estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

90
ETEP - FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO JOSÉ DOS CAMPOS ESTUDO DE CASO PARA ELIMINAÇÃO DOS EFEITOS DAS HARMÔNICAS EM BANCOS DE CAPACITORES UTILIZANDO FILTROS DESSINTONIZADOS Leandro Souza dos Santos Trabalho de Conclusão de Curso de Bacharelado em Engenharia Elétrica, orientado pelo MSc. Prof. Jonas Rubini Júnior ETEP Faculdades São José dos Campos 2014

Upload: leandro-santos

Post on 02-Apr-2016

213 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores utilizando filtros dessintonizados.

TRANSCRIPT

Page 1: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

ETEP - FACULDADE DE TECNOLOGIA

DE SÃO JOSÉ DOS CAMPOS

ESTUDO DE CASO PARA ELIMINAÇÃO DOS EFEITOS DAS

HARMÔNICAS EM BANCOS DE CAPACITORES UTILIZANDO

FILTROS DESSINTONIZADOS

Leandro Souza dos Santos

Trabalho de Conclusão de Curso de Bacharelado em Engenharia Elétrica, orientado pelo

MSc. Prof. Jonas Rubini Júnior

ETEP Faculdades

São José dos Campos

2014

Page 2: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

ETEP - FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO JOSÉ DOS CAMPOS

ESTUDO DE CASO PARA ELIMINAÇÃO DOS EFEITOS DAS

HARMÔNICAS EM BANCOS DE CAPACITORES UTILIZANDO

FILTROS DESSINTONIZADOS

Leandro Souza dos Santos

_________________________________

MSc. Prof. Jonas Rubini Júnior

Orientador Acadêmico

ETEP Faculdades

São José dos Campos

2014

Page 3: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

3

“Não tentes ser bem sucedido, tenta antes ser um homem de valor.”

Albert Einstein

Page 4: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

4

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus, que possibilita a realização de todas as coisas.

Aos meus pais, José e Silvia, pelo apoio e motivação para que concretizasse meus sonhos e

aspirações.

Aos meus irmãos, Carolina e Gabriel, pela compreensão nesses anos de estudo.

À minha namorada, Natalí, pelo apoio em todos os momentos e pela motivação.

Aos meus amigos e colegas, sejam eles de longa data, da Polis Engenharia ou da ETEP

Faculdades, pelos momentos de confraternização e pelas dificuldades também.

Ao meu orientador acadêmico Professor Jonas por me acompanhar neste trabalho, auxiliando

e realizando importantes apontamentos para o andamento deste.

Muito Obrigado a todos!

Page 5: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

5

RESUMO

Este trabalho consiste em um estudo específico de filtros dessintonizados aplicados na

eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores para correção do fator de

potencia através do estudo de caso de um sistema em uma indústria alimentícia em São José

dos Campos. Inicialmente, apresentou-se o comportamento do sistema trifásico em um

sistema elétrico de potência e de seu principal componente, o transformador, sem considerar

os efeitos de harmônicas no sistema. O conceito de fator de potência foi explanado, visando

juntamente com as causas do baixo valor deste fator, sobretudo em relação aos valores

normativos. Abordou-se, também, aspectos para a correção do fator de potência, destacando-

se o uso de banco de capacitores controlados, o qual é utilizado no estudo de caso do sistema.

Em relação à qualidade de energia, foram abordadas questões sobre o fenômeno de

harmônicas em instalações com banco de capacitores. A partir desse comparativo, constatou-

se a necessidade do uso de filtros dessintonizados em série com os estágios capacitivos do

banco de capacitores, criando um caminho que escoe as harmônicas que podem causar

ressonância no sistema, comprometendo o funcionamento e integridade do banco de

capacitores. A metodologia empregada, de estudo de caso, abordou as etapas necessárias para

aplicar o estudo visto às necessidades do cliente, a partir de coletas de dados, verificação da

necessidade do sistema de correção do fator de potência, análise das harmônicas e

desenvolvimento do filtro. Com este filtro, o sistema foi modelado para simulação onde foi

constatada a eficácia do sistema, o qual dessintonizou o banco de capacitores, além de

contribuir para a diminuição das harmônicas. Esses resultados foram evidenciados

principalmente quando comparados com o sistema sem a presença dos filtros.

Palavras Chave: fator de potência; banco de capacitores; qualidade de energia; harmônicas;

filtro.

Page 6: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

6

ABSTRACT

This work consists in a specific study of detuned filter applied in elimination of the effects of

harmonics in capacitor banks to correct the power factor through the study of the case of a

system in a food processing industry in São José dos Campos. First of all, was presented the

behavior of the three-phase system and its main component, the transformer, not considering

the effects of harmonics in the system. The concept of power factor was explained, along with

the causes of this low factor, especially related to normative values. It was also explained

about the aspects of the correction of power factor controlled which is used in the study of

case. About the energy’s quality it was explained about the phenomenon of harmonics,

especially in installations with capacitor bank. From the comparison, it was found the

necessity to use detune filters with the capacitors, creating a path to drain the harmonics that

cause resonance in the system, affecting the functioning of the capacitor bank. The

methodology used, case study, showed the necessary steps to do the study for the client, from

data collection, verification of the necessity of capacitor banks, harmonic analysis and

development of the filter. With the filter, the system was modeled for simulation where it was

verified the effectiveness of the system, which detuning the capacitor bank ,and contribute to

the reduction of harmonics. These results have been shown comparing the system without

filters.

Key Words: power factor; capacitor bank; power quality; harmonic; filters.

Page 7: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

7

SUMÁRIO

Pág.

LISTA DE FIGURAS .................................................................................................................. 9

LISTA DE TABELAS ................................................................................................................. 11

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .................................................................................. 12

1 INTRODUÇÃO...................................................................................................................... 13

1.1 OBJETIVO DO TRABALHO ........................................................................................... 14

1.2 JUSTIFICATIVA ............................................................................................................... 14

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ......................................................................................... 15

2.1 SISTEMAS TRIFÁSICOS E TRANSFORMADORES .................................................... 15

2.2 FATOR DE POTÊNCIA .................................................................................................... 19

2.2.1 CONCEITOS .......................................................................................... 19

2.2.2 CAUSAS DO BAIXO FATOR DE POTÊNCIA ................................... 21

2.2.3 LEGISLAÇÃO ........................................................................................ 22

2.2.4 CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA ........................................... 24

2.3 MÉTODOS DE CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA ............................................ 27

2.3.1 TOPOLOGIA PARA SISTEMAS COM CAPACITORES ................... 27

2.3.1.1 SISTEMA DE CORREÇÃO SIMPLES (FIXO) ................................. 27

2.3.1.2 SISTEMA DE CORREÇÃO CONTROLADO (AUTOMÁTICO) .... 29

2.3.2 POSICIONAMENTO DO SISTEMA DE CAPACITORES .................. 30

2.4 QUALIDADE DE ENERGIA ............................................................................................ 32

2.4.1 HISTÓRICO ........................................................................................... 32

2.4.2 EFEITOS RELACIONADOS A QUALIDADE DE ENERGIA ........... 33

2.5 DISTORÇÕES HARMÔNICAS ........................................................................................ 36

2.5.1 DEFINIÇÕES ......................................................................................... 36

2.5.2 ANÁLISE MATEMÁTICA DOS EFEITOS DAS HARMÔNICAS ..... 37

2.5.2.1 ANÁLISE DA COMPOSIÇÃO HARMÔNICA ATRAVÉS DA SÉRIE DE

FOURIER 37

2.5.2.2 ANÁLISE DOS SINAIS HARMÔNICOS TRIFÁSICOS .................. 39

2.5.2.3 QUANTIFICAÇÃO DAS HARMÔNICAS NO SISTEMA ............... 41

Page 8: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

8

2.5.3 VALORES NORMATIVOS ................................................................... 43

2.5.4 CAUSAS DAS HARMÔNICAS ............................................................ 45

2.5.5 EFEITOS DAS HARMÔNICAS NOS DISPOSITIVOS ELÉTRICOS 49

2.5.6 OS EFEITOS DAS HARMÔNICAS NOS BANCOS DE CAPACITORES50

2.6 MÉTODOS PARA MITIGAÇÃO DOS EFEITOS DAS HARMÔNICAS ...................... 52

2.6.1 CORREÇÃO DOS EFEITOS DAS HARMÔNICAS ............................ 52

2.6.1.1 CORREÇÃO POR TRANSFORMADORES DE SEPARAÇÃO ...... 52

2.6.1.2 CORREÇÃO POR FILTROS .............................................................. 53

2.6.2 ELIMINAÇÃO DOS EFEITOS DAS HARMÔNICAS NOS BANCOS DE

CAPACITORES .............................................................................................................. 55

3 METODOLOGIA .................................................................................................................. 57

3.1 COLETA DE DADOS ....................................................................................................... 58

3.2 ANÁLISE DA NECESSIDADE DE BANCO DE CAPACITORES ................................ 60

3.3 ANÁLISE DOS DADOS DE DISTORÇÕES HARMÔNICAS ....................................... 60

3.4 DESENVOLVIMENTO DA SOLUÇÃO .......................................................................... 60

3.5 MODELAGEM SIMPLIFICADA DO SISTEMA E SIMULAÇÃO ................................ 61

3.6 CUSTO DO SISTEMA ...................................................................................................... 62

4 RESULTADOS ...................................................................................................................... 64

4.1 COLETA DE DADOS ....................................................................................................... 64

4.2 ANÁLISE DA NECESSIDADE DO BANCO DE CAPACITORES ............................... 71

4.3 ANÁLISE DOS DADOS DE DISTORÇÕES HARMÔNICAS ....................................... 72

4.4 DESENVOLVIMENTO DA SOLUÇÃO .......................................................................... 75

4.5 MODELAGEM SIMPLIFICADA DO SISTEMA E SIMULAÇÃO ................................ 77

4.6 CUSTO DO SISTEMA ...................................................................................................... 81

5 CONCLUSÃO........................................................................................................................ 84

REFERÊNCIAS ........................................................................................................................... 85

ANEXO A .................................................................................................................................... 89

Page 9: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

9

LISTA DE FIGURAS

Figura 2. 1- Sequência e defasagem entre as fases no sistema trifásico ................................... 15

Figura 2. 2 - Sistema trifásico em estrela ................................................................................. 16

Figura 2. 3 - Sistema trifásico em triângulo ............................................................................ 17

Figura 2. 4 – Esquemático de um transformador de dois enrolamentos .................................. 17

Figura 2. 5 - Triângulo das Potências ....................................................................................... 21

Figura 2. 6 - Triângulo das Potências com inserção de carga capacitiva ................................. 24

Figura 2. 7 - Associação de capacitores no capacitor de potência típico ................................. 28

Figura 2. 8 - Placa de um capacitor de potência típico ............................................................. 28

Figura 2. 9 - Localização dos capacitores automáticos (banco de capacitores) ....................... 31

Figura 2. 10 - Localização dos capacitores fixos...................................................................... 31

Figura 2. 11 - Formas de ondas de tensão e corrente para: a) Carga linear (à esquerda) e

b)carga não linear (à direita) ............................................................................................. 33

Figura 2. 12 - Afundamento de tensão (“sag”) ......................................................................... 34

Figura 2. 13 - Sobretensão no sistema elétrico (“swell”) ......................................................... 34

Figura 2. 14 - Forma de onda com elementos harmônicos ....................................................... 36

Figura 2. 15 - Somatória das componentes harmônicas ........................................................... 38

Figura 2. 16 – Componentes do sinal harmônico de tensão ..................................................... 39

Figura 2. 17 - Forma de onda e sinal puramente senoidal ........................................................ 41

Figura 2. 18 - Forma de onda e sinal na presença de harmônicas ............................................ 41

Figura 2. 19 - Formas de onda no circuito com controle: a)forma de onda da tensão que

alimenta a carga; b) forma de onda da corrente absorvida pela carga; c) forma de onda da

tensão na carga.................................................................................................................. 45

Figura 2. 20 - Retificadores CA-CC: (a) Esquemático típico; (b) corrente absorvida; (c)

espectro harmônico ........................................................................................................... 46

Figura 2. 21 - Variadores de velocidade: (a) Esquemático típico; (b) corrente absorvida; (c)

espectro harmônico ........................................................................................................... 47

Figura 2. 22 - Fontes de alimentação monofásica: (a) Esquemático típico; (b) corrente

absorvida; (c) espectro harmônico .................................................................................... 48

Figura 2. 23 - Máquinas de soldar: (a) Gráfico de Corrente absorvida; (b) Espectro harmônico

.......................................................................................................................................... 48

Page 10: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

10

Figura 2. 24 - Correção por filtro ativo .................................................................................... 54

Figura 3. 1 - Estrutura do estudo de caso ................................................................................. 57

Figura 3. 2 – Analisador de energia utilizado ........................................................................... 59

Figura 3. 3 - Modelagem do sistema para simulação simplificada .......................................... 62

Figura 4. 1 - Visão global da instalação ................................................................................... 64

Figura 4. 2 - Medição do fator de potência............................................................................... 66

Figura 4. 3 - Medição da Distorção Individual de Tensão – Fase R ........................................ 67

Figura 4. 4 - Medição da Distorção Individual de Tensão – Fase S ......................................... 68

Figura 4. 5 - Medição da Distorção Individual de Tensão – Fase T......................................... 68

Figura 4. 6 - Medição Individual de Corrente – Fase R ........................................................... 69

Figura 4. 7 - Medição Individual de Corrente – Fase S ............................................................ 70

Figura 4. 8 - Medição Individual de Corrente – Fase T ........................................................... 71

Figura 4. 9 - Simulação do novo fator de potência após a inserção do banco de capacitores .. 72

Figura 4. 10 – Esquemático do sistema sem banco de capacitores .......................................... 77

Figura 4. 11 - Deformação da senóide no sistema sem o banco de capacitores ....................... 78

Figura 4. 12 - Espectro de frequência no sistema sem o banco de capacitores ........................ 78

Figura 4. 13 - Esquemático do sistema com o banco de capacitores ....................................... 79

Figura 4. 14 - Deformação da senóide no sistema com o banco de capacitores ...................... 79

Figura 4. 15 - Espectro de frequência no sistema com o banco de capacitores........................ 80

Figura 4. 16 - Esquemático do sistema com o banco de capacitores dessintonizado ............... 80

Figura 4. 17 - Deformação da senóide no sistema com banco de capacitores dessintonizado . 81

Figura 4. 18 - Espectro de frequência do sistema com banco de capacitores dessintonizado .. 81

Page 11: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

11

LISTA DE TABELAS

Tabela 2. 1 - Níveis de tensão e fator de potência legal ........................................................... 23

Tabela 2. 2 - Multiplicadores para determinação da potência capacitiva) ............................... 26

Tabela 2. 3 - Padrões para flutuação de tensão......................................................................... 35

Tabela 2. 4 - Sequência das harmônicas ................................................................................... 40

Tabela 2. 5 - Valores normativos de distorção de tensão total (THDv) ................................... 43

Tabela 2. 6 - Valores normativos de distorção de tensão individual ........................................ 44

Tabela 2. 7 - Máxima distorção de corrente individual e total para níveis de 120V-69kV ...... 44

Tabela 4. 1 - Características do transformador a ser analisado ................................................ 65

Tabela 4. 2 - Características do banco de capacitores .............................................................. 65

Tabela 4. 3 - Valores de Distorção Individual de Tensão – Fase R ......................................... 67

Tabela 4. 4 - Valores de Distorção Individual de Tensão – Fase S .......................................... 68

Tabela 4. 5 - Valores do Individual de Tensão – Fase T .......................................................... 69

Tabela 4. 6 - do Individual de Corrente – Fase R ..................................................................... 69

Tabela 4. 7 - Valores do Individual de Corrente – Fase S ........................................................ 70

Tabela 4. 8 - Valores do Individual de Corrente – Fase T ........................................................ 71

Tabela 4. 9 - Análise da Distorção Individual de Tensão ......................................................... 73

Tabela 4. 10 - Análise da Distorção Individual de Corrente .................................................... 74

Tabela 4. 11 – Coleta de preços para instalação dos indutores ................................................ 82

Tabela 4. 12 – Registro de multa na empresa analisada ........................................................... 83

Tabela 4. 13 – Tempo de retorno .............................................................................................. 83

Page 12: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

12

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABNT Associação Brasileira da Normas Técnicas

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

QEE Qualidade de Energia Elétrica

THD Taxa Harmônica de Distorção

THDi Taxa Harmônica de Distorção de Corrente

THDv Taxa Harmônica de Distorção de Tensão

DIT Distorção Individual da Componente de Tensão ou Corrente

AT Alta Tensão

BT Baixa Tensão

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica

TC Transformador de Corrente

TP Transformador de Potencial

FP Fator de Potência

TR Transformador

PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico

Nacional

Page 13: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

13

1 INTRODUÇÃO

Devido ao advento da tecnologia a utilização sistemas microprocessados tornou-se

grande. Entretanto, esses sistemas são sensíveis às variações da forma de onda dos sinais de

tensão e corrente, denunciando a qualidade de energia das instalações (MORÁN et al., 1999).

Essas variações são causadas por cargas não lineares, as quais produzem sinais de

correntes ou tensões harmônicas no sistema, alterando a forma de onda destes, piorando a

qualidade de energia (TEIXEIRA, 2009). Muitos sistemas e equipamentos são sensíveis a

esse tipo de variação, tal como os bancos de capacitores os quais possuem por finalidade o

acréscimo de energia reativa no sistema a fim de que o fator de potência seja corrigido de

forma a ficar dentro dos valores normativos (FRAGOAS, 2008).

O valor mínimo de fator de potência é de 0,92 (ANEEL, 2012) sendo que, valores

abaixo a este acarretam em multa para o usuário. Logo, a função do banco de capacitores é

elevar esse valor nos horários em que a produtividade é maior, horários esses que exigem

maior demanda de potência.

O banco de capacitores é um elemento sensível a essas distorções harmônicas, de

acordo com Teixeira (2009), Em sua presença ocorre a queima de células e o mau

funcionamento sistema controlador do banco. Por conta disso, e não havendo um elemento

que realize essa correção ou atenuação, mesmo que de modo secundário, o fator de potência

não será corrigido, ocasionando na continuação da cobrança de multas e num mau

aproveitamento da utilização do transformador de serviço, uma vez que o baixo fator de

potência diminui o rendimento do mesmo. (CREDER, 2007).

Consequentemente, uma solução complementar faz-se imprescindível para a correção

desses distúrbios, a fim de que não venha a ocorrer o efeito de ressonância entre a carga

capacitiva e as harmônicas presentes no banco de capacitores (CREDER, 2007). Essa solução

consiste no projeto de um filtro, dessintonizado, o qual eliminará a ocorrência das

ressonâncias.

Page 14: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

14

1.1 OBJETIVO DO TRABALHO

Neste trabalho objetiva-se, através de estudos e simulações teóricas, a elaboração de

um filtro para correção dos efeitos das harmônicas nos bancos de capacitores, levando em

consideração a ocorrência do fenômeno de ressonância.

A simulação será realizada através do software PSPICE Schematics v 9.1 e Smart

Meter T (Analisador P600).

1.2 JUSTIFICATIVA

Para objeto de estudo, tomou-se como base uma empresa do ramo alimentício,

instalada em São José dos Campos, que utiliza uma topologia de banco de capacitores para

correção do fator de potência. Esse banco encontra-se inoperante, uma vez que foi danificado

em decorrência do fenômeno de ressonância, causado pelas harmônicas gerados no sistema.

Assim, por causa das harmônicas, o banco não é acionado, fazendo com que essa empresa

tornasse a pagar multas por baixo fator de potência.

1.3 DESCRIÇÃO DOS TÓPICOS ABORDADOS

Este trabalho foi desenvolvido de acordo com as seguintes etapas: fundamentação

teórica (referenciando os sistemas trifásicos, transformadores, fator de potência, métodos para

correção do fator de potência, qualidade de energia, distorções harmônicas e métodos para

mitigação dos efeitos das harmônicas); metodologia (na qual será abordada, de forma

metódica, a sequência para realização do estudo em questão, realizando: coletas de dados,

análise da necessidade de banco de capacitores, análise dos dados de distorções harmônicas

levantados em campo, desenvolvimento da solução, modelagem simplificada do sistema com

simulação e levantamento do custo do sistema); resultados (que irão evidenciar os dados

obtidos a partir da sistemática apresentada na metodologia); conclusão (encerrando e tecendo

comentários referente aos resultados obtidos quando comparados aos dados estudados e

apresentados).

Page 15: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

15

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Na fundamentação teórica os aspectos necessários para a compreensão do sistema

serão apresentados, desde sua concepção até seu dimensionamento. Assim, serão tratados os

seguintes temas:

• Sistemas trifásicos e transformadores;

• Fator de Potência e os Bancos de Capacitores;

• Harmônicas;

• Filtros.

2.1 SISTEMAS TRIFÁSICOS E TRANSFORMADORES

Os geradores e transformadores de maior porte são, em sua extensa maioria, trifásicos,

pois para a mesma potência acabam por se tornar mais econômicos devido a baixa corrente de

operação (CREDER, 2007).

As redes trifásicas, provenientes dos geradores trifásicos, possuem as fases defasadas

entre si em 120º (CAPELLI, 2007). Assim, a sequência temporal que é ilustrada pela figura

2.1 mostra a relação das fases em um sistema trifásico.

Figura 2. 1- Sequência e defasagem entre as fases no sistema trifásico

Fonte: MARKUS,2004

Em virtude desse deslocamento de 120º do sistema, pode-se equacionar

temporalmente cada uma das fases, considerando defasagem entre elas. Assim, as fases Vf1,

Vf2 e Vf3 (tensão das fases 1, 2, 3, sucessivamente) são equacionadas, conforme Markus,

(2004), em [2.1], [2.2] e [2.3]:

Page 16: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

16

v = . cos [2.1]

v = . cos − 23 [2.2]

v = . cos + 23 [2.3]

Onde:

vf1: Tensão na fase 1 [V];

vf2: Tensão na fase 2 [V];

vf1: Tensão na fase 1 [V];

: Tensão de pico na fase [V];

: velocidade angular [rad/s];

t: Tempo [s].

Os componentes magnéticos dos geradores, as bobinas, podem ser ligadas através de

duas configurações: estrela ou triângulo.

Na configuração em estrela os três enrolamentos possuem um ponto comum, o qual

geralmente é equipotencializado (CAPELLI, 2007). Nesta junção também há a geração do

neutro como sendo o terminal com corrente nula (IN=0), em condições de equilíbrio

(MARKUS, 2004). Além disso, as correntes de linha (IL) e de fase (IF) são iguais. Já a tensão

de fase (VF) equivale à tensão de linha (VL) multiplicada por √3. A figura 2.2 representa o

esquemático da configuração em estrela.

Figura 2. 2 - Sistema trifásico em estrela

Fonte: MARKUS,2004

A configuração triângulo (ou delta) possui três terminais disponíveis (três fases sem a

presença do neutro). Além disso, as tensões de linha (VL) e de fase (VF) são iguais. Já a

corrente de fase (IF) equivale à corrente de linha (IL) multiplicada por √3, conforme figura 2.3.

Page 17: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

17

Figura 2. 3 - Sistema trifásico em triângulo

Fonte: MARKUS,2004

Essas relações são utilizadas, sobretudo para transformadores, um dos objetos de

estudo deste. Através dele, a energia elétrica gerada pode ser convertida para diversas faixas

de tensão, conforme a necessidade de transmissão ou utilização. Grande parte da energia

gerada e distribuída no Brasil passa, obrigatoriamente, por um ou mais transformadores

(SANTOS et al., 2006).

O funcionamento do transformador baseia-se, a partir da indução eletromagnética, ou

seja, mantendo a frequência e potência do sistema e, assim, possuindo dois enrolamentos,

denominados primário e secundário, conforme demonstrado na figura 2.4 (BARROS, 2012).

Nesta figura, observa-se que N1 e N2 são referências aos enrolamentos no primário (1) e

secundário (2) respectivamente. Por sua vez, u1(t) e u2(t) descrevem a tensão associada a uma

corrente i1(t) e i2(t), de acordo com o enrolamento, primário (1) ou secundário (2). Todo esse

sistema está submetido ao mesmo fluxo magnético, expresso por (t).

Figura 2. 4 – Esquemático de um transformador de dois enrolamentos

Fonte: COTRIM, 2003

Page 18: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

18

Em Cotrim (2003) verifica-se que há uma relação entre a razão da tensão no primário e

tensão no secundário do transformador, bem como entre o número de espiras do primário e

secundário. Além disso, a variação do fluxo magnético, no decorrer do tempo, atrelado ao

número de espiras do transformador possui uma relação direta com a tensão do transformador.

Assim, as relações [2.4,], [2.5], [2.6], abaixo, são válidas para o circuito de um transformador:

u = N. [2.4]

u = N. [2.5]

uu =NN [2.6]

Onde:

u: Tensão no primário [V];

u: Tensão no secundário [V];

N: Número de espiras do enrolamento primário;

N: Número de espiras do enrolamento primário;

: Fluxo magnético [Wb];

t: tempo de variação [s].

O transformador possui os seguintes componentes: bobinas, núcleo, tanque, meio

refrigerante e acessórios (SANTOS et al., 2006).

• As bobinas são realizadas por um conjunto de enrolamentos de condutores,

isolados, em cobre (BARROS, 2012);

• O núcleo, por sua vez, é importante pois o fluxo magnético é induzido através

dele entre os enrolamentos, vale ressaltar que, tanto as bobinas quanto o núcleo

estarão isolados entre si, através da utilização de papel, papelão e verniz. O

emprego de ferrosílico é realizado em ampla escala (SANTOS et al., 2006).

• O tanque é o responsável pelo invólucro dos elementos supracitados, além de

receber o óleo isolante (óleos vegetais, sintéticos ou minerais). Este, por sua

vez, serve como meio isolante e refrigerante de todo o sistema. Para

Page 19: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

19

averiguação da qualidade do óleo, a Associação Brasileira de Normas Técnicas

– ABNT – elaborou alguns materiais normativos para regulamentar a qualidade

de alguns aspectos, entre os quais: rigidez dielétrica; cor; índice de

neutralização; tensão interfacial; fator de potência; teor de água; densidade;

teor de PCB (BARROS, 2012).

• Quanto aos acessórios, o transformador conta com os terminais, buchas,

reguladores, entre outros, os quais também são importantes e fundamentais

para o bom funcionamento e operação do equipamento (SANTOS et al., 2006).

Além desses fatores, outra fonte importante de dados para identificar as características

deste equipamento é através de sua placa, onde constarão dados como correntes de curto

circuito, que é utilizada nos cálculos de harmônicas, através do método de potência de curto

circuito (SEIVER, 1999).

2.2 FATOR DE POTÊNCIA

Neste tópico, serão explanados os conceitos de fator de potência, a causa do baixo

valor desse fator, a legislação referente aos valores normativos e formas de correção do

mesmo.

2.2.1 CONCEITOS

O conceito matemático para fator de potência é a relação entre potência ativa e

aparente, em um sistema elétrico (FILHO, 2002). Além disso, o fator de potência é um dos

indicadores da qualidade de energia, em um sistema elétrico de potência (PRODIST, 2008).

Numericamente, em sua forma fundamental, é expresso por [2.7], conforme Vasconcelos

(2006):

= . !". #$%&'%& ()*. +()* [2.7]

Sendo:

fp: fator de potência do sistema;

T: período, em [s];

Page 20: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

20

t0: tempo inicial da análise [s];

v(t), i(t): valores de onda instantânea de tensão e corrente [V, A];

()*, +()*: valores eficazes de tensão e de corrente [V, A].

Entretanto, se considerarmos um sistema senoidal, sem a presença de harmônicas, a

expressão pode ser simplificada , conforme Tavares (2008), de acordo com [2.8]:

= cos =PS = /0/ + 1 [2.8]

Onde:

P: potência ativa [Watt, W];

S: potência aparente [Volt Ampère, VA];

Q: potência reativa [Volt Ampère reativo, var];

fp: fator de potência, unitário.

A potência responsável pelo trabalho útil realizado, o qual gera calor, luz, movimento

é denominado Potência Ativa (P). Em termos de equação é parte real da potência complexa. A

representação Q é a potência reativa do sistema. Essa potência é a responsável por criar

trabalho de uma forma indireta. Em termos práticas é a parcela da potência que é a

responsável por criar e manter os campos eletromagnéticos das cargas indutiva sendo,

numericamente, a parte imaginária da potência complexa (BORDIM, 2011). Somando,

vetorialmente, essas duas grandezas, obteremos a Potência Aparente. Essa potência é a que,

verdadeiramente, é absorvida pela rede elétrica (BORDIM, 2011). Analogamente, podem-se

representar essas relações através de um triângulo retângulo, no qual os catetos serão as

potências ativa e reativa e, a hipotenusa, a potência aparente (WEG, 2010). A figura 2.5

ilustra uma representação do triângulo das potências baseado nestas condições. Observa-se

que nela as grandezas estão acompanhadas do prefixo “k” (quilo).

Page 21: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

21

Figura 2.5 - Triângulo das Potências

Fonte: WEG, 2010

O fator de potência é um número adimensional, o qual é compreendido entre 0 e 1,

podendo ser negativo ou positivo. Se a corrente estiver atrasada em relação a tensão, o fator

de potência é dito indutivo. Do contrário, o mesmo será positivo (FILHO, 2002).

Esse fator também expressa, de uma forma bastante significativa, o grau de eficiência

do sistema. Um fator de potência próximo a 1 indica que uma parcela extremamente

significativa da potência está sendo convertida em trabalho útil (BORDIM, 2011).

2.2.2 CAUSAS DO BAIXO FATOR DE POTÊNCIA

Antes de qualquer ação com a finalidade de acréscimo do fator de potência, a fim de

aproximá-lo do valor unitário, deve ser realizado um estudo que evidencie as causas dos

mesmos. (CREDER, 2007).

Dentre os elementos que mais colaboram com o baixo fator de potência, destacam-se:

os níveis de tensão acima do valor nominal, utilização de motores, transformadores em vazio,

lâmpadas de descarga, entre outros.

• Os níveis de tensão acima do valor nominal são elementos que corroboram

com o baixo fator de potência, uma vez que estão atrelados à potência reativa

(CREDER, 2007). Nessas ocorrências, um estudo para modificação do nível de

tensão do transformador faz-se necessário podendo ajudar de modo

significativo na melhora do fator de potência;

• No ambiente fabril, sobretudo, é grande o número de motores empregados nas

mais diversas atividades realizadas, sendo um dos responsáveis pelo fator de

potência baixo. De acordo com Creder (2007) verifica-se que a potência reativa

absorvida pelo motor cresce desde sua partida até seu funcionamento em plena

Page 22: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

22

carga. Além disso, conclui-se que, o controle operativo do motor (ou a divisão

da carga em outros motores) é um item que pode agregar no sentido à

qualidade do fator de potência;

• Outro fator importante que colabora com o baixo fator de potência são os

transformadores operando em vazio. Em instalações, é comum que alguns

transformadores operando em vazio com pequenas cargas e nesta situação o

transformador acaba consumindo uma quantia de reativo considerável

(CREDER, 2007);

• Lâmpadas de descarga (fluorescente, vapor de mercúrio, por exemplo) utilizam

de reatores, os quais possuem em seu interior elementos com bobinas, que, por

sua vez, consomem energia reativa. Para correção deste fator, é recomendável

o uso de reatores com alto fator de potência o que colabora com a diminuição

parcial do problema (COTRIM, 2003);

• Outros exemplos de cargas que contribuem para o baixo fator de potência são:

fornos a arco e de indução eletromagnética, máquinas de solda a transformador

e equipamentos eletrônicos (FILHO, 2002).

2.2.3 LEGISLAÇÃO

Em 1975, o decreto 75.887 estabeleceu que as concessionárias de energia deveriam

estabelecer o valor de 0,85 como fator de potência mínimo para seus consumidores,

objetivando elevar o grau de eficiência das instalações (WEG, 2010).

Posteriormente, com o aumento da tecnologia empregada e, também, com a

necessidade de que esses níveis fossem alterados, o fator de potência mínimo foi alterado. De

acordo com a resolução normativa 414, de 9 de Setembro de 2010, as concessionárias de

energia estabelecem, como limite, o valor de 0,92 para o fator de potência (ANEEL, 2012).

Esse valor é utilizado para redes com níveis de tensão menores que 69kV, conforme tabela

2.1.

Page 23: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

23

Tabela 2. 1 - Níveis de tensão e fator de potência legal

Fonte: ANEEL, 2012

O valor da energia reativa indutiva deve ser medido ao longo do dia todo (24h) e,

quando for inferior a 0,92, multas e tarifas serão aplicadas aos consumidores (que, destes,

excluem os do grupo de baixa tensão) de acordo com o horário da irregularidade (CREDER,

2007). A critério da concessionária, o excedente reativo também pode ser medido, no espaço

de 6 horas compreendido entre 23h30min e 6h30 restando as demais 18h para registro das

irregularidades indutivas (CREDER, 2007). Assim, o fator de potência é calculado, para fins

de faturamento, pela expressão [2.9]:

= cos 2345 kvarhkWh [2.9]

Sendo:

fp: fator de potência calculado;

kvarh: potência reativa consumida em intervalo de hora;

kWh: potência ativa consumida em intervalo de hora;

As unidades kvarh e kWh são as unidades de potência supracitadas, em um dado

intervalo de tempo de medição, de acordo com a concessionária (CREDER, 2007). Para fins

de faturamento, as concessionárias de energia utilizam de equações específicas e pontuais, as

quais consideram demanda, faturamento, tarifa, além de demais fatores. Estes são

apresentados em Creder (2007).

Assim, ressalta-se, pela legislação, a necessidade da manutenção dos valores do fator

de potência dentro do estabelecido, a fim de que não seja acarretada em multas, além da

manutenção do sistema, no que corresponde a melhoria da eficiência do sistema elétrico

(VASCONCELOS, 2006).

Page 24: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

24

2.2.4 CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA

A correção do fator de potência é baseada na inserção de energia reativa de modo que

o fator de potência seja elevado (CREDER, 2007; COTRIM, 2003).

Para se determinar a quantidade de componente capacitivo a ser inserido no sistema, é

tido como base a figura do triângulo das potências, conforme ilustra a figura 2.6 (FRAGOAS,

2008; COTRIM, 2003). A demanda média da energia reativa encontrada na instalação é

representada por DQ1m, ao passo que a demanda ativa é dada por DPM, em um dado fator de

potência cos∅, assim, com o aumento do fator de potênciacos ∅ a demanda reativa é

alterada, ao contrário da ativa, que permanece a mesma (COTRIM, 2003).

Figura 2. 6 - Triângulo das Potências com inserção de carga capacitiva

Fonte: COTRIM, 2003

Esses valores são equacionados e apresentados nas equações [2.10] e [2.11]

(CREDER, 2007). Logo, a potência capacitiva a ser ligada (paralelamente à carga) é dada em

[2.12].

<=> = <) . tan∅ [2.10]

Page 25: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

25

<=> = <) . tan∅ [2.11]

<=> − <=> = <)tan∅ − tan∅ [2.12]

Por último, é estabelecido o valor reativo que deve ser inserido no sistema. Esse valor

é expresso por QCAP (reativo) e equacionado em [2.13] (CREDER, 2007).

1AB = <). ∆5 = <) . tan∅ − tan∅ [2.13]

Na prática, ao invés de se calcular o valor do ângulo de ∅ e ∅, através da função do

arco-cosseno (em relação ao fator de potência existente), são utilizados softwares e tabelas.

Essas tabelas já possuem o resultado da expressão tan∅ − tan∅ de acordo com os fatores

de potência atual e o futuro (FILHO, 2002). Tais informações estão contidas na tabela 2.2 a

seguir.

Page 26: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

26

Tabela 2. 2 - Multiplicadores para determinação da potência capacitiva)

Fonte: WEG, 2010

Definido os valores a serem inseridos de energia reativa no sistema, é necessário saber

o modo de correção do fator de potência a ser utilizado, tal como será visto no item a seguir.

Page 27: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

27

2.3 MÉTODOS DE CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA

Diversos são os meios empregados para a correção do valor de fator de potência, tais

como: aumento do consumo de energia ativa; correção por motores síncronos superexcitados;

compensação por capacitores, entre outros (WEG, 2010).

Os dois primeiros, por sua vez, não são tão utilizados quanto o terceiro modo. Para o

aumento de consumo ativo, o consumidor insere cargas com um alto fator de potência em seu

sistema. Entretanto, apenas funciona em consumidores que operem fora do horário de ponta

da concessionária, horário no qual o consumo é elevado. É importante ressaltar que há um

custo alto para implementação destas cargas. Na utilização de motores síncronos não é tão

viável uma vez que seu custo de instalação, também, é extremamente alto, além de impactar

nos equipamentos existentes (WEG, 2010). Logo, a alternativa mais econômica e que possui

uma eficiência adequada é através da inserção de capacitores no sistema.

Neste capítulo serão abordados itens correlacionados aos métodos para correção do

fator de potência (com capacitores), levando em consideração a topologia escolhida do

sistema a ser escolhido e, também, seu posicionamento.

2.3.1 TOPOLOGIA PARA SISTEMAS COM CAPACITORES

A topologia dos sistemas comumente empregados é dividida em duas vertentes:

sistema de correção de fator de potência simples (ou fixo) e sistema controlado (automático).

2.3.1.1 SISTEMA DE CORREÇÃO SIMPLES (FIXO)

O capacitor, como citado anteriormente, possui como objetivo inserir reatância

capacitiva no sistema, a fim de balancear com a carga indutiva, corrigindo o fator de potência

(FILHO, 2002).

Nesta aplicação, os capacitores são designados como capacitores de potência, o qual é

obtido por uma associação (série e paralela) entre diversos capacitores menores, conforme

figura 2.7. A placa de identificação deste capacitor contem as principais informações sobre

ele, a qual é ilustrada pela figura 2.8. Destas, destacam-se: a potência, tensão nominal e

capacitância.

Page 28: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

28

Figura 2. 7 - Associação de capacitores no capacitor de potência típico

Fonte: FILHO, 2002

Figura 2. 8 - Placa de um capacitor de potência típico

Fonte: FILHO, 2002

No capacitor de potência, têm-se as seguintes partes construtivas (WEG, 2013;

FILHO, 2002):

• caixa (é a carcaça/invólucro onde estão contidas as partes ativas do capacitor,

possuindo a placa de identificação, isoladores, olhais e alças para fixação);

• armadura (é uma folha de alumínio enroladas junto ao dielétrico e com alto

nível de pureza, diminuindo as perdas dielétricas);

• dielétrico (formado por uma camada de polipropileno, introduzido a uma

camada de papel dielétrico – kraft);

• líquido de impregnação (recebe todo o conjunto ativo do capacitor);

Page 29: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

29

• resistor de descarga (após o desligamento do capacitor, a tensão continua

armazenada no mesmo, sendo necessário um elemento para realizar a

drenagem desta tensão, sendo essa a função deste resistor o qual dissipa, por

meio do efeito Joule, essa energia através de calor).

Para dimensionamento dos capacitores, devem ser levados em consideração alguns

elementos, tais como a potência nominal, frequência nominal e tensão nominal.

A capacitância é designada pela potência reativa, dada pela equação [2.14], conforme

Filho (2002):

D = 1000. /A2. . . G [2.14]

Onde:

C: Capacitância [HF];

f: Frequência [Hz];

G: tensão nominal [kV];

/A: potência nominal do capacitor [kvar].

A frequência nominal do capacitor é, normalmente, 60Hz (WEG, 2013; FILHO,

2002). Caso ela seja alterada, o capacitor deve ser redimensionado, uma vez que esse fator

impacta diretamente na potência suportável do mesmo.

Os capacitores em baixa tensão são encontrados nas tensões 220V, 380V, 440V e

480V, tanto monofásicas quanto trifásicas. Estes também podem ser encontrados em tensões

elevadas, acima de 1000V (WEG, 2013; FILHO, 2002).

2.3.1.2 SISTEMA DE CORREÇÃO CONTROLADO (AUTOMÁTICO)

O banco de capacitores com controle microprocessado realiza a inserção dos

capacitores de acordo com a necessidade da rede, uma vez que o sistema realiza uma

varredura averiguando os níveis do fator de potência. Quando este se encontra abaixo dos

valores programados, o acionamento de capacitores é feito de maneira automática. O mesmo

Page 30: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

30

ocorre quando o fator de potência está muito alto: o sistema realiza o desligamento e retirada

de capacitores da rede (CREDER, 2007).

Neste tipo de controle é comum a realização da correção de maneira global com o

banco de capacitores instalado do barramento do quadro geral de baixa tensão (FILHO, 2002).

O principal elemento que deve ser considerado para se projetar o banco de capacitores

controlado é a proteção dos estágios.

A proteção do banco de capacitores é feita de maneira parcial, por estágios, uma vez

que os capacitores podem ser acionados de maneira segmentada (WEG, 2010).

A proteção dos estágios é feita em função da corrente nominal do capacitor do estágio

e de um fator normativo (WEG, 2010). Assim, têm-se as equações [2.15] e [2.16]:

+GI = 1JK%áMNO√3. . 1000 [2.15]

+GP = +GI . 1,65 [2.16]

Sendo:

1JK%áMNO: a potência reativa do estágio [kvar];

: a tensão entre fases [V];

+GP : a corrente calculada para o fusível [Ampère].

2.3.2 POSICIONAMENTO DO SISTEMA DE CAPACITORES

A realização da correção pode se dar através da instalação dos capacitores em diversos

pontos da instalação (TAVARES, 2008). Assim, é possível realizar desde uma correção

setorial, através de pequenas unidades capacitivas, até paralelamente a transformadores, com

um arranjo elaborado de capacitores.

A figura 2.9, a seguir, mostra uma instalação com a correção automática (“C1”), a qual

é instalada no secundário do transformador e altera o fator de potência automaticamente com

a atuação de algum motor ou outro equipamento cujo fator de potência é baixo. Assim, nem

sempre os todos os estágios serão acionados, uma vez que dependerá das cargas utilizadas no

momento. Tal sistema é comum nas indústrias, as quais nem sempre optam por um sistema

para correção setorial.

Page 31: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

31

Já a figura 2.10 ilustra o mesmo sistema, entretanto, com correção por capacitores

fixos (“C2”, “C3”, “C4”, “C5” e “C6”). Os capacitores fixos são mais utilizados para correção

setorial, isto é, junto a carga. Assim, quando a carga é acionada, o capacitor é acionado

simultaneamente, garantindo a correção do fator de potência para a carga em questão.

Figura 2. 9 - Localização dos capacitores automáticos (banco de capacitores)

Fonte: TAVARES, 2008

Figura 2. 10 - Localização dos capacitores fixos

Fonte: TAVARES, 2008

Page 32: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

32

2.4 QUALIDADE DE ENERGIA

Além dos problemas na rede elétrica causados por conta do fator de potência, outros

elementos também colaboram com o mau funcionamento do sistema. Estes, por sua vez, estão

associados à qualidade da energia elétrica. Neste capítulo, serão abordados o histórico desses

problemas, no contexto nacional, e os principais problemas decorrentes.

2.4.1 HISTÓRICO

Os problemas no Brasil no que se refere a qualidade de energia é um fato atrelado ao

avanço tecnológico, sobretudo quanto a utilização de alguns certos tipos de cargas e sistemas.

Tal fator torna-se evidente quando comparamos o atual cenário energético do Brasil com o

dos anos 70, no qual coexistiam três grandes grupos consumidores: residencial (com cargas,

em sua grande maioria, puramente resistivas), comercial e industrial (MEHL, 2012).

Antigamente, a questão de qualidade de energia não era um tema tão amplamente

explorado, a qual não gerava grandes preocupações, pois os equipamentos (e cargas) que

existiam até então não possuíam tamanha sensibilidade às perturbações e distúrbios ligados a

qualidade da energia. Em sua grande maioria, nas residências, os equipamentos eram cargas

puramente resistivas, ou com fator de potência praticamente unitário. Atualmente, com o

avanço tecnológico, encontramos consumidores com as mais diversas características. Desse

modo, podemos citar a ampla utilização de sistemas eletrônicos e não lineares, os quais não

atuam com uma corrente constante, mas sim, com picos de tensão para que os equipamentos

sejam acionados de tempos em tempos, distorcendo a forma de onda e gerando a chamada

“poluição” na rede elétrica. Essas cargas poluidoras, entretanto, necessitam de energia limpa

(livre de deformações) para que seu funcionamento não seja comprometido (MEHL, 2012).

De acordo a norma IEEE 1159-1995, qualidade de energia elétrica pode ser entendida

como sendo o correto fornecimento e aterramento da eletricidade de maneira que os

equipamentos operem de forma adequada. Porém, considerando todo o sistema elétrico,

qualidade de energia pode ainda ser dividida em:

• Qualidade de tensão;

• Qualidade de corrente;

• Qualidade de potência;

• Qualidade de fornecimento;

• Qualidade de consumo.

Page 33: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

33

2.4.2 EFEITOS RELACIONADOS A QUALIDADE DE ENERGIA

A qualidade de energia elétrica (QEE) é definida como a relativa ausência de variações

de tensão provocadas por terceiro, sem desligamento, flutuação de tensão, surtos e harmônicas

(SANTOS et al., 2006).

Nesses aspectos, alguns elementos próprios dos sistemas elétricos são observados

sendo considerados críticos para a qualidade de energia. São eles: forma da onda senoidal,

amplitude constante, frequência constante, fases equilibradas e fator de potência unitário

(DECKMANN, 2010).

A qualidade desses elementos passa, também, diretamente pelo tipo de carga

conectada à rede. Cargas cujas correntes são senoidais caracterizam-se por serem cargas

lineares. Por outro lado, as cargas não lineares não possuem seu aspecto senoidal garantido

(SANTOS et al., 2006). As formas de ondas contidas na figura 2.11 trazem a representação da

tensão e corrente em função da aplicação em cargas lineares e não lineares em função do

tempo.

(a) (b)

Figura 2. 11 - Formas de ondas de tensão e corrente para: a) Carga linear (à esquerda) e b)carga não linear (à direita)

Fonte: SANTOS et al., 2006

Desse modo, os principais efeitos podem ser classificados em (SANTOS et al., 2006):

variações momentâneas de tensão, variações instantâneas de tensão, variações sustentadas de

tensão, variações momentâneas de frequências, flutuação de tensão e harmônicas.

• Variações momentâneas de tensão são efeitos que acontecem no valor da tensão

entre dois níveis consecutivos, de duração não constante, incerta, com duração menor do que

1 minuto (PROCOBRE, 2001). Essas variações podem ampliar o nível de tensão ou diminuí-

lo. Quando há a sobretensão, classifica-se como “voltage sags” e, no caso de subtensão,

Page 34: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

34

“voltage swell”. Nos casos de “sags” no sistema, a tensão fica em torno de 10-90% de seu

valor nominal, ao passo que nos casos de “swell” esse valor chega a 110% do valor nominal

(PROCOBRE, 2001). A figura 2.12 mostra um caso de afundamento de tensão (“sag” ), e a

figura 2.13, um caso de swel, em um experimento.

Figura 2. 12 - Afundamento de tensão (“sag”)

Fonte: DECKMANN, 2010

Figura 2. 13 - Sobretensão no sistema elétrico (“swell”)

Fonte: DECKMANN, 2010

• As variações instantâneas de tensão, também conhecidos como “transient voltages”

são alternâncias abruptas no valor da tensão instantânea. Quando há descargas atmosféricas

ocorre o fato que é conhecido como “impulsive transiente”, que nada mais é do que o valor

do pico da tensão atingido em um determinado tempo de subida, ou tempo de crista e o tempo

de caída. Dentro dessa classificação de transientes, há os transitórios oscilatórios de tensão,

que geram a modificação no valor nominal da tensão à frequência fundamental (geralmente

Page 35: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

35

esse efeito é causado a partir do chaveamento de equipamentos e linhas de transmissão).

“Notching” é o fenômeno de descontinuidade do valor instantâneo da tensão, ocasionado por

curto circuito entre fases (SANTOS et al., 2006; PROCOBRE, 2001).

• Variações sustentadas de tensão acontecem quando grandes blocos de cargas são

interligados à rede elétrica. Assim, há a variação no valor RMS da tensão com tempo maior

ou igual a um minuto. Dentro dessa classificação, há a “undervoltage” (que são as variações

com mais de um minuto, cuja tensão está entre 10% e 90% da tensão nominal) e a

“overvoltage” (que é a variação da tensão nominal para níveis maiores do que 110%)

(SANTOS et al., 2006).

• Devido ao desequilíbrio entre a geração da energia elétrica e a demanda solicitada,

há a geração de pequenos desvios instantâneos do valor da frequência fundamental da tensão.

A esse efeito dá-se o nome de variação momentânea de frequência (SANTOS et al., 2006).

• A flutuação de tensão da rede elétrica é um item normativo, o qual possui os valores

máximos e mínimos regulamentados por norma (SANTOS et al., 2006). Essa flutuação é

ocasionada por variações irregulares da tensão nominal, ocasionando, também, o efeito de

cintilação (“flicker” ) (DECKMANN, 2010). Por conta disso, foram adotados valores

normativos para regulamentar o fornecimento de energia por parte das concessionárias

conforme tabela 2.3 (ANEEL, 2012).

Tabela 2. 3 - Padrões para flutuação de tensão

Fonte: ANEEL, 2012

Page 36: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

36

• As perturbações que ocorrem quanto a forma de onda são denominadas harmônicas

(PROCOBRE, 2001). Devido a sua complexidade e por ser o principal eixo de estudo deste

trabalho, o próximo capítulo fará referência a esse fenômeno, com um enfoque especial em

seus efeitos nos bancos de capacitores.

2.5 DISTORÇÕES HARMÔNICAS

Este capítulo, com enfoque especial nas harmônicas, possuirá quatro partes: as

definições das harmônicas; análise matemática de seu sinal; os principais causadores; os

efeitos das harmônicas nos principais componentes das instalações elétricas.

2.5.1 DEFINIÇÕES

Harmônicas são distorções na forma de onda do sinal elétrico, não possuindo mais

apenas a frequência fundamental em sua composição, uma vez que esta está acrescida de

sinais cujas frequências são múltiplas da fundamental (SANTOS et al., 2006).

Figura 2. 14 - Forma de onda com elementos harmônicos

Fonte: SANTOS et al., 2006

Paralelamente, os efeitos de harmônicas não devem ser confundidos e interpretados

como sendo fenômenos de curta duração, os quais duram apenas alguns ciclos. Harmônicas é

um problema com uma complexidade maior, carecendo de uma análise mais detalhada,

levando em conta os tipos de instalações e cargas (VASCONCELOS, 2006).

Conceitualmente, todo e qualquer sinal periódico pode ser decomposto em cossenos e

senos através da série de Fourier a qual torna a função mais simples quanto a sua análise,

conforme será descrito nos tópicos a seguir.

Page 37: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

37

2.5.2 ANÁLISE MATEMÁTICA DOS EFEITOS DAS HARMÔNICAS

A análise das harmônicas para sua compreensão se dá, inicialmente, por meio de

análise matemática. Em primeiro momento, é evidenciado (através das séries de Fourier)

como é feita a composição total do sinal harmônico. Entendo sua composição, pode-se estudar

o sinal da harmônica na instalação elétrica monofásica, bifásica e trifásica. E, por fim,

quantificar seus níveis a fim de que sejam comparados com os valores normativos

regulamentadores.

2.5.2.1 ANÁLISE DA COMPOSIÇÃO HARMÔNICA ATRAVÉS DA SÉRIE DE

FOURIER

Os sinais de tensão bem como os de corrente podem ser decompostos em componentes

harmônicos (SANTOS et al., 2006). Utiliza-se a série de Fourier de uma função periódica, no

domínio do tempo (GRADY, 2012; KASSICK, 2008). A equação [2.17] expressa a função de

Fourier, ao passo que a [2.18], [2.19] e [2.20], os coeficientes da série de Fourier:

= 2S +TU2G. cos U2VW X + YG. sin U2VW XX[G\

[2.17]

2S = 1W] S [2.18]

2G = 2W] . cos U2VW X S [2.19]

YG = 2W] . sen U2VW X S [2.20]

Sendo:

: função periódica total, que deverá ser decomposta na série de Fourier;

2S: componente contínua, ou valor médio do sinal;

2G e YG: coeficientes das harmônicas (ou coeficientes de Fourier) de ordem “n”,

expressando a amplitude de pico;

T: período da forma de onda do sinal na frequência fundamental.

n=1,2,3,..

Deste modo, pode-se perceber que a componente da função periódica total, f(t), é a

somatória de todos os harmônicos presentes no sistema (GRADY, 2012). Na figura 2.15 é

Page 38: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

38

demonstrada de forma explícita, a formação da onda distorcida por conta dos harmônicos

ímpares.

Figura 2. 15 - Somatória das componentes harmônicas

Fonte: GRADY, 2012

Tavares (2008) realiza o desenvolvimentos dos estudos da série de Fourier e os

relaciona com o nível de tensão (ou corrente) do sistema, conforme equação [2.21], para

tensão, e [2.22] para corrente. A figura 2.16 demonstra os valores dessa mesma tensão,

decompostos e suas devidas componentes.

" = "S + T "G.√2. _`VV − GG\[G\

[2.21]

# = #S + T #G.√2. _`VV − GG\[G\

[2.22]

Sendo:

": tensão total em função do tempo [v];

#: corrente total em função do tempo [A];

"S: componente CC da tensão [v];

#S: componente CC da corrente [A];

"G: componente eficaz harmônica da tensão [v];

#G: componente eficaz harmônica da corrente [A];

: frequência angular da componente fundamental [rad/s];

t: tempo [s];

Page 39: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

39

G: defasagem da componente harmônica de ordem “n”

Figura 2. 16 – Exemplo da decomposição de um harmônico de tensão

Fonte: TAVARES, 2008

2.5.2.2 ANÁLISE DOS SINAIS HARMÔNICOS TRIFÁSICOS

Normalmente, em sistemas trifásicos convencionais, isto é, sem a presença de

harmônicas, a corrente instantânea apenas depende do valor máximo da corrente, ângulo

inicial, tempo e velocidade angular. Quando lidamos com harmônicas, tem-se o acréscimo da

expressão Ik que expressa a corrente da harmônica em questão, além da própria defasagem de

+120º ou -120º de acordo com a fase (GRADY, 2012). Assim, as expressões de corrente por

fase estão expressas em [2.23], [2.24] e [2.25].

#a = T+b. senc + db[b\

[2.23]

#e = T +b. sen Uc + db − c 23 X[b\

[2.24]

#I = T+b . sen Uc + db + c 23 X[b\

[2.25]

Sendo: #a, #e, #I: corrente das fases (a, b, c) em função do tempo [A];

+f: componente harmônica [A];

Page 40: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

40

k: grau da harmônica;

: frequência angular da componente fundamental [rad/s];

t: tempo [s];

db: defasagem do ângulo.

Fazendo a expansão das expressões acima até a 25ª harmônica (k=25), verifica-se a

sequência das harmônicas, conforme tabela 2.4 a seguir (PROCOBRE, 2001).

Tabela 2. 4 - Sequência das harmônicas

Ordem Frequência [Hz] Sequência

1 60 +

2 120 -

3 180 0

4 240 +

5 300 -

6 360 0

n n*60

Fonte: PROCOBRE, 2001

O sinal de 1ª ordem é chamada de harmônico fundamental, que possui a frequência de

60Hz. Os harmônicos pares não são considerados, ou seja, são nulos, uma vez que atuam de

forma periódica e simétrica. Os efeitos das harmônicas estão atrelados em relação ao

aquecimento indesejado, sobretudo, em motores, transformadores e condutores. Nos motores

elas proporcionam que o seu giro seja feito no mesmo sentido da componente fundamental,

havendo uma sobrecorrente nos enrolamentos (PROCOBRE, 2001). A presença desses tipos

de harmônicos, pares, pode ser sintoma de desajuste nos sistemas de controle por

semicondutores ou de variações bruscas de tensão ou corrente, na presença de componente

contínua (SANTOS et al., 2006).

As harmônicas de ordem ímpar oferecem, em motores, um sentido de giro contrário a

da fundamental, realizando um tipo de frenagem no mesmo, sendo encontradas largamente

nas instalações elétricas em geral (PROCOBRE, 2001).

Por fim, as harmônicas de ordem nula não provocam efeitos no sentido de rotação,

porém somam-se no condutor neutro, isso devido à lei de Kirchhoff de corrente

(PROCOBRE, 2001; GRADY, 2012). Isso faz com que a corrente harmônica no neutro seja

elevada.

Page 41: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

41

2.5.2.3 QUANTIFICAÇÃO DAS HARMÔNICAS NO SISTEMA

A distorção que ocorre na instalação elétrica pode ser quantificada de várias formas. A

mais empregada, e especificada pela IEEE 519-1992, é a Distorção Harmônica Total – THD

(Total Harmonic Distortion) (SANTOS et al., 2006).

Segundo Tavares (2008) esse valor define a distorção de uma quantidade alternada de

um modo geral. Em termos práticos, a THD de uma onda puramente senoidal chega a 0,

enquanto, na presença de distorções, pode chegar a valores próximos a 100%. Uma forma de

se observar isso é através do espectro harmônico, o qual é a representação da forma de onda

no domínio da frequência (PROCOBRE, 2001). A figura 2.17 demonstra uma senóide pura,

com seu respectivo espectro harmônico (no qual só detecta a componente fundamental, uma

vez que não possui outras componentes). Por sua vez, a figura 2.18 mostra um sinal com a

presença de harmônicas, e suas componentes, a partir do espectro de frequências.

Figura 2. 17 - Forma de onda e sinal puramente senoidal

Fonte: PROCOBRE, 2001

Figura 2. 18 - Forma de onda e sinal na presença de harmônicas

Fonte: PROCOBRE, 2001

Page 42: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

42

A distorção harmônica geral pode ser obtida através da equação [2.26] (SANTOS et al

2006).

Wg< = 0∑ DG[G\D ∙ 100% [2.26]

Onde:

n: ordem das harmônicas;

C1: amplitude da frequência fundamental;

Cn: amplitude das frequências de ordem “n”.

Assim, basta alterarmos os valores de Cn por valores de amplitude de tensão (ou

corrente), de ordem “n”, para obtermos a Distorção Harmônica Total de Tensão (THDv) ou a

Distorção Harmônica Total de Corrente (THDi), sendo esse formato previsto pela IEEE 519

(SANTOS et al., 2006).

Para os valores de distorção individual, é apresentada a equação [2.27] para sua

quantificação (SANTOS et al., 2006).

<+WG% = DGD ∙ 100% [2.27]

Sendo:

<+WG: distorção individual da componente de tensão ou corrente [%];

n: ordem das harmônicas;

C1: componente na frequência fundamental;

Cn: componente da harmônica de ordem “n”.

Devido a deformação da onda, o próprio conceito de fator de potência é alterado, uma

vez que o apresentado nas seções anteriores diz respeito a sistemas sem a presença de

harmônicas na frequência fundamental, ou seja, sem a presença de cargas não lineares. Assim,

dá-se o nome de fator de potência real para esse conceito. Esse fator de potência real deverá

levar em consideração o fator de deslocamento (defasagem entre tensão e corrente na

componente fundamental), levando em consideração o nível harmônico presente

(VASCONCELOS, 2006). Assim, a equação [2.28] expressa essa grandeza.

Page 43: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

43

k/ = 1√1 + Wg< . cos [2.28]

Sendo:

FP: fator de potência considerando a distorção harmônica;

THD: distorção harmônica geral;

cos : valor do fator de potência sem considerar a distorção harmônica

2.5.3 VALORES NORMATIVOS

No Relatório de Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica – Prodist (2008) –

são referenciados alguns valores para a medição das distorções harmônicas totais de tensão

(THDv). Neste documento o espectro harmônico a ser considerado deve possuir uma faixa de

frequências que tenha, a partir da fundamental, até no mínimo a 25ª ordem harmônica. Este

documento também apresenta uma tabela com os valores de referência para as distorções

harmônicas totais de tensão e corrente. A tabela 2.5 fornece os valores característicos e

normativos para THD de tensão, ao passo que a tabela 2.6 fornece os valores individuais para

harmônicos de tensão.

Tabela 2. 5 - Valores normativos de distorção de tensão total (THDv)

Fonte: PRODIST, 2008

Page 44: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

44

Tabela 2. 6 - Valores normativos de distorção de tensão individual

Fonte: PRODIST, 2008

A tabela 2.7, extraídas na IEEE 519, estabelecem os limites de distorção harmônica

para corrente em sistemas de distribuição individual e total (THDi). Para essa consulta, devem

ser levados em consideração os valores de: Isc (máxima corrente de curto circuito no ponto de

acoplamento comum); IL (máxima demanda de corrente de carga – componente de frequência

fundamental – no ponto de acoplamento comum); THD (distorção total) (TAVARES, 2008;

TEIXEIRA, 2009). De modo geral, e de acordo com a norma ANSI/IEEE Std 446-1987, os

valores de máxima distorção harmônica considerados estão na faixa de 3% a 5% (TAVARES,

2008; TEIXEIRA, 2009).

Tabela 2. 7 - Máxima distorção de corrente individual e total para níveis de 120V-69kV

Fonte: TAVARES, 2008

Page 45: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

45

Para demais níveis de tensão, há tabelas específicas para análise, as quais são

apresentadas por Teixeira (2009) e que não serão apresentadas aqui por se tratarem de casos

específicos e não utilizados neste trabalho.

2.5.4 ELEMENTOS CAUSADORES DAS HARMÔNICAS

As harmônicas, em sua maioria, são causadas pelas cargas não lineares empregados,

uma vez que as lineares são constituídas por resistências, indutâncias e capacitâncias, não

modificando a forma da senóide (PROCOBRE, 2001).

As cargas não lineares geram frequências harmônicas sendo que, genericamente, faz

uso de sistemas eletrônicos baseados em diodos, transistores e tiristores os quais operam

realizando a interrupção da senóide (estados de condução e bloqueio), deformando-a

(SANTOS et al., 2006).

Nos estados de condução a tensão se torna nula, aumentando a corrente. Já em estado

de bloqueio, a corrente é praticamente nula, ao passo que a tensão é elevada (SANTOS et al.,

2006). A figura 2.19 demonstra a tensão da rede (como uma senóide perfeita), a corrente (com

estados de funcionamento intermitente) e a tensão na carga (alterada devido aos estados de

condução).

Figura 2. 19 - Formas de onda no circuito com controle: a)forma de onda da tensão que alimenta a carga; b)

forma de onda da corrente absorvida pela carga; c) forma de onda da tensão na carga Fonte: PROCOBRE, 2001

A seguir são descritos alguns exemplos de cargas geradoras de harmônicas, os quais

são comumente encontrados nas instalações de baixa tensão (PROCOBRE, 2001):

• Retificadores CA-CC;

• Equipamentos variadores de velocidade;

Page 46: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

46

• Fontes de alimentação monofásica;

• Máquina de solda elétrica.

Os retificadores CA-CC são compostos por diodos e tiristores semicontrolados, o que

colabora para o aparecimento de 5ª, 7ª, 11ª e 13ª harmônicas. A figura 2.20 faz referência ao

gráfico da corrente absorvida pela carga, além do espectro harmônico e esquemático típico

deste equipamento (PROCOBRE, 2001).

Figura 2. 20 - Retificadores CA-CC: (a) Esquemático típico; (b) corrente absorvida; (c) espectro harmônico

Fonte: PROCOBRE, 2001

Os variadores de velocidade, utilizado amplamente na indústria com o objetivo de

diminuir os picos de corrente gerados na partida de motores, possuem amplo espectro

harmônico, principalmente na 5ª, 7ª e 11ª harmônicas. A figura 2.21 ilustra o gráfico de

corrente absorvida pela carga, além do espectro harmônico gerado e esquemático típico deste

equipamento (PROCOBRE, 2001).

(a)

(b) (c)

Page 47: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

47

Figura 2. 21 - Variadores de velocidade: (a) Esquemático típico; (b) corrente absorvida; (c) espectro harmônico

Fonte: PROCOBRE, 2001

As fontes de alimentação monofásica possuem a 3ª harmônica como grande fonte

poluidora, seguida da 5ª harmônica. Além disso, há a circulação de corrente harmônica pelo

neutro. Esse tipo de carga é variada, uma vez que é encontrada em fontes comutadoras de

baixo custo como, por exemplo, computadores, fotocopiadoras, impressoras, FAX, centrais

telefônicas, entre outros. A figura 2.22 ilustra graficamente a corrente solicitada pela carga,

além do espectro harmônico gerado e esquemático típico deste equipamento (PROCOBRE,

2001).

(c) (b)

(a)

Page 48: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

48

Figura 2. 22 - Fontes de alimentação monofásica: (a) Esquemático típico; (b) corrente absorvida; (c) espectro

harmônico Fonte: PROCOBRE, 2001

As máquinas de soldas elétricas, por sua vez, são instáveis, sendo que a harmônica

característica gerada é a 3ª, com a presença, também, da 5ª e 7ª harmônicas. A figura 2.23

ilustra, a corrente absorvida pela carga das máquinas de solda, além do espectro harmônico.

Figura 2. 23 - Máquinas de soldar: (a) Gráfico de Corrente absorvida; (b) Espectro harmônico

Fonte: PROCOBRE, 2001

(a) (b)

Page 49: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

49

2.5.5 EFEITOS DAS HARMÔNICAS NOS DISPOSITIVOS ELÉTRICOS

Inúmeros são os problemas inerentes a presença de harmônicas em grande quantidade

no sistema elétrico de potência, sobretudo, industrial. De modo que a ocorrência deste fator

indispensável acelera a fadiga dos motores e comprometimento das isolações de fios e cabos,

além de elevar a temperatura de equipamentos (WEG, 2010). Dos equipamentos sensíveis às

harmônicas, destacam-se: os motores, cabos, transformadores e, principalmente, banco de

capacitores, entre outros.

•Motores: As distorções harmônicas geram um fluxo harmônico nos terminais do

motor que, por consequência, diminuem o rendimento e causam o sobreaquecimento, além de

causar vibrações, contribuindo com a diminuição da vida útil das isolações. Como exemplo de

uma simulação, feita em Teixeira (2009), um motor com alimentação constituída de distorção

harmônica de tensão em 7,4% reduz a vida útil da isolação em 24,3%.

•Cabos: Os cabos, devido a harmônica de corrente, possuem grandes perdas,

principalmente em razão da restrição da seção condutora em virtude dos componentes de

frequências elevadas. Em grandes trechos podem aparecer sobre-tensões que danificam a

isolação do cabo no decorrer da linha de transmissão, devido as componentes harmônicas

(FRAGOAS, 2008; CORRÊA, 2007).

•Transformadores: No caso de transformadores, as harmônicas geram perdas no ferro

e no cobre (FRAGOAS, 2008). Assim, harmônicos de tensão acarretam em aumento de

perdas no núcleo, ao passo que os de corrente aumentam as perdas nos enrolamentos

(TEIXEIRA, 2009). De modo geral, as perdas não são excessivas devido a amplitude reduzida

dos harmônicos (FRAGOAS, 2008; CORRÊA, 2007). Além desses efeitos, ocorre também a

perda por correntes parasitas (ou Foucault) ocasionando no aumento de temperatura, por

efeito Joule. Segundo Tavares (2011) recomenda-se que diante desse efeito sejam utilizados

transformadores com potência nominal aumentada.

• Banco de Capacitores: Os bancos de capacitores são equipamentos sensíveis à

deformação da forma senoidal da tensão e corrente devido a presença de harmônicas

(TAVARES, 2011). A seção a seguir contemplará os efeitos da mesma, uma vez que é um dos

principais objetivos deste trabalho.

Page 50: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

50

2.5.6 OS EFEITOS DAS HARMÔNICAS NOS BANCOS DE CAPACITORES

Os capacitores têm sua vida útil reduzida em função das harmônicas, uma vez que

estas causam aquecimento nas conexões entre cabos e unidades capacitivas, além da

deterioração do dielétrico (isolação) em virtude da deformação do sinal aplicado (FRAGOAS,

2008).

Segundo Fragoas (2008) os capacitores estão sujeitos, principalmente, a 5ª e 7ª

harmônica. Na presença destas, faz-se necessário a utilização de capacitores com a tensão

acima da tensão nominal como fator de segurança, devido a elevação da temperatura nas

células capacitivas (TAVARES, 2008; WEG, 2010). Além dessa influência, o aumento da

frequência causa a diminuição da reatância capacitiva, podendo ocasionar o fenômeno de

ressonância (TEIXEIRA, 2009).

A ressonância é a condição na qual um circuito encontra a sua impedância, em um

dado ponto, ou extremamente alta ou extremamente baixa o que acarreta em uma grande

variação dos níveis de tensão e corrente. Assim, ocorre o efeito de sobretensão (ou

sobrecorrente), danificando o banco de capacitores (TEIXEIRA, 2009).

Esse efeito ocorre em uma frequência específica, denominada frequência de

ressonância. Assim, a reatância capacitiva se iguala a reatância indutiva (em um circuito LC).

Essa frequência de ressonância pode ser obtida através da equação [2.29] (CREDER, 2007):

l = 12 .m 1nD [2.29]

Onde:

C: capacitância do circuito [Farad];

L: indutância do circuito [Henry];

fr: frequência de ressonância [Hertz].

De acordo com Creder (2007) as ressonâncias são separadas em dois grupos:

ressonâncias em paralelo e ressonâncias em série.

Page 51: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

51

• A ressonância em série ocorre quando há circulação de corrente harmônica entre

transformadores e capacitores. Ela pode ser quantificada através da equação [2.30]

(CREDER, 2007):

ℎK = m pq%laPOp"23Iar. s%laPO [2.30]

Sendo:

ℎ*: ordem do harmônico de ressonância série;

pq%laPO: potência nominal do transformador [MVA];

p"23Iar: potência nominal do banco de capacitores [Mvar];

s%laPO: impedância do transformador [por unidade - pu];

•A ressonância em paralela ocorre entre os capacitores e as cargas não-lineares. Ela

pode ser quantificada através da equação [2.31] (CREDER, 2007):

ℎr = m pqKIp"23Iar = mtItN [2.31]

Sendo:

ℎr: ordem do harmônico de ressonância [frequência de ressonância/frequência

fundamental];

pqKI: nível de curto circuito, visto do ponto da instalação do banco de capacitores

[MVA];

p"23Iar: potência nominal do banco de capacitores [Mvar];

tI: reatância capacitiva do banco de capacitores [Ω];

tN: reatância indutiva do equivalente do sistema, vista do ponto do banco de

capacitores [Ω];

Page 52: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

52

Quando há a instalação de banco de capacitores, a frequência de ressonância se reduz

tornando-se um problema à instalação, uma vez que com o acréscimo de tensão, as células

capacitivas podem expandir, sendo danificadas definitivamente, fazendo com que o banco de

capacitores não atue de forma desejada. (CREDER, 2007).

Fragoas (2008) descreve que, se a potência das cargas não lineares, em kVA, for

menor que 30% da potência nominal do transformador e a potência reativa dos capacitores for

menor que 20% da potência nominal do transformador, o uso dos capacitores dispensa

preocupações com ressonâncias. Entretanto, se o uso de cargas não lineares for maior que

30% da potência nominal do transformador, os filtros nos bancos de capacitores deverão ser

empregados.

A seguir serão demonstradas formas de mitigação das harmônicas, em especial,

quando há o uso de banco de capacitores na instalação, que é o foco deste trabalho.

2.6 MÉTODOS PARA MITIGAÇÃO DOS EFEITOS DAS HARMÔNICAS

Existem maneiras diversas para atenuação dos efeitos das harmônicas nas instalações.

De modo geral, a solução pode ser voltada de dois modos: correção das harmônicas na

instalação e eliminação dos efeitos das harmônicas no banco de capacitores.

Quando uma solução global, referente às harmônicas, é empregada, as harmônicas são

eliminadas. Entretanto, quando se adota uma solução pontual (como é o caso do banco de

capacitores), atenuam-se apenas os efeitos das harmônicas sobre o objeto em questão (no

caso, banco de capacitores) (PROCOBRE, 2001).

Este capítulo é dividido em duas seções: soluções globais para correção dos efeitos das

harmônicas e solução para correção dos efeitos das harmônicas nos bancos de capacitores.

2.6.1 CORREÇÃO DOS EFEITOS DAS HARMÔNICAS

Para correção dos efeitos das harmônicas nas instalações são empregadas duas

topologias basicamente: correção através de transformadores de separação e correção através

de filtros (PROCOBRE, 2001).

2.6.1.1 CORREÇÃO POR TRANSFORMADORES DE SEPARAÇÃO

Os transformadores de separação são utilizados para isolar, galvanicamente, as

cargas harmônicas da fonte. Por essa razão as cargas poluidoras não comprometem a

Page 53: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

53

instalação em um modo global, pois são retidas, não comprometendo o restante do sistema

(PROCOBRE, 2001).

Existem dois tipos de transformadores de isolação: os transformadores de isolação

para 3ª harmônica e o para 5ª e 7ª harmônica (PROCOBRE, 2001).

• Os transformadores para 3ª harmônica são recomendados, basicamente para cargas

e fontes monofásicas, como computadores, eletrodomésticos, entre outros.

• Para as harmônicas de 5ª e 7ª harmônica protege o sistema trifásico, no que diz

respeito às cargas trifásicas, quadros, retificadores, inversores de frequência, entre

outros.

2.6.1.2 CORREÇÃO POR FILTROS

Além dos transformadores de separação, os filtros são uma outra solução que também

funcionam do tocante à mitigação das harmônicas.

Os filtros são fabricados para impedirem e bloquearem determinadas faixas de

frequência. Neste caso, impedindo e/ou reduzindo os efeitos das harmônicas no sistema

(TEIXEIRA, 2009). Um fator importante a ser considerado nos filtros é o chamado “Fator de

qualidade” (Fator ‘Q’ ou fator de mérito), o qual influencia diretamente no custo do sistema a

ser implantando, bem como na faixa de atuação do mesmo, uma vez que expressa o quão o

filtro é seletivo (TEIXEIRA, 2009).

As topologias empregadas, referente a filtros nas instalações, estão classificadas em

filtros ativos e passivos (MORAIS, 2011).

Os filtros ativos são instalados de modo que forneçam à carga as correntes harmônicas

necessárias para o funcionamento dela fazendo com que, no ponto de conexão entre carga-

fonte-filtro as harmônicas apenas circulem pelo trecho carga-filtro, isolando a fonte (e os

demais equipamentos) deste efeito (PROCOBRE, 2001).

As formas de ondas ilustradas na figura 2.24 mostram o tipo de corrente solicitada

pela carga. No ponto de acoplamento “A” ocorre a soma vetorial da corrente IFA (corrente do

filtro ativo) com a corrente da fonte, IS, alimentando a carga, com a corrente resultante ICH.

Page 54: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

54

Figura 2. 24 - Correção por filtro ativo

Fonte: PROCOBRE, 2001

Devido à fácil construção e baixo custo, os filtros passivos são mais empregados

(MORAIS, 2011). Esses tipos de filtros são baseados em sistemas RLC série, conectados em

paralelo à carga não linear ou no ponto de acoplamento do sistema (após o transformador)

(CORRÊA, 2007).

Os filtros passivos criam um caminho com menor resistência, isto é, baixa impedância,

para o fluxo das correntes harmônicas do sistema, funcionando com uma espécie de retorno

para elas, impedindo que se propaguem para os demais equipamentos (CORRÊA, 2007).

Esses filtros são divididos em três categorias: sintonizados, amortecidos e anti-

ressonantes (MORAIS, 2011).

• Os filtros sintonizados são utilizados para a eliminação das harmônicas em uma

faixa específica (5ª, 7ª, 11ª ou 13ª, por exemplo), uma vez que os menores harmônicos são os

que possuem maiores amplitudes, possuindo um valor “Q” elevado para poder compreender

todas essas harmônicas em sua correção (TEIXEIRA, 2009; TAVARES, 2008).

Page 55: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

55

• Os filtros amortecidos são utilizados para as frequências mais altas (harmônicos com

menor amplitude) acima da 17ª componente (TEIXEIRA, 2009). Devido à baixa amplitude

desses sinais, o fator de qualidade (Q) não precisa, prioritariamente, ser alto, reduzindo o

custo de implantação do mesmo.

• Os filtros dessintonizados (ou anti-ressonantes) são utilizados para bancos de

capacitores, a fim de que se evite o fenômeno de ressonância. Esse aspecto será abordado na

seção a seguir.

2.6.2 ELIMINAÇÃO DOS EFEITOS DAS HARMÔNICAS NOS BANCOS DE

CAPACITORES

Os filtros anti-ressonância – ou dessintonizados, segundo Tavares (2011) – possuem a

característica de impedir a ocorrência da ressonância entre o banco de capacitores e a

harmônica do sistema (TEIXEIRA, 2009).

Devido sua aplicação em frequências mais baixas, onde ocorrem as harmônicas

ressonantes com os bancos, essa solução não elimina as harmônicas do sistema, atuando

apenas como forma de isolar o banco de capacitores dos efeitos harmônicos da instalação.

Além dessas definições, há também a definição quanto a reatância capacitiva e reatância

indutiva, expressas nas equações [2.32] e [2.33], também utilizadas para determinar a ordem

das harmônicas, lembrando que são partes imaginárias da representação retangular da

impedância, a qual a parte real é a parte resistiva (WEG, 2010; MARKUS, 2004).

tA = 12. . . D [2.32]

tN = 2. . . n [2.33]

Sendo:

tA: Reatância capacitiva [Ω];

tN: Reatância indutiva [Ω];

f: frequência [Hz];

C: capacitância [F];

L: Indutância [H].

Assim, as equações [2.34] e [2.35] são obtidas através desses valores de reatâncias,

atribuindo assim os valores das impedâncias, uma vez que a parte resistiva é nula.

Page 56: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

56

sA = utA [2.34]

sN = −utN [2.35]

Sendo:

sA: Impedância capacitiva [Ω];

sN: Impedância indutiva [Ω];

Os indutores (filtros) anti ressonantes elevam a impedância do ramo do banco de

capacitores, controlando as correntes harmônicas que circulam no mesmo.

Para determinação deste filtro, faz-se necessário a determinação dos seguintes

elementos (TAVARES, 2011):

• Valor do indutor;

• Tensão nominal do capacitor;

• Tensão nominal do sistema;

• Frequência da rede;

• Frequência de dissintonia;

Outro aspecto importante na confecção do filtro é a ordem de dissintonia a ser

utilizado, uma vez que o filtro não é sintonizado na mesma faixa das harmônicas. Logo, são

utilizados valores da faixa de 3,3 a 4,2 da harmônica principal (TAVARES, 2011).

Page 57: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

57

3 METODOLOGIA

A metodologia utilizada nesse trabalho é a de estudo de caso, com uma abordagem de

investigação em relação ao objeto de estudo.

O objeto de estudo é a instalação de um cliente do setor alimentício o qual possui

problemas de fator de potência em sua planta, ocasionando em multas por parte da

concessionária, uma vez que esse fator está abaixo dos valores normativos, anteriormente

apresentados. Por conta disso, um banco de capacitores foi instalado, a fim de que tal

problema fosse sanado. Neste banco de capacitores foi constatado a queima e expansão de

células capacitivas o que, segundo Weg (2010), Fragoas (2008) e Teixeira (2009), pode ser

um indício de que as harmônicas estão em ressonância com os componentes reativos. Além

disso, a queima de contatoras também foi constatada, e, atrelado ao fato de que não há a

instalação de filtros nas instalações verifica-se indícios de que a instalação sofre com os

efeitos das harmônicas.

Todos esses fatores serão estudados, a seguir, evidenciando a necessidade de

modificações na instalação. Para tanto, a figura 3.1 ilustra os principais tópicos, em sequência,

necessários para compreensão do problema e dos componentes da instalação para que, ao

final de toda essa análise, uma solução seja apontada.

Figura 3. 1 - Estrutura do estudo de caso

Fonte: Autoria própria

A seguir, serão explanados os itens referentes a figura 3.1, em tópicos, evidenciando

os materiais a serem utilizados e a finalidade de cada um.

Page 58: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

58

3.1 COLETA DE DADOS

A coleta de dados será realizada de duas formas: através do levantamento de algumas

informações sobre os principais equipamentos instalados (como transformador e banco de

capacitores) e através de medição das principais grandezas da instalação.

Inicialmente, a coleta de dados da entrada da linha se faz necessário, obtendo dados

como a máxima corrente de curto circuito no ponto de acoplamento comum e a máxima

corrente medida.

Após isso, as seguintes informações devem ser constadas:

• Nome do transformador;

• Potência;

• Enrolamento Primário e secundário;

• Tensões Primárias;

• Nível de Tensão Escolhida (Primário);

• Tensão Secundária;

• Frequência;

• Impedância;

• Corrente de Curto Circuito na Alta Tensão (AT ou enrolamento primário);

• Corrente de Curto Circuito na Baixa Tensão (BT ou enrolamento secundário);

• Duração de Curto Circuito (AT);

• Duração do Curto Circuito (BT);

• Potência de Curto Circuito.

Por sua vez, o banco de capacitores também possui algumas informações de suma

importância que devem ser observados, tais como:

• Nome do banco de capacitores;

• Potência total e quantidade de estágios;

• Potência de cada estágio;

• Quantidade de estágios fixos;

• Quantidade de estágios controlados;

• Frequência;

• Tensão das células;

Page 59: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

59

• Transformador de corrente utilizado;

• Presença de filtro de dissintonia nos estágios.

Além desses dados, deverá ser medida as grandezas elétricas na instalação (potência

aparente, ativa, reativa, fator de potência, THDv, THDi, entre outras), a fim de que seja

comprovado se o sistema está sob influência de harmônicas. Para essa comprovação, duas

vertentes podem ser empregadas: a análise setorial e a análise global.

A análise setorial é feita em relação a cada grupo de equipamentos (e cargas não

lineares). Assim, serão levantados dados quanto as distorções harmônicas apenas deste grupo

de cargas, levando a uma solução também setorial.

Já a análise global (que será empregada neste trabalho) toma como base um

levantamento global das instalações, realizando o levantamento na parte geral de baixa tensão,

isto é, no barramento secundário do transformador.

Para essa medição das grandezas elétricas será utilizado o Analisador de Grandezas

Smart Meter T, da IMS, o qual realizou as medições num período de 4 dias com a fábrica em

funcionamento e em diversos turnos. A figura 3.2 ilustra o analisador utilizado, sendo que

suas especificações técnicas encontram-se no Anexo A.

Figura 3. 2 – Analisador de energia utilizado

Fonte: IMS, 2000

Com a posse dessas informações é possível realizar a análise do banco de capacitores

(e sua necessidade) para a instalação.

Page 60: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

60

3.2 ANÁLISE DA NECESSIDADE DE BANCO DE CAPACITORES

Neste tópico a necessidade do banco de capacitores será avaliada, verificando se seu

dimensionamento está correto, atendendo à carga instalada, a fim de que o fator de potência

seja elevado e comparado com a legislação apresentada no capítulo 2 (item 2.2.3.).

Logo, serão analisados os fatores de potência da instalação com o banco de capacitores

desligado e, posteriormente, com a inserção do mesmo.

Para inserção da carga reativa, será utilizado o software Smart Meter T (Analisador

P600), o qual é parte integrante do analisador Smart Meter T. Esse software utiliza das

equações contidas no cálculo apresentado no capítulo 2 (item 2.2.4) para simular o novo fator

de potência após a inserção de carga reativa.

3.3 ANÁLISE DOS DADOS DE DISTORÇÕES HARMÔNICAS

Posteriormente a análise do banco de capacitores, será realizada a análise dos

componentes harmônicos detectados no período de medição, verificando se os mesmos

encontram-se dentre dos valores normativos expressos na seção “Valores Normativos” (item

2.5.3.).

Os dados das medições das distorções harmônicas serão sintetizados e, a partir deles, o

espectro das harmônicas, conforme sugere Procobre (2001), de tensão e corrente, separados

por fase do sistema trifásico.

Como o equipamento realiza a plotagem dos gráficos em função de tempo, a análise

será feita no intervalo em que forem constatados os maiores índices de harmônicas. Logo,

apenas as harmônicas deste período serão demonstradas.

Em virtude das harmônicas, faz-se necessário calcular a ressonância do banco de

capacitor e do sistema, a fim de que seja calculado um filtro dessintonizado para o mesmo,

caso a frequência de ressonância seja uma harmônica contida no sistema.

3.4 DESENVOLVIMENTO DA SOLUÇÃO

Constatada a presença de harmônicas, é necessário que seja desenvolvida a solução

para eliminar os efeitos destas. Como apresentado no tópico 2.6.1, são diversas as formas que

podem ser adotadas para correção das harmônicas. Para essa situação, a solução adotada é a

da confecção do filtro anti ressonante, através da inserção de um indutor em série com cada

estágio do banco de capacitores.

Page 61: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

61

Assim, três passos são fundamentais para o estudo preliminar para o desenvolvimento

do filtro dessintonizado (anti ressonante):

• Definição do harmônico ressonante em paralelo (entre o banco de capacitores e

as cargas não-lineares) através da equação de hp, (equação 2.31) ;

• Definição do harmônico ressonante em série (para ressonância em série – entre

o banco de capacitores e o transformador) através da equação de hs (equação

2.30);

• Verificação da harmônica ressonante em face às harmônicas presentes na

instalação.

Após essas informações, procede-se com o dimensionamento do filtro anti-ressonante:

• Obter a capacitância de cada estágio, através da equação 2.14;

• Obter a reatância capacitiva dos estágios, através da equação 2.32;

• Dessintonizar os estágios do banco de capacitores na ordem de 3,3ª e 3,4ª

harmônicos e obter o valor do indutor “L”, através da equação 2.29;

• Obter a reatância indutiva do indutor, através da equação 2.33;

• Constatar a dissintonia, através da equação 2.31;

Após esses passos, a tensão nominal do banco de capacitores deverá ser revista,

conforme Tavares (2008) e Weg (2010), uma vez que em locais com harmônicas é comum tal

prática.

3.5 MODELAGEM SIMPLIFICADA DO SISTEMA E SIMULAÇÃO

Após determinado os valores de indutância a ser inserido no banco de capacitores, o

sistema é modelado, de modo simplificado, para ser inserido em um ambiente de simulação.

Para simulação das fontes harmônicas será utilizado o software PSPICE Schematics v

9.1. Assim, as fontes harmônicas serão modeladas como fontes de corrente, defasadas de

acordo com a seu grau, conforme figura 3.3. , onde se ilustra o valor de resistência do sistema

(Rs), impedância do sistema (Xs), resistência do filtro e banco de capacitores (Rf) e fontes de

corrente harmônicas (Ih).

Page 62: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

62

Figura 3. 3 - Modelagem do sistema para simulação simplificada

Fonte: MORAIS, 2011

Os valores de Rs e Xs podem ser modelados de acordo com metodologias empregadas

por Fragoas (2009) e Morais (2011). Entretanto, trata-se de uma metodologia complexa e

específica de utilização. Contudo, será adotado os valores apresentados por Morais (2011)

para um transformador semelhante ao analisado, sendo os valores de Rs e Xs,

respectivamente, 26mΩ e 48mH.

A simulação fará um comparativo entre as respostas do sistema, do ponto de vista do

secundário do transformador (adotando uma fase para análise, uma vez que os fenômenos são

recorrentes a todo o sistema trifásico), abordando:

• o sistema sem o banco de capacitores;

• com o acréscimo do banco de capacitores, porém, sem o filtro de dessintonia;

• com o banco de capacitores, acrescido do filtro de dessintonia.

Depois de constatada a eficácia do sistema, será realizada a tomada de preços para a

implementação do mesmo.

3.6 CUSTO DO SISTEMA

Definido os valores nominais do sistema anti-ressonante a ser empregado, a tomada de

preço no mercado é possível. O custo para o filtro será realizado, com base em um filtro anti-

ressonante especificado de acordo com as informações abaixo:

• Ordem de dessintonia;

• Frequência de dessintonia;

• Frequência nominal;

• Tensão de trabalho;

• Potência reativa, trifásica, do estágio;

• Indutância por estágio;

Page 63: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

63

• Temperatura ambiente;

• Necessidade de refrigeração especial.

Page 64: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

64

4 RESULTADOS

De acordo com as etapas estabelecidas no capítulo 3 deste trabalho, foram levantados

resultados necessários para a confecção do sistema anti-ressonante a ser acoplado ao banco de

capacitores a fim de que o efeito das harmônicas não prejudique o funcionamento do banco de

capacitores.

A seguir, serão evidenciados em forma de etapas (conforme proposto no item 3, figura

3.1) os resultados encontrados.

4.1 COLETA DE DADOS

O transformador a ser analisado é o qual alimenta as linhas 9 e 10 da empresa. No

ponto de acoplamento comum, com a concessionária, o valor de máxima corrente de curto

circuito (no ponto de acoplamento comum) é de 32,8kA e a máxima corrente medida é de

1023A.

De modo simplificado, a figura 4.1 ilustra como está disposta a instalação do banco de

capacitores, cargas lineares, cargas não lineares neste transformador.

Figura 4. 1 - Visão global da instalação

Fonte: Autoria própria

Page 65: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

65

Já o transformador possui as informações conforme tabela 4.1:

Tabela 4. 1 - Características do transformador a ser analisado

NOME: Transformador linhas 9 e 10

POTÊNCIA: 1000 kVA

ENROLAMENTO PRIMÁRIO: Triângulo

ENROLAMENTO SECUNDÁRIO: Estrela

TENSÕES PRIMÁRIAS (TAPS): (13,8; 13,2; 12,6; 12,0; 11,4; 10,8; 10,2) kV

TENSÃO PRIMÁRIA SELECIONADA: 13,8 kV

TENSÃO SECUNDÁRIA: 440-254V

FREQUÊNCIA: 60 Hz

IMPEDÂNCIA: 6,02% - 0,0602pu

CORRENTE DE CURTO CIRCUITO (AT) 1,046 kA

CORRENTE DE CURTO CIRCUITO (BT) 32,80 kA

DURAÇÃO: CURTO CIRCUITO (AT) 2 segundos

DURAÇÃO: CURTO CIRCUITO (BT) 2 segundos

POTÊNCIA DE CURTO CIRCUITO 783,99 MVA Fonte: Autoria própria

De acordo com o levantamento realizado, não foi possível realizar o cadastramento de

todas as cargas lineares e não lineares nas instalações. Logo, uma solução global teve que ser

adotada.

O banco de capacitores instalado possui as seguintes características, conforme tabela

4.2.

Tabela 4. 2 - Características do banco de capacitores NOME: Banco de Capacitores linha 9 e 10

POTÊNCIA TOTAL: 300 kvar

QUANTIDADE DE ESTÁGIOS: 12

POTÊNCIA DE CADA ESTÁGIO: 25 kvar

QUANTIDADE DE ESTÁGIOS FIXOS: 0

QUANTIDADE DE ESTÁGIOS CONTROLADOS: 12

FREQUÊNCIA: 60 Hz

TENSÃO DAS CÉLULAS: 440V

TRANSFORMADOR DE CORRENTE: 1000/5A

HÁ FILTRO DE DESSINTONIZA: NÃO Fonte: Autoria própria

A medição do sistema foi feita através da instalação do equipamento de análise de

grandezas elétricas, o qual foi instalado no barramento secundário do transformador (BUST1

da figura 4.1) com o banco de capacitores, presente no local, desligado. A figura 4.2 apresenta

Page 66: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

66

os valores medidos (com o analisador de energia da IMS, conforme apresentado

anteriormente), sendo que as linhas vermelhas, azuis e verdes referenciam as fases R, S e T,

respectivamente e verifica-se que, sem o banco de capacitores, o fator de potência fica abaixo

de 0,70, estando em não-conformidade com os valores estabelecidos pela ANEEL.

Figura 4. 2 - Medição do fator de potência com o analisador de energia

Fonte: Autoria própria

Com o banco de capacitores desligado, as medições das harmônicas foram realizadas,

de maneira global, diretamente no secundário do transformador (tal como foi o procedimento

para a medição do fator de potência).

A medição forneceu os dados para cada fase, individualmente, sendo o medidor

também conectado no secundário do transformador das linhas 9 e 10. Os dados das medições

foram sintetizados e, a partir deles, foram levantados os espectros das harmônicas de tensão e

corrente, separados por fase do sistema trifásico, conforme sugere Procobre (2001),

Page 67: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

67

O THD de tensão encontrado foi de 4%. As figuras 4.3, 4.4 e 4.5 mostram o gráfico da

distorção individual (espectro de harmônicas, sem considerar a harmônica 1 que, no caso, é a

componente fundamental – frequência na ordem da rede elétrica em 60Hz), de tensão, das

fases R,S e T respectivamente. As tabelas 4.3, 4.4 e 4.5 resumem os dados que estão nas

imagens citadas.

Figura 4. 3 - Medição da Distorção Individual de Tensão – Fase R

Fonte: Autoria própria

Tabela 4. 3 - Valores de Distorção Individual de Tensão – Fase R Harmônico 2º 3º 4º 5º 7º 11º 13º 17º 19º 25º 29º 31º 35º 37º 41º

[%] 0,50 0,20 0,10 3,30 0,60 0,70 0,50 0,50 0,40 0,40 0,30 0,30 0,20 0,30 0,10

Fonte: Autoria própria

Page 68: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

68

Figura 4. 4 - Medição da Distorção Individual de Tensão – Fase S

Fonte: Autoria própria

Tabela 4. 4 - Valores de Distorção Individual de Tensão – Fase S Harmônico 2º 3º 5º 7º 9º 11º 13º 15º 17º 19º 21º

[%] 0,40 0,30 3,40 0,70 0,10 0,80 0,60 0,10 0,60 0,50 0,10

Harmônico 23º 25º 27º 29º 31º 33º 35º 37º 39º 41º

[%] 0,10 0,50 0,10 0,40 0,40 0,10 0,30 0,40 0,10 0,20

Fonte: Autoria própria

Figura 4. 5 - Medição da Distorção Individual de Tensão – Fase T

Fonte: Autoria própria

Page 69: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

69

Tabela 4. 5 - Valores do Individual de Tensão – Fase T Harmônico 2º 3º 4º 5º 7º 11º 13º 17º 19º 25º 29º 31º 35º 37º

[%] 0,60 0,10 0,20 3,20 0,50 0,60 0,40 0,40 0,30 0,30 0,20 0,20 0,10 0,20

Fonte: Autoria própria

O THD de corrente encontrado obteve pico de 60%. As figuras 4.6, 4.7 e 4.8 mostram,

por sua vez, os espectros para distorção individual de corrente, não considerando a

fundamental – 1ª harmônica – visto que é a harmônica fundamental e natural do sistema, das

fases R, S e T, respectivamente, do sistema trifásico. Tais dados também estão compreendidos

nas tabelas 4.6, 4.7 e 4.8 que seguem cada imagem.

Figura 4. 6 - Medição Individual de Corrente – Fase R

Fonte: Autoria própria

Tabela 4. 6 - do Individual de Corrente – Fase R Harmônico 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º 9º 10º 11º

[%] 2,80 5,50 1,90 43,90 1,90 39,60 0,90 1,70 0,30 23,10

Harmônico 12º 13º 14º 15º 16º 17º 18º 19º 20º 21º

[%] 1,40 15,80 1,30 0,50 1,40 2,60 1,80 1,90 0,70 0,10

Harmônico 22º 23º 24º 25º 26º 27º 28º 29º 30º 31º

[%] 0,20 4,20 0,70 4,40 0,80 0,70 0,50 1,70 1,00 0,60

Harmônico 32º 33º 34º 35º 36º 37º 38º 39º 40º 41º

[%] 0,60 0,30 0,20 1,00 0,70 1,80 0,80 0,20 0,70 0,70

Fonte: Autoria própria

Page 70: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

70

Figura 4. 7 - Medição Individual de Corrente – Fase S

Fonte: Autoria própria

Tabela 4. 7 - Valores do Individual de Corrente – Fase S Harmônico 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º 9º 10º 11º

[%] 0,70 5,80 2,30 41,90 1,50 32,70 0,30 2,90 2,00 20,80

Harmônico 12º 13º 14º 15º 16º 17º 18º 19º 20º 21º

[%] 0,70 12,80 0,50 0,20 1,60 2,60 1,20 0,70 1,10 1,30

Harmônico 22º 23º 24º 25º 26º 27º 28º 29º 30º 31º

[%] 1,50 3,30 0,50 3,20 0,30 0,50 0,50 2,10 0,50 0,30

Harmônico 32º 33º 34º 35º 36º 37º 38º 39º 40º 41º

[%] 0,60 1,00 1,00 0,70 0,50 1,00 1,00 0,40 0,70 0,90

Fonte: Autoria própria

Page 71: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

71

Figura 4. 8 - Medição Individual de Corrente – Fase T

Fonte: Autoria própria

Tabela 4. 8 - Valores do Individual de Corrente – Fase T Harmônico 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º 9º 10º 11º

[%] 2,20 0,70 0,90 40,60 0,40 37,50 1,60 2,00 1,40 21,10

Harmônico 12º 13º 14º 15º 16º 17º 18º 19º 20º 21º

[%] 0,80 14,60 1,40 0,40 1,10 2,80 0,60 0,20 1,90 1,20

Harmônico 22º 23º 24º 25º 26º 27º 28º 29º 30º 31º

[%] 0,50 3,30 0,50 4,70 0,40 0,60 1,40 1,80 0,30 1,20

Harmônico 32º 33º 34º 35º 36º 37º 38º 39º 40º 41º

[%] 1,40 0,60 0,60 0,50 0,30 1,90 1,60 0,30 0,90 1,10

Fonte: Autoria própria

4.2 ANÁLISE DA NECESSIDADE DO BANCO DE CAPACITORES

De acordo com o levantamento realizado, o sistema requer o uso de banco de

capacitores. Assim foi utilizado o software “Analisador Smart Meter T P600” (parte

integrante do analisador em uso) para realizar a simulação do sistema com a carga capacitiva

e, por consequência, o valor do fator de potência resultante. O software utiliza dos princípios

de cálculos aqui apresentados, realizando-os de maneira automatizada dando, assim, maior

agilidade na determinação do banco de capacitores a ser escolhido. Como a planta em questão

possui um banco, a inserção de carga foi feita em relação ao banco de capacitores existente.

Page 72: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

72

No caso, a simulação contou com a introdução de 300kvar, sendo seu resultado

expresso no gráfico da figura 4.9. O gráfico comprova que o sistema realmente requer o uso

de banco de capacitores automáticos, de modo que, nos intervalos em que o consumo não é

tão alto as células possam ser desligadas automaticamente a fim de que não haja excesso

capacitivo no sistema. As linhas vermelhas, azuis e verdes referenciam as fases R, S e T,

respectivamente.

Figura 4. 9 - Simulação do novo fator de potência após a inserção do banco de capacitores

Fonte: Autoria própria

4.3 ANÁLISE DOS DADOS DE DISTORÇÕES HARMÔNICAS

A fim de que seja avaliado o nível das harmônicas no sistema, foi elaborada a tabela

4.9 a qual compara os resultados medidos com os valores normativos. Esses valores

normativos foram retirados das tabelas apresentadas.

Em relação às distorções totais THD: o THD de tensão está dentro dos padrões

globais, ao passo que o THD de corrente encontra-se em desacordo.

Page 73: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

73

Tabela 4. 9 - Análise da Distorção Individual de Tensão

Levantamento Valor

Normativo Situação Harmônico [%] [%]

FASE R

2º 0,50 2,50 Em conformidade

3º 0,20 6,50 Em conformidade

4º 0,10 1,50 Em conformidade

5º 3,30 7,50 Em conformidade

7º 0,60 6,50 Em conformidade

11º 0,70 4,50 Em conformidade

13º 0,50 4,00 Em conformidade

17º 0,50 2,50 Em conformidade

19º 0,40 2,00 Em conformidade

25º 0,40 2,00 Em conformidade

29º 0,30 1,50 Em conformidade

31º 0,30 1,50 Em conformidade

35º 0,20 1,50 Em conformidade

37º 0,30 1,50 Em conformidade

41º 0,10 1,50 Em conformidade

FASE S

2º 0,40 2,50 Em conformidade

3º 0,30 6,50 Em conformidade

5º 3,40 7,50 Em conformidade

7º 0,70 6,50 Em conformidade

9º 0,10 4,50 Em conformidade

11º 0,80 4,00 Em conformidade

13º 0,60 2,50 Em conformidade

15º 0,10 2,00 Em conformidade

17º 0,60 2,00 Em conformidade

19º 0,50 1,50 Em conformidade

21º 0,10 1,50 Em conformidade

23º 0,10 1,50 Em conformidade

25º 0,50 1,50 Em conformidade

27º 0,10 1,50 Em conformidade

29º 0,40 1,50 Em conformidade

31º 0,40 1,50 Em conformidade

33º 0,10 1,00 Em conformidade

35º 0,30 1,50 Em conformidade

37º 0,40 1,50 Em conformidade

39º 0,10 1,00 Em conformidade

41º 0,20 1,50 Em conformidade

FASE T

2º 0,60 2,50 Em conformidade

3º 0,10 6,50 Em conformidade

4º 0,20 1,50 Em conformidade

5º 3,20 7,50 Em conformidade

7º 0,50 6,50 Em conformidade

11º 0,60 4,50 Em conformidade

13º 0,40 4,00 Em conformidade

17º 0,40 2,50 Em conformidade

19º 0,30 2,00 Em conformidade

25º 0,30 2,00 Em conformidade

29º 0,20 1,50 Em conformidade

31º 0,20 1,50 Em conformidade

35º 0,10 1,50 Em conformidade

37º 0,20 1,50 Em conformidade

(Fonte: Autoria própria)

Para os valores de distorção individual para corrente, foi analisada a tabela 2.7 (que

descreve os máximos valores harmônicos permitidos). Para manipulação desta, é necessário o

valor da relação entre +A* (máxima corrente de curto circuito no ponto de acoplamento comum

que é 32,80 kA) e +v (máxima corrente medida – 1023A). Dessa relação, é obtido o valor de

32, o qual é usado na consulta da referida tabela. Como resultado, a comparação é expressa

pela tabela 4.10.

Page 74: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

74

Tabela 4. 10 - Análise da Distorção Individual de Corrente

Harmônico [h] Levantamento Valor

Normativo Situação

R S T Fase Fase Fase [%] [%] [%] [%] R S T

2º 2,8 0,7 2,2 7 Conforme Conforme Conforme

3º 5,5 5,8 0,7 7 Conforme Conforme Conforme

4º 1,9 2,3 0,9 7 Conforme Conforme Conforme

5º 43,9 41,9 40,6 7 Não Conforme Não Conforme Não Conforme

6º 1,9 1,5 0,4 7 Conforme Conforme Conforme

7º 39,6 32,7 37,5 7 Não Conforme Não Conforme Não Conforme

8º 0,9 0,3 1,6 7 Conforme Conforme Conforme

9º 1,7 2,9 2 7 Conforme Conforme Conforme

10º 0,3 2 1,4 7 Conforme Conforme Conforme

11º 23,1 20,8 21,1 3,5 Não Conforme Não Conforme Não Conforme

12º 1,4 0,7 0,8 3,5 Conforme Conforme Conforme

13º 15,8 12,8 14,6 3,5 Não Conforme Não Conforme Não Conforme

14º 1,3 0,5 1,4 3,5 Conforme Conforme Conforme

15º 0,5 0,2 0,4 3,5 Conforme Conforme Conforme

16º 1,4 1,6 1,1 3,5 Conforme Conforme Conforme

17º 2,6 2,6 2,8 2,5 Não Conforme Não Conforme Não Conforme

18º 1,8 1,2 0,6 2,5 Conforme Conforme Conforme

19º 1,9 0,7 0,2 2,5 Conforme Conforme Conforme

20º 0,7 1,1 1,9 2,5 Conforme Conforme Conforme

21º 0,1 1,3 1,2 2,5 Conforme Conforme Conforme

22º 0,2 1,5 0,5 2,5 Conforme Conforme Conforme

23º 4,2 3,3 3,3 1 Não Conforme Não Conforme Não Conforme

24º 0,7 0,5 0,5 1 Conforme Conforme Conforme

25º 4,4 3,2 4,7 1 Não Conforme Não Conforme Não Conforme

26º 0,8 0,3 0,4 1 Conforme Conforme Conforme

27º 0,7 0,5 0,6 1 Conforme Conforme Conforme

28º 0,5 0,5 1,4 1 Conforme Conforme Não Conforme

29º 1,7 2,1 1,8 1 Não Conforme Não Conforme Não Conforme

30º 1 0,5 0,3 1 Conforme Conforme Conforme

31º 0,6 0,3 1,2 1 Conforme Conforme Não Conforme

32º 0,6 0,6 1,4 1 Conforme Conforme Não Conforme

33º 0,3 1 0,6 1 Conforme Conforme Conforme

34º 0,2 1 0,6 1 Conforme Conforme Conforme

35º 1 0,7 0,5 0,5 Não Conforme Não Conforme Conforme

36º 0,7 0,5 0,3 0,5 Não Conforme Conforme Conforme

37º 1,8 1 1,9 0,5 Não Conforme Não Conforme Não Conforme

38º 0,8 1 1,6 0,5 Não Conforme Não Conforme Não Conforme

39º 0,2 0,4 0,3 0,5 Conforme Conforme Conforme

40º 0,7 0,7 0,9 0,5 Não Conforme Não Conforme Não Conforme

41º 0,7 0,9 1,1 0,5 Não Conforme Não Conforme Não Conforme

Fonte: Autoria própria

Em relação às tabelas apresentadas (4.9 e 4.10) constata-se que há harmônicas fora dos

padrões normativos, principalmente as iniciais, cujas amplitudes são maiores. A diversidade

de equipamentos não-lineares, colaboram para a diversificação desses harmônicos.

Page 75: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

75

4.4 DESENVOLVIMENTO DA SOLUÇÃO

Em relação aos dados levantados, constata-se a necessidades da inserção de indutores

dessintonizados (anti-ressonantes) em série com os estágios do banco de capacitores. Em

virtude das medições, é necessário que seja verificada a frequência de ressonância do banco

de capacitores, para que o mesmo não entre em ressonância com alguma harmônica do

sistema.

Tão logo, serão utilizadas as equações apresentadas anteriormente, mais

especificamente, a equação [2.31] para averiguação da ressonância em paralelo (hp)e a

equação [2.30] para ressonância em série (hs).

Assim, também utilizando do valor de pqKI, o qual consta junto com os dados do

transformador (783,99 MVA), são obtidos os resultados do harmônico ressonante presente na

instalação: em paralelo (equação [4.1]) e em série (equação [4.2]).

ℎr = m pqKIp"23Iar = m783,990,3 ≅ 51 [4.1]

ℎK = m pq%laPOp"23Iar. s%laPO = m 10,3. 0,0602 ≅ 7,44 [4.2]

A ordem do harmônico paralelo encontrado está na ordem 51. Harmônicos com ordens

superiores a 21ª, de acordo com Tavares (2008), possuem amplitude pequenas, não sendo

grandes fatores que carecem de problemas para as instalações. A ressonância não acontece em

harmônicos elevados (na harmônica 51, a ordem da frequência é de 3 kHz).

Já na ressonância em série entre o banco de capacitores e o transformador ocorre na

harmônica de ordem 7,44ª.

Conforme verificado nas medições as harmônicas da 7ª ordem estão 5 vezes maior que

os valores normativos. Assim, a possibilidade de ressonância é grande, sendo necessária a

confecção de um filtro de dessintonia nessa frequência para o banco de capacitores.

Como visto anteriormente, esse filtro é utilizado para baixas frequências, com o intuito

de ser utilizado junto ao banco de capacitor, evitando que as harmônicas interfiram no

funcionamento do mesmo (TAVARES, 2008).

Page 76: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

76

Através da frequência de ressonância é possível encontrar o valor da indutância, uma

vez que a frequência anti-ressonante utilizada para bancos de capacitores é sempre menor que

a primeira harmônica do sistema. Neste caso, com a 5ª harmônica sendo a primeira harmônica

do sistema, é considerado um ordem de 3,77ª (TAVARES, 2008).

Antes, pois, da realização destes cálculos, é necessário obter a capacitância de cada

estágio a partir da equação [4.3].

D = 1000. /A2. . . G =1000.252. . 60. 0.44 = 342,7Hk [4.3]

Comercialmente, esse valor está dentro dos padrões encontrados, conforme Weg

(2013). Aplicando o valor da equação 4.3 na equação [2.32] será obtido o valor da reatância

capacitiva de uma célula capacitiva, conforme equação 4.4.

tA = 12. . . D = 12. . 60.342,7H = 7,74Ω [4.4]

A partir da equação [2.29], e através da frequência de ressonância (l) definida na

ordem de 3,4ª, o valor da indutância anti-ressonante “L” pode ser definida, conforme equação

[4.5]:

l = 12 .m 1nD → n = 14. l. D = 14. 60.3,77. 342,7H = 1,44~g [4.5]

A equação [4.6] expressa a reatância indutiva do sistema, a qual é necessária para

constatar, através da equação [4.7], a dessintonia do banco na harmônica escolhida, isto é,

3,4ª.

tN = 2. . . n = 2. . 60.1,44~ = 0,54Ω

[4.6]

ℎr = mtItN = m7,740,54 = 3,77 [4.7]

Page 77: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

77

Matematicamente, pela equação [4.7], o banco de capacitores estará em dessintonia

com o sistema, fazendo com que não ocorram os efeitos indesejados os quais vêm

comprometendo o funcionamento deste.

Conforme especificado por Tavares (2008) e Weg (2010) é necessário o aumento da

tensão nominal do capacitor, uma vez que com a presença das harmônicas, o capacitor (na

tensão nominal) terá sua isolação comprometida. No caso a tensão a ser utilizada como

nominal dos capacitores é 480V.

4.5 MODELAGEM SIMPLIFICADA DO SISTEMA E SIMULAÇÃO

O sistema foi modelado com base no item 3.5 no tocante aos valores do sistema. Além

disso, apenas as harmônicas mais significativas (até a 25ª) foram consideradas. A figura 4.10

expressa o modelo do sistema empregado, baseando-se no padrão adotado no item 3.5. Nesta

figura constata-se o sistema com o banco de capacitores desligado. Assim, tem-se apenas a

parte das cargas não lineares e do sistema (transformador em questão, das linhas 9 e 10)

representados.

Figura 4. 10 – Esquemático do sistema sem banco de capacitores

Fonte: Autoria própria

Na figura 4.11 observa-se a deformação da senóide por conta das cargas não-lineares

(aqui expressas em forma de fontes de correntes defasadas entre si de acordo com a

harmônica característica). A figura 4.12 ilustra o espectro harmônico da instalação sem o

Page 78: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

78

banco de capacitores. Nela é predominante a presença da 5ª harmônica, além de possuir outras

harmônicas, com amplitudes menores.

Figura 4. 11 - Deformação da senóide no sistema sem o banco de capacitores

Fonte: Autoria própria

Figura 4. 12 - Espectro de frequência no sistema sem o banco de capacitores

Fonte: Autoria própria

Com a inserção do banco de capacitores, o sistema foi alterado, em seu fluxo de carga,

como é ilustrado pela figura 4.13. Nela foram acrescentados os seis estágios de bancos de

capacitores. Em primeiro momento, sem a presença dos filtros.

Page 79: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

79

Figura 4. 13 - Esquemático do sistema com o banco de capacitores

Fonte: Autoria própria

É observado na figura 4.14 que a deformação da senóide resultante teve seus valores

de amplitude aumentados, sobretudo na harmônica 5 (300Hz). É verificado no espectro

harmônico da figura 4.15 que houve acréscimo nos harmônicos iniciais do sistema, sobretudo

no 5ª harmônico. Esse fenômeno tem influência da ressonância no sistema, uma vez que foi

constatado, conforme equação [4.2] a presença deste. Portanto, a maior ocorrência também

tende a acontecer nos primeiros harmônicos do sistema, motivo pelo qual o indutor de

dessintonia é projetado para atuar abaixo do primeiro harmônico.

Figura 4. 14 - Deformação da senóide no sistema com o banco de capacitores

Fonte: Autoria própria

Page 80: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

80

Figura 4. 15 - Espectro de frequência no sistema com o banco de capacitores

Fonte: Autoria própria

Inserindo os filtros de dessintonia, o sistema é novamente configurado, conforme

figura 4.16. Nela, a presença dos indutores em série com seus respectivos estágios visa

sintonizar o sistema para que o fluxo harmônico não mais ocasione a elevação da amplitude

da harmônica no secundário do transformador, por conta da ressonância.

Figura 4. 16 - Esquemático do sistema com o banco de capacitores dessintonizado

Fonte: Autoria própria

Após a correção, a amplitude da senóide resultante é alterada, conforme figura 4.17.

Em vista desta nova configuração, a figura 4.18 expressa espectro da mesma, constatando-se

que, em relação ao sistema sem filtro de dessintonia, a amplitude da harmônica diminuiu,

além de causar a dessintonia dos estágios.

Page 81: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

81

Figura 4. 17 - Deformação da senóide no sistema com banco de capacitores dessintonizado

Fonte: Autoria própria

Figura 4. 18 - Espectro de frequência do sistema com banco de capacitores dessintonizado

Fonte: Autoria própria

Entretanto, vale ressaltar que a utilização do filtro de dessintonia visa, em primeiro

momento, dessintonizar o banco para que o mesmo não ressone com o secundário do

transformador, ocasionando em queimas das células e no mau funcionamento do banco de

capacitores. Assim, a correção das harmônicas do sistema como um todo não é a principal

preocupação quando se utiliza essa configuração.

4.6 CUSTO DO SISTEMA

O custo do sistema em questão foi baseado nas seguintes informações:

• Ordem de dessintonia: 3,77ª;

• Frequência de dessintonia: 226Hz;

Page 82: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

82

• Frequência nominal: 60Hz;

• Tensão de trabalho: 440V;

• Potência reativa, trifásica, do estágio: 25kvar (do banco de capacitores);

• Indutância por estágio: trifásica, 1,44mH;

• Temperatura ambiente: 40ºC;

• Necessidade de refrigeração especial: Não há necessidade (refrigeração ambiente).

A tabela 4.11 ilustra os gastos globais que serão necessários para a instalação do filtro

dessintonizado e para substituição das células capacitivas existentes por outras de maior

tensão nominal. Nela também constam demais custos que fazem parte da prévia análise da

rede, considerando custos para a utilização do analisador de energia, estudo preliminar e

projeto. A tabela 4.12 aponta o valor da multa paga por mês à concessionária de energia por

conta do baixo fator de potência. Por fim, a tabela 4.13 utiliza os dados das duas tabelas

anteriores para constatar o tempo de retorno do investimento (“payback”) em 3,1 meses e, a

partir de sua análise, verifica-se que o custo benefício, no decorrer do tempo estimado, são

satisfatórios.

Tabela 4. 11 – Coleta de preços para instalação dos indutores

Investimento

Item Quantidade Unidade Valor Total

Estudo preliminar - Levantamento R$ 2.791,96

Aluguel analisador 5 d R$ 495,00 R$ 2.475,00

Engenheiro 2 h R$ 99,48 R$ 198,96

Transporte 40 km R$ 2,95 R$ 118,00

Projeto R$ 2.289,60

Análise do Engenheiro 20 h R$ 99,48 R$ 1.989,60

Gastos gerais 1 und R$ 300,00 R$ 300,00

Instalação R$ 6.337,63

Filtro Dessintonizado 6 und R$ 686,82 R$ 4.120,92

Troca de células capacitivas por

células de maior tensão 6 und R$ 266,59 R$ 1.599,56

Engenheiro 5,5 h R$ 99,48 R$ 547,14

Eletricista 5,5 h R$ 12,73 R$ 70,02

Total (preço de custo) R$ 11.419,19

Total com BDI 60% R$ 18.270,71 Fonte: Autoria própria

Page 83: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

83

Tabela 4. 12 – Registro de multa na empresa analisada

Multas

Item Fator médio registrado Valor

Fator de potência abaixo de 0,92 0,7 R$ 6.000,00

Fonte: Autoria própria

Tabela 4. 13 – Tempo de retorno

Tempo de Retorno

Item Custo

Investimento R$ 18.270,71

Multas (mês) R$ 6.000,00

Tempo de retorno: 3,1 meses Fonte: Autoria própria

Page 84: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

84

5 CONCLUSÃO

Todos os avanços tecnológicos contribuíram de maneira substancial para a revolução

que se deu nas indústrias, principalmente nos ambientes em que o volume de produção deve

ser levado em consideração. Nesse sentido, os consumidores começaram a se preocupar e

aderiram a práticas para elevar o fator de potência inserindo bancos de capacitores a fim de

que não mais sejam multados pelas concessionárias de energia. Entretanto, outro fator é

necessário ser observado: a presença de harmônicas nos sistemas, pois, uma vez que não há a

preocupação no dimensionamento dos bancos de capacitores quanto as harmônicas, efeitos

indesejáveis podem ocorrer, como é o caso de ressonâncias e, por consequência, queima dos

capacitores. Este é o cenário em que o estudo de caso apresentado se situava: problemas no

banco de capacitores ocasionados por um fator de qualidade precário, expresso e evidenciado

sob forma de harmônicas.

A solução utilizando filtro dessintonizado mostrou-se eficiente, principalmente nas

simulações realizadas onde, além de dessintonizar os estágios do banco de capacitores, ainda

colaborou com o decréscimo da 5ª harmônica na instalação (conforme simulação

apresentada). Logo, a elaboração do filtro mostrou-se eficaz.

Tal solução não visa a eliminação das harmônicas em todo o sistema apresentado, para

isso, outras soluções são mais eficazes. Porém, os filtros de dissintonia objetivam a proteção

dos capacitores quanto as harmônicas do sistema.

Os custos atrelados a esses filtros justificam seu emprego junto aos bancos de

capacitores, uma vez que o retorno é obtido a partir do 3º mês, onde as multas serão cessadas

uma vez que o banco de capacitores retornará ao seu regime de funcionamento regular.

Para próximos trabalhos, uma solução de âmbito global visando de fato a eliminação

das harmônicas pode ser estudada para este cliente, levando-se em consideração a topologia e

utilização de cada umas destas tecnologias presentes no mercado.

Page 85: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

85

REFERÊNCIAS

ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. Documento 065/2012 – Resolução 414

2012. 1 v. Aneel, 2012. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br>. Acesso em: 15 Nov. 2013

BARROS, Benjamim Ferreira. Cabine Primária. 2ª Ed. São Paulo: Érica, 2012.

BORDIM, João Ricardo Graminha. Instalação de Banco de Capacitores em Sistemas de

Distribuição de Energia Elétrica para Correção de Fator de Potência e Regulação de

Tensão: Projeto e Simulação Computacional. 2011. 1 v. TCC (Graduação) - Curso de

Engenharia Elétrica, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2011. Disponível em:

<http://www.tcc.sc.usp.br/tce/disponiveis/18/180500/tce-29032012-103137/>. Acesso em: 25

Nov. 2013.

CAPELLI, Alexandre. Energia Elétrica para Sistemas Automáticos da Produção. 1ª Ed.

São Paulo: Érica, 2007.

CREDER, Hélio. Instalações Elétricas. 15ª Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007.

CORRÊA, Felipe Ivan Malta. Estudo de um Sistema de Distribuição com Enfoque na

Qualidade da Energia Elétrica. 2007. 1 v. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia Elétrica,

Universidade de São Paulo, São Carlos, 2007. Disponível em:

<http://www.tcc.sc.usp.br/tce/disponiveis/18/180500/tce-09042010-113918/>. Acesso em: 15

Out. 2013.

COTRIM, Ademaro A. M. B. Instalações Elétricas. 4ª Ed. São Paulo: Pearson, 2003.

DECKMANN, Sigmar Maurer. Avaliação da Qualidade da Energia Elétrica. Campinas:

Unicamp, 2010.

FILHO, João Mamede. Instalações elétricas industriais. 6ª Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002.

Page 86: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

86

FRAGOAS, Alexandre Graciolli. Estudo de Caso do uso de Banco de Capacitores em uma

rede de distribuição primária - Indicativos da sua viabilidade econômica. 2008. 1 v. TCC

(Graduação) - Curso de Engenharia Elétrica, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2008.

Disponível em: <http://www.tcc.sc.usp.br/tce/disponiveis/18/180500/tce-26032010-145421/>.

Acesso em: 25 Nov. 2013

GRADY, Mack. Understanding Power System Harmonics. Austin: University Of Texas,

2012.

IMS, Indústria de Micro Sistemas Eletrônicos. Smart Meter T – Medidor Registrador de

Grandezas Elétricas Portátil com Memória. Porto Alegre: IMS, 2000. Disponível em: <

http://www.vimelec.com.ar/fichas_tecnicas/SmartMeter-t.pdf>. Acesso em: 05 Mar. 2014.

KASSICK, Enio V.. Harmônicas em Sistemas Industriais de Baixa Tensão. Florianópolis:

Departamento de Engenharia Elétrica Centro Tecnológico, 2008.

MARKUS, Otávio. Circuitos Elétricos. 9ª Ed. São Paulo: Érica, 2004.

MEHL, Ewaldo Luiz de Mattos. Qualidade da energia elétrica. Universidade Federal do

Paraná. Curitiba, Paraná, 2012. Disponível em: <

http://www.eletrica.ufpr.br/mehl/downloads.html>. Acesso em: 06 Nov. 2013

MORAIS, Ernande Eugenio Campelo. Estudo e projeto de filtros passivos para atenuação

de harmônicos em instalações elétricas industriais. 2011. 1 v. TCC (Graduação) - Curso de

Engenharia Elétrica., Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2011. Disponível em:

<http://www.dee.ufc.br/anexos/TFCs/2011-1/Monografia - Ernandes Campelo Morais.pdf>.

Acesso em: 25 Nov. 2013.

MORÁN, Luis A. et al. Active Power Filters to Improve Power Quality. 1999. 1 v. TCC

(Graduação) - Curso de Engenharia Elétrica., Universidad de Concepción, 1999. Disponível

em: < http://web.ing.puc.cl/~power/paperspdf/dixon/37a.pdf >. Acesso em: 15 JAN. 2014.

Page 87: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

87

PROCOBRE, Instituto Brasileiro do Cobre. Harmônicas nas instalações elétricas: causas,

efeitos e soluções. São Paulo: Procobre, 2001.

PRODIST - Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional.

Módulo 8: Qualidade da Energia Elétrica. São Paulo: ANNEL, 2008.

SANTOS, Afonso Henrique Moreira. et al. Conservação de Energia: Eficiência Energética

de Equipamentos e Instalações. 3ª Ed. Itajubá: Editora da EIFEI, 2006.

SEIVER, John. R. Short Circuit Calculations – The easy way. 1ª Ed. Texas: Primedia CO,

1999.

TAVARES, Paulo Henrique. Compensação de Reativos e Filtragem de Harmônicos em

Sistemas Elétricos de Potência. Campinas: Target, 2008.

TAVARES, Paulo Henrique. Estudo, Projeto e Implantação de Filtros Harmônicos

Sintonizados para a Expansão Industrial. 2011. 1 v. Dissertação (Mestrado) - Curso de

Engenharia Elétrica, Unicamp, Campinas, 2011. Disponível em:

<http://www.bibliotecadigital.unicamp.br/document/?code=000841217>. Acesso em: 25 Nov.

2013.

TEIXEIRA, Douglas Ângelo. Análise das distorções harmônicas - estudo de caso de um

sistema industrial. 2009. 1 v. Monografia (Especialização) - Curso de Pós-graduação,

UFMG, Minas Gerais, 2009. Disponível em:

<http://www.bibliotecadigital.ufmg.br/dspace/handle/1843/BUOS-8CJHGU>. Acesso em: 19

Nov. 2013

Page 88: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

88

VASCONCELOS, Thiago. Análise técnica da modernização da correção de reativos da

sala elétrica de baixa tensão do pelotamento da usina Itabrasco da CVRD Vitória. 2006.

1 v. Monografia (Especialização) - Curso de Pós-graduação, Universidade Federal do Espírito

Santo, Vitória, 2006. Disponível em:

<http://www2.ele.ufes.br/~projgrad/documentos/PG2006_2/thiagovansconcelos.pdf>. Acesso

em: 23 Nov. 2013

WEG. Manual para Correção do Fator de Potência. Jaraguá do Sul: Weg, 2010.

Disponível em: <http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/WEG-correcao-do-fator-de-potencia-

958-manual-portugues-br.pdf>. Acesso em: 25 Nov. 2013.

WEG. Capacitores: correção do fator de potência. Jaraguá do Sul: Weg, 2013. Disponível

em: <http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/WEG-capacitores-para-correcao-do-fator-de-

potencia-50009818-catalogo-portugues-br.pdf>. Acesso em: 07 Fev. 2014.

Page 89: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

89

ANEXO A – Informações técnicas do analisador de energia

O Smart Meter T é um medidor e registrador portátil que em conjunto com o seu

Software Analisador permite gerar gráficos e relatórios de acordo com a resolução 505 da

ANEEL. Totalmente programável via teclado ou remotamente via porta serial. Tecnologia

nacional IMS com suporte técnico no Brasil e Mercosul. Suas características permitem que

ele seja utilizado, entre outras, para as seguintes aplicações:

- Medição e Análise do comportamento da tensão, corrente, potência ativa, potência

reativa, potência aparente, energia ativa e reativa direta e reversa (medição de energia em

quatro quadrantes), fator de potência, freqüência, demanda, THD e harmônicas pares e

ímpares até a 41° ordem e corrente de neutro em consumidores residenciais, comerciais e

industriais, transformadores e redes de distribuição.

- Fiscalização.

- Levantamento de curva de carga.

- Balanceamento de redes.

- Cálculo do custo da energia por item fabricado.

- Perdas em transformadores e alimentadores.

- Verificação de distúrbios de tensão e corrente.

- Dimensionamento de bancos de capacitores e filtros de harmônicas.

- Medição setorial e rateio de custos.

- Diagnóstico de Sistemas de Potência.

- Consumo de cada equipamento em plantas industriais.

Características Técnicas:

- Precisão 0,5% para tensão e 0,5% mais a precisão do sensor para a corrente.

- Medidor e registrador de múltiplas grandezas elétricas polifásico com 2 ou 3

elementos de medição, três ou quatro fios (ligação delta ou estrela).

- Medição de corrente: 0,05 a 5A através de adaptador para TC´s, ou através de

sensores (alicates) rígidos ou flexíveis de 10, 200, 1000, 2000 ou 3000A.

- Acessórios: adaptador para TC´s 5A/2V, alicate rígido 200A, maleta para transporte.

- Entrada de medição de tensão: 50 a 500Vca, alta impedância.

Page 90: Estudo de caso para eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores

90

- Grandezas elétricas: frequência da fase 1, tensão, corrente, potência ativa, aparente e

reativa, fator de potência, THD e harmônicos pares e ímpares até 41° ordem para tensão e

corrente, energia ativa e reativa (indutiva e capacitiva) direta e reversa (medição de energia).

- Velocidade de comunicação serial programável em 9600, 19200 ou 38400 bits por

segundo.

- Uma porta de comunicação serial RS232.

- Protocolo de comunicação Modbus RTU.

- Caixa de dimensões (AxLxP): 185x157x113mm. Grau de proteção IP65.

- Peso aproximado 1,1 kg (sem os sensores de corrente).

- Temperatura de operação: 0 a 55°C.

- Display de cristal líquido de 4 linhas por 20 colunas (80 caracteres) com backlight.

- Entrada de tensão de Alimentação: 70 a 300Vca (para alimentação DC consultar).

- Freqüência elétrica de alimentação e medição: 45 a 70 Hz.

- Consumo: 10VA.