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Eng. Alexandre Carvalho Naves e Eng. MSc. Flávio Resende Garcia – IESA Projetos Equipamentos e Montagens 1 Contato: reativos@iesa.com.br - (16) 3303-1423 / 3303-1118
Resumo –Este artigo mostra o impacto da instalação de geração própria (co-geração) em plantas industriais sobre os equipamentos de correção do fator de potência do ponto de vista de componentes harmônicos.
I. NOMENCLATURA:
THDV – Distorção Harmônica Total - Tensão THDI - Distorção Harmônica Total – Corrente Z(Z) – Impedância Harmônica
II. INTRODUÇÃO:
Durante a maior parte do ano de 2001 e início do ano de 2002, o Sistema Elétrico Brasileiro teve que reduzir em 20%
o consumo de energia elétrica. O governo federal o adotou essa política como única forma de se evitar um colapso de todo o sistema causado pelo baixo nível de chuvas e o atraso nos investimentos em linhas de transmissão e sistemas de geração de energia . A geração própria de energia elétrica foi uma das soluções mais utilizadas para se manter o funcionamento das industrias na totalidade de sua capacidade e ainda obedecendo à determinação de economia de 20% no consumo de energia por parte das concessionárias.
Esse documento apresenta um caso exemplo de problemas com harmônicos em equipamentos de compensação reativa existente causados pela instalação de co-geração e geração própria. Os equipamentos de compensação reativa existentes nessas plantas começaram a ser afetados justamente após a instalação dos sistemas de geração própria. A IESA- INEPAR (fornecedora dos bancos de capacitores) foi chamado a dar um esclarecimento sobre o que esta ocorrendo com o equipamento e quais os motivos das falhas. O procedimento para a investigação dos problemas causados pelos harmônicos foi o seguinte:
1 – Análise dos capacitores falhados em laboratório;
2 – Medições de Harmônicos no Campo;
3 – Estudos de Penetração Harmônica e Relatórios Técnicos.
Todas as análises feitas pelo fabricante de capacitores indicaram que as falhas ocorreram por sobre-tensão. Na seção seguinte serão mostrados os resultados dos estudos e análises realizadas para um caso em baixa tensão.
III. ESTUDO DE CASO EM BAIXA TENSÃO:
Este caso apresenta um estudo harmônico realizado numa instalação elétrica de um jornal de circulação diária, dotado de impressora de grande porte. O sistema elétrico avaliado é o mais importante de toda a planta. Baseado nesse fato, no- breaks são utilizados para o mantenimento da tensão dentro de limites controláveis, porque existem vários equipamentos eletrônicos sensíveis na impressora principal. Para promover a correção do fator de potência, na instalação da impressora foi instalado em baixa tensão um banco de capacitores automático de 250 kvar em 380V.
Pouco tempo depois da instalação desse banco de capacitores, devido ao racionamento compulsório aplicado a todos os consumidores de energia elétrica, um grupo motor- gerador diesel foi adquirido e instalado no alimentador principal da planta para suprir a energia em condições de emergência. Um mês após a instalação do gerador, o fabricante do banco de capacitores foi chamado para analisar o que havia ocorrido, em um dos estágios do banco de capacitores. A figura 1 mostra a foto das unidades capacitivas após a falha.
Figura 1 - Células Capacitivas Falhadas
6,05 MVar
TR 1500 kvaX=3,8%
G
LV = 380V
HV = 13,8 kV
300 KVA PF=0,8 Scc=490 kva
Scc = 100 M VA
Power Supply
Distribution System
M IT M IT
Inverters
M IT M IT
6,05 MVar 6,05 MVar
TR 1500 kvaX=3,8%
G
LV = 380V
HV = 13,8 kV
300 KVA PF=0,8 Scc=490 kva
Scc = 100 M VA
Power Supply
Distribution System
M IT M IT
Inverters
M IT M IT
Figura 2 - Diagrama Unifilar do Sistema Elétrico do Jornal
Nesta planta os motores e inversores são alimentados através de transformador abaixador. As características do sistema elétrico supridor e da planta industrial são apresentados na tabela 1 a seguir:
TABELA I- CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO SISTEMA ELÉTRICO DO JORNAL
Característica Valor Unidade
Tensão Suprimento 13,8 kV
Frequência do Sistema 60 Hz
Potência de Curto-Circuito AT 100 MVA
Potência do Transformador 1,5 MVA
Reatância do Transformador 3,8 %
Potência do gerador 0,35 MVA
Potência de Curto-Circuito do Gerador
0,49 MVA
Fator de Potência do Gerador 0,8 ---
Demanda Ativa da Planta 240 kW
Demanda Reativa da Planta 180 KVAr
Casos Reais sobre o Impacto harmônico da Co-Geração em Equipamentos de Correção de
Fator de Potência em Plantas Industriais
250kvar
Eng. Alexandre Carvalho Naves e Eng. MSc. Flávio Resende Garcia – IESA Projetos Equipamentos e Montagens 2 A impressora de papel é a parte mais importante da
empresa. O banco de capacitor corrige o fator de potência enquanto o sistema é alimentado pela concessionária, como também, nas situações com contingências (gerador operando), porque alivia o gerador em termos de potência reativa, liberando-o para fornecer apenas potência ativa. Na tentativa de buscar uma solução para o problema, o sistema foi modelado e as seguintes condições foram analisadas:
A – Somente a Concessionária alimentando o Jornal:
Figura 3 - Forma de Onda da Tensão no Banco de Capacitores
Figura 4 - THDV Espectro Harmônico da Tensão no Banco de Capacitores
Figura 5 - Forma de Onda de Corrente no Banco de Capacitores
Figura 6 - THDI Espectro Harmônico da Corrente do Banco de Capacitores
A análise dessa situação mostra que existe uma ressonância acima da 30a. Harmônica, e isso não afeta de maneira alguma a vida útil dos capacitores do banco.O THDV situou- se em 0,22% e THDI em torno de 15%. A solução inicialmente ofertada pelo fabricante (quando não existia geração própria) estava correta.
B – Concessionária e Geração Própria em Paralelo:
Para essa situação os resultados obtidos são semelhantes aos mostrados no caso A. Isso demonstra que o a contribuição para o curto-circuito no PAC pela geração própria neste caso é muito pequena, não afetando os equipamentos instalados.
C – Somente a Geração Própria:
Figura 7 - Forma de Onda da Tensão no Banco de Capacitores
Figura 8 - THDV e Espectro Harmônico da Tensão no Banco de Capacitores
Figura 9 - Forma de Onda de Corrente no Banco de Capacitores
Figura 10 - THDI Espectro Harmônico da Corrente do Banco de Capacitores
A analise dos resultados desse caso, mostra que para essa situação, ocorre uma ressonância harmônica entre a 2a e a 3a harmônica, afetando a vida útil dos capacitores. O THDV
ficou próximo de 11% e o THDI em 60%.
Os resultados mostrados nas figuras de 7 a 10 justificam os problemas e falhas ocorridas com os capacitores nesta planta. Quando a planta é alimentada pela concessionária apenas ou pela concessionária em paralelo com o grupo motor-gerador, o ponto de ressonância entre o banco de capacitores e o equivalente do sistema ocorre em freqüências elevadas, devido à alta potência de curto- circuito da concessionária. Quando o mesmo sistema é alimentado apenas pelo sistema de geração própria, a ressonância se situa perigosamente em torno das freqüências mais baixas, em torno da 3a e 5a harmônica.
Para resolver os problemas mencionados neste caso, foram comprados e instalados filtros harmônicos fixos sintonizados nas frequencias de 300Hz, 420Hz e 4 estágios automáticos de bancos com reatores de dessintonia (Filtros Dessintonizados).
IV. CONCLUSÕES:
Foi observado que normalmente durante a instalação de geração própria, o critério de análise das freqüências harmônicas existentes não é levado em conta e problemas de ressonância ocorrem por causa da operação entre geradores próprios e bancos de capacitores para correção do fator de potência.
Os problemas mostrados neste trabalho poderiam ser evitados caso um completo estudo de fluxo harmônica tivesse sido realizado antes da instalação dos geradores próprios.
Após a detecção e identificação do problema pelo estudo realizado pelo fabricante, o cliente comprou os equipamentos adequados e desde então o sistema, com e sem geração própria, vem operando sem problemas e com o fator de potência corrigido.
Nota: Modelos para correntes nominais inferiores podem ser fornecidos sob consulta, porém, em correntes inferiores, a alternativa de tranferências através de contatores intertravados mecanicamente e proteções com disjuntores individuais para a distribuição e gerador, normalmente apresentam-se como solução mais econômica.
WEG ACIONAMENTOS
Av. Pref. Waldemar Grubba , 3.000 - 89256-900 - Jaraguá do Sul - SC Tel.: (47) 372-4000 - Fax: (47) 372-4050
www.weg.com.br - e-mail: wa-mkt@weg.com.br SÃO PAULO/SP: Tel.: (11) 5053-2300 - Fax: (11) 5052-4212
A corrente estabelecida em caso de curto-circuito numa instalação alimentada por um gerador, pode ser tão baixa quanto a 3 ou 5 vezes a sua corrente a plena carga, logo, os disjuntores em caixa moldada DW-G possuem seus disparadores ajustados para atuação nestas condições.
Tabela de seleção Disjuntores DW-G para proteção de geradores
220V 380V 440V
DW 125N - G DW 125N - G DW 125N - G DW 125N - G DW 125N - G DW 160N - G DW 250NA - G DW 250NA - G DW 250NA - G DW 800NA - G DW 800NA - G
Modelo
1) Corrente de disparo magnético (valor fixo) nos modelos DW 125 e DW 160, e ajustável nos demais 2) Outras correntes de disparo podem ser fornecidas sob consulta.
3) Acessórios, dimensões e demais dados técnicos: ver catálogo da linha de disjuntores em caixa moldada modelo 975.
Chaves de transferências motorizadas - CTM
Chaves de transferência com proteção da distribuição e do grupo gerador composto por dois disjuntores linha DW, motorizados, intertravados mecanicamente e com 4 contatos auxiliares. O intertravamento elétrico é realizado no circuito de comando, conforme instruções de montagem.
Modelo In (A)
1250 a 1600A 630 a 1250A
400 a 630A 200 a 400A
CTM 1600 CTM 1250 CTM 630
CTM 400 DW 630HA ou DW 800NA
DW 630HA ou DW 800NA DW 1600A
02 Disjuntores tipo 2 Acionamentos motorizados Composição (Fornecido somente montado)
Código para encomenda: CTM 400 / DW 800 NA.... - DW 800 NA - G.... / ...Vcc ou ca
Modelo Proteção da distribuição Proteção do gerador Tensão da motorização
Dimensões:
CTM 400-630 CTM 1250-1600
Disjuntores DW-G para proteção de geradores
In (A)
AM DW 630 - 1600 Im1)
(A) Gerador WEG - Modelo - kVA
em regime (60Hz, 4 pólos)
30 55 75 85 105 140 170 185 215 265 320
120
220
300
340
420
560
400/800
450/900
500/1000
650/1300
800/1600 GTA 200 PI05 - 20kVA
GTA 200 PI08 - 35kVA
GTA 200 SI12 - 50kVA
GTA 200 SI15 - 56kVA
GTA 200 SI17 - 70kVA
GTA 200 MI26 - 90kVA
GTA 200 MI30 - 112kVA
GTA 250 SI14 - 122kVA
GTA250 SI17 - 139kVA
GTA 250 MI25 - 170kVA
GTA 250 MI33 - 210kVA
GTA 200 PI05 - 21kVA
GTA 200 PI08 - 38kVA
GTA 200 SI12 - 55kVA
GTA 200 SI15 - 65kVA
GTA 200 SI17 - 80kVA
GTA 200 MI 26 105kVA
GTA 200 MI30 - 122kVA
GTA 250 SI14 - 140kVA
GTA 250 SI17 - 165kVA
GTA 250 MI25 - 200kVA
GTA 250 MI33 - 230kVA -
GTA 200 PI05 - 21kVA
-
-
GTA 200 PI08 - 38kVA
GTA 200 SI12 - 55kVA
GTA 200 SI15 - 65kVA
-
GTA 200 SI 17 - 80kVA
-
GTA 200 MI30 - 122kVA
GTA250 SI14 - 140kVA
GTA 250 MI25 - 200kVA - GTA 250 MI33 - 230kVA
- GTA 250 MI38 - 285kVA
- GTA 315 SI23 - 320kVA GTA 315 SI25 - 370kVA GTA 315 SI31 - 405kVA GTA 315 MI38 - 480kVA GTA 315 MI46 - 515kVA GTA 315 MI48 - 600kVA
- GTA 250 MI38 - 265kVA GTA 315 SI23 - 270kVA GTA 315 SI25 - 340kVA GTA 315 SI31- 360kVA
- GTA 315 MI38 - 450kVA GTA 315 MI46 - 465kVA GTA 315 MI48 - 520kVA
- - GTA 400 SI10 - 725 kVA GTA 400 MI15 - 830kVA GTA 400 MI17 - 910kVA GTA 400 LI20 - 1025kVA DW 800NA - G
DW 800NA - G DW 800NA -G DW 800NA- G DW 800NA - G DW 800NA - G DW 800NA - G DW 1600A - G DW 1600A - G DW 1600A - G DW 1600A - G DW 1600A - G DW 1600A - G
375
515 550 620 680 730 790 840 960 1100 1250 1380 1560
220V 380V
Modelo In (A)
Gerador WEG - Modelo - kVA em regime (60Hz, 4 pólos)
420
DW 800NA - G GTA 250 SI17 - 165kVA
900/1800
1300/2600 1400/2800 1600/3200 1700/3400 1800/3600 2000/4000 2100/4200 2400/4800 2800/5600 3200/6400 3500/7000 3900/7800 GTA 250 MI38 - 285kVA
GTA 315 SI25 - 370kVA GTA 315 SI31 - 405kVA GTA 315 MI38 - 480kVA GTA 315 MI46 - 515kVA
- GTA 315 MI48 - 600kVA
- GTA 400 SI10 - 725kVA GTA 400 MI15 - 830kVA GTA 400 MI17 - 910kVA GTA 400 LI20 - 1025kVA
-
440V
Im1) (A)
Mod. 978
1000/2000 GTA 315 SI23 - 320kVA
&255(17(6'(3$57,'$
3$57,'$'(02725(6(/e75,&26'(,1'8d286$1'2 2*5832*(5$'25&202)217('((1(5*,$
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GH
QUEDA DE TENSÃO (∆U) EM GERADORES SÍNCRONOS
QUEDA DE TENSÃO (∆U) PARA cos φ = 0 [pu]
Ip/In X*d
[pu] 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000 2.200 2.400 2.600 2.800 3.000 0.050 0.010 0.020 0.029 0.038 0.048 0.057 0.065 0.074 0.083 0.091 0.099 0.107 0.115 0.123 0.130 0.060 0.012 0.023 0.035 0.046 0.057 0.067 0.077 0.088 0.097 0.107 0.117 0.126 0.135 0.144 0.153 0.070 0.014 0.027 0.040 0.053 0.065 0.077 0.089 0.101 0.112 0.123 0.133 0.144 0.154 0.164 0.174 0.080 0.016 0.031 0.046 0.060 0.074 0.088 0.101 0.113 0.126 0.138 0.150 0.161 0.172 0.183 0.194 0.090 0.018 0.035 0.051 0.067 0.083 0.097 0.112 0.126 0.139 0.153 0.165 0.178 0.190 0.201 0.213 0.100 0.020 0.038 0.057 0.074 0.091 0.107 0.123 0.138 0.153 0.167 0.180 0.194 0.206 0.219 0.231 0.110 0.022 0.042 0.062 0.081 0.099 0.117 0.133 0.150 0.165 0.180 0.195 0.209 0.222 0.235 0.248 0.120 0.023 0.046 0.067 0.088 0.107 0.126 0.144 0.161 0.178 0.194 0.209 0.224 0.238 0.251 0.265 0.130 0.025 0.049 0.072 0.094 0.115 0.135 0.154 0.172 0.190 0.206 0.222 0.238 0.253 0.267 0.281 0.140 0.027 0.053 0.077 0.101 0.123 0.144 0.164 0.183 0.201 0.219 0.235 0.251 0.267 0.282 0.296 0.150 0.029 0.057 0.083 0.107 0.130 0.153 0.174 0.194 0.213 0.231 0.248 0.265 0.281 0.296 0.310 0.160 0.031 0.060 0.088 0.113 0.138 0.161 0.183 0.204 0.224 0.242 0.260 0.277 0.294 0.309 0.324 0.170 0.033 0.064 0.093 0.120 0.145 0.169 0.192 0.214 0.234 0.254 0.272 0.290 0.307 0.322 0.338 0.180 0.035 0.067 0.097 0.126 0.153 0.178 0.201 0.224 0.245 0.265 0.284 0.302 0.319 0.335 0.351 0.190 0.037 0.071 0.102 0.132 0.160 0.186 0.210 0.233 0.255 0.275 0.295 0.313 0.331 0.347 0.363 0.200 0.038 0.074 0.107 0.138 0.167 0.194 0.219 0.242 0.265 0.286 0.306 0.324 0.342 0.359 0.375 0.210 0.040 0.077 0.112 0.144 0.174 0.201 0.227 0.251 0.274 0.296 0.316 0.335 0.353 0.370 0.387 0.220 0.042 0.081 0.117 0.150 0.180 0.209 0.235 0.260 0.284 0.306 0.326 0.346 0.364 0.381 0.398 0.230 0.044 0.084 0.121 0.155 0.187 0.216 0.244 0.269 0.293 0.315 0.336 0.356 0.374 0.392 0.408 0.240 0.046 0.088 0.126 0.161 0.194 0.224 0.251 0.277 0.302 0.324 0.346 0.365 0.384 0.402 0.419 0.250 0.048 0.091 0.130 0.167 0.200 0.231 0.259 0.286 0.310 0.333 0.355 0.375 0.394 0.412 0.429 0.260 0.049 0.094 0.135 0.172 0.206 0.238 0.267 0.294 0.319 0.342 0.364 0.384 0.403 0.421 0.438 0.270 0.051 0.097 0.139 0.178 0.213 0.245 0.274 0.302 0.327 0.351 0.373 0.393 0.412 0.431 0.448 0.280 0.053 0.101 0.144 0.183 0.219 0.251 0.282 0.309 0.335 0.359 0.381 0.402 0.421 0.439 0.457 0.290 0.055 0.104 0.148 0.188 0.225 0.258 0.289 0.317 0.343 0.367 0.389 0.410 0.430 0.448 0.465 0.300 0.057 0.107 0.153 0.194 0.231 0.265 0.296 0.324 0.351 0.375 0.398 0.419 0.438 0.457 0.474 0.310 0.058 0.110 0.157 0.199 0.237 0.271 0.303 0.332 0.358 0.383 0.405 0.427 0.446 0.465 0.482 0.320 0.060 0.113 0.161 0.204 0.242 0.277 0.309 0.339 0.365 0.390 0.413 0.434 0.454 0.473 0.490 0.330 0.062 0.117 0.165 0.209 0.248 0.284 0.316 0.346 0.373 0.398 0.421 0.442 0.462 0.480 0.497 0.340 0,064 0.120 0.169 0.214 0.254 0.290 0.322 0.352 0.380 0.405 0.428 0.449 0.469 0.488 0.505 0.350 0.065 0.123 0.174 0.219 0.259 0.296 0.329 0.359 0.387 0.412 0.435 0.457 0.476 0.495 0.512 0.360 0.067 0.126 0.178 0.224 0.265 0.302 0.335 0.365 0.393 0.419 0.442 0.464 0.483 0.502 0.519 0.370 0.069 0.129 0.182 0.228 0.270 0.307 0.341 0.372 0.400 0.425 0.449 0.470 0.490 0.509 0.526 0.380 0.071 0.132 0.186 0.233 0.275 0.313 0.347 0.378 0.406 0.432 0.455 0.477 0.497 0.516 0.533 0.390 0.072 0.135 0.190 0.238 0.281 0.319 0.353 0.384 0.412 0.438 0.462 0.483 0.503 0.522 0.539 0.400 0.074 0.138 0.194 0.242 0.286 0.324 0.359 0.390 0.419 0.444 0.468 0.490 0.510 0.528 0.545
Tabela 5.3.1 - Queda de Tensão em Geradores Síncronos.
Onde: Ip = Corrente de Partida do Motor (em ampères) In = Corrente Nominal do Gerador (em ampères)
X*d = Xd' para máquinas com excitatriz e regulador eletrônico de tensão (geradores brushless) ou Xd"
para máquinas com excitatriz estática (geradores com escovas).
Xd"=18%
1
Exercício:
Dado o diagrama simplificado abaixo, dimensione e especifique um grupo motor-gerador para atender a planta industrial.
Informações adicionais:
- O GMG deve atender a planta em horário de ponta e na falta de energia, neste caso limitado a um período contínuo de 8 horas
0,94