punto de resonancia (5ta) Punto de resonancia (7ma)

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 0.25 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Frequency Im p e d a n c e ( O h m ) 1 Step 2 Steps 3 Steps 4 Steps 5 Steps 6 Steps 36 Frecuencia Impe da nci a (Ohm) 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 1,00 20 80 140 210 270 330 390 450 510 570 630 690 750 freqüência Im p e d â n c ia 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 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 Imp edan ce ( O h m) Frequency 1 Step 2 Steps 3 Steps 4 Steps 5 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 4}as _{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%

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

Fonte (L) carga Capacitor (C) •Z(%) •P(kVA) •RT •Regime •Linearidade •Concepção •Tipo de Manobra •Z •Q injetado

As correspondências

N. O. _Bus T rafo 1000 kVA 13,8 kV/380V N. O. N. O. N. O. Bus Cargas M M M Ge rador 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”

Sistemas de compensação de reativos

Alguns aspectos de decisão

Capacitores, Vnom e V serviço

Z cte= 1/WC Q_cap=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 = (U_serv/ U_nom)2

_(220/380)2=_{0,33 (380/440 )}2 =_0,75

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

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

Santos Port, Brazil

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 Instalações Ltda

V p tp [ V ] I [A ] Q [ k V A r] Tim e [H H :M M :S S ] 1 9 :2 8 :0 5 1 9 :2 8 :4 8 1 9 :2 9 :3 0 1 9 :3 0 :1 4 1 9 :3 0 :5 6 1 9 :3 1 :5 1 1 9 :3 2 :4 6 1 9 :3 3 :3 7 1 9 :3 4 :2 0 1 9 :3 5 :0 3 1 9 :3 5 :4 6 1 9 :3 6 :2 9 1 9 :3 7 :1 2 1 9 :3 7 :5 5 1 9 :3 8 :3 7 1 9 :3 9 :2 5 L1 L2 L3 A vg/Tot

Componentes do Sistema

O Controlador

Módulo

Capacitor e

Indutor

Chave estática

0 1 2 4 0 0 4 2 5 4 5 0 4 7 5 - 0 2 5 0 - 0 2 5 0 5 0 0 0 1 0 2 0 3 0 C O S I P A -D N 3 -5 0 % -S C /C C A Ç A O EN G EN H A R IA E IN S TA LA C O ES LTD A P . F V p tp [ V ] P [ k W ] Q [ k V A r] T H D [% ] V p tp T im e [H H :M M ] 1 6 : 2 1 1 6 : 2 2 1 6 : 2 3 1 6 : 2 3 1 6 : 2 4 1 6 : 2 5 1 6 : 2 6 1 6 : 2 7 1 6 : 2 8 1 6 : 2 9 1 6 : 2 9 1 6 : 3 0 1 6 : 3 1 1 6 : 3 2 1 6 : 3 4 L 1 L 2 L 3 A vg /To t Case-compensação reativa e THDV

Solução de compensação tempo real

Confiabilidade do projeto ao

start-up

O comportamento geral

antes depois

Consumos maiores de 150 kvar por fase são reduzidos a valores menores de 50 kvar

Vf Zrede ZL0 I5 I7 I1

That´s All