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“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 jstarosta@acaoenge.com.br

“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

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)

•MAS COMO INSTALAR???

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

kW

/kV

Ar

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

kW

/kV

Ar

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

kW

/kV

Ar

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

kW

/kV

Ar

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

kW

/kV

Ar

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

kW

/kV

Ar

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

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

54

.1

98

55

.1

99

56

.1

98

57

.1

99

58

.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

60 segundos

Perfil de carga “nervoso” – energia reativa

Espectro das Harmônicas da carga

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

A inserção de capacitores na rede e as harmônicas

fressonância=f(L,C) Harmônicas presentes

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

Inserção de capacitores em circuito típico Divisor de corrente

A

Icap=(ZL/(Zc+ZL))*It

A superposição de efeitos

60 Hz 300 Hz 420 Hz

ZL=jwL ZC= 1/jwC Urms

Irms

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

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

Os capacitores

Icap=I1cap+ I hcap

Ucap=U1cap+ Uh cap

Se Icap h >>> Icap1 Ucap h >>> Ucap1

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

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

SEM CAPACITORES

COM CAPACITORES

Ressonância

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

SEM CAPACITORES

COM CAPACITORES

Ressonância

O que fazer na ressonancia paralela???

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.

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

0.2550

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”

Sistemas de compensação de reativos Alguns aspectos de decisão

solução

Métodos da compensação da Energia Reativa

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

Santos Port, Brazil 12 systems, 3.8 MVAr total

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

Componentes do Sistema

O Controlador Módulo Capacitor e Indutor

Chave estática

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

Solução de compensação tempo real

Solda a ponto - automobilística

Confiabilidade do projeto ao start-up

Equipamentos compactos

O comportamento geral

antes depois

Tmanobra=16ms

Consumos maiores de 150 kvar por fase são

reduzidos a valores menores de 50 kvar

Tempos extremamente curtos

Sensível melhora da regulação de tensão

Sensível redução da corrente elétrica

Vf

Zrede

ZL0

I5 I7

I1

That´s All