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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA

ESPECIALIZAÇÃO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

TALES LEITE RIBEIRO

APLICAÇÃO DE FILTROS HARMÔNICOS EM UMA INDÚSTRIA DE CELULOSE

MONOGRAFIA - ESPECIALIZAÇÃO

CURITIBA 2010

TALES LEITE RIBEIRO

APLICAÇÃO DE FILTROS HARMÔNICOS EM UMA INDÚSTRIA D E CELULOSE

Monografia de conclusão do curso de Automação Industrial do Departamento Acadêmico de Eletrônica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Especialista em Automação Industrial. Prof. Dr. Joaquim Eloir Rocha

CURITIBA 2010

Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Diretoria do Campus Curitiba Gerência de Pesquisa e Pós-Graduação

Departamento Acadêmico de Eletrônica _______________________________________________________________

TERMO DE APROVAÇÃO

Aplicação de Filtros Harmônicos em uma Indústria de Celulose

Área de conhecimento : Automação Eletrônica de Processos Elétricos e Industriais

por

Tales Leite Ribeiro

A presente monografia, requisito parcial para obtenção do título de ESPECIALISTA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL, foi avaliada pela banca examinadora, constituída pelos docentes abaixo discriminados, que considerou o trabalho Aprovado .

____________________________________ ____________________________________

Prof. Dr. Walter Denis Cruz Sanchez Prof. Dr. Antonio Carlos Pinho

______________________________________

Prof. Dr. Joaquim Eloir Rocha

Orientador

Curitiba, 15 de Setembro de 2010.

Visto da coordenação

_____________________________________ Prof. Dr. Jean Marcelo Simão

A Folha de Aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente aos meus pais, José Ribeiro e Maria do Rosário, pelo incentivo

para realização desta especialização.

Agradeço ao meu orientador Prof. Dr. Joaquim Eloir Rocha, que além das excelentes

aulas ministradas no curso, esteve sempre disponível para direcionar-me na condução deste

trabalho.

Meu muito obrigado a todos os mestres da UTFPR que contribuíram para expandir os

meus Conhecimentos, em especial a Prof. MSc. Guilherme Alceu Schneider.

Agradeço a todos os amigos da Metso Paper, em especial meu chefe Paulo Ormeneze,

pela disponibilidade que viabilizou a conclusão desta especialização. E, por fim, a Kassieli

Valdati, pela paciência e ajuda na correção e formatação deste trabalho.

We operating men, I think, all agree that we have harmonics. I think we all agree that, like the poor, the harmonics will always be with us. If we could get rid of them, we would be very glad to do so. (FISKEN, John Barclay, 1916)

Eu acho, que nós homens operacionais todos concordamos com a existência dos harmônicos. Eu acho que todos concordam que como a pobreza, os harmônicos sempre estarão entre nós. Se pudéssemos acabar com eles, ficaríamos contentes. (FISKEN, John Barclay, 1916)

RESUMO

RIBEIRO, Tales Leite. Aplicação de Filtros Harmônicos em uma Indústria de Celulose. 2010. 67 f. Monografia (Especialização em Automação Industrial) - Programa de Pós-Graduação em Automação Industrial, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2010. Esta pesquisa tem como objetivo principal realizar um estudo do fluxo harmônico de uma fábrica de celulose. Dentro deste estudo serão apresentados os elementos causadores das distorções harmônicas, sendo os conversores de freqüência o de maior utilização nas indústrias de celulose. Os efeitos no sistema elétrico de maneira específica, em elementos tais como transformadores, motores e componentes eletrônicos, também serão tratados. Pretende-se avaliar os impactos dos harmônicos no processo de correção do fator de potência da planta, por meio de banco de capacitores, filtros passivos. Serão realizadas simulações do sistema elétrico com o programa Power Tools for Windows, onde os elementos da planta serão modelados com seus valores reais. Observa-se que as correntes harmônicas injetadas no sistema são resultado de medições feitas em campo por uma empresa sub-contratada da indústria em questão. Os resultados destas simulações permitirão uma visão do comportamento dos harmônicos após a inserção de cada elemento de correção. Desta forma será avaliada uma solução que atenda tanto legislações e normas vigentes, quanto em discussão e também vise a qualidade de energia. Palavras-Chaves: Fluxo harmônico. Banco de capacitores. Filtros passivos. Fator de Potência. Power Tools for Windows.

ABSTRACT

RIBEIRO, Tales Leite. Aplication of Harmonic Filters in Pulp Mills . 2010. 67 f. Monografia (Especialização em Automação Industrial) - Programa de Pós-Graduação em Automação Industrial, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2010. This research has as main objective present a study of the harmonic analysis of a pulp mill. Within this study will be presented the elements that can cause harmonic distortions, mainly frequency converters in pulp mills. The effects on the electrical system in specific ways, equipments such as transformers, motors and electronic components, will also be treated. Aims to assess the impacts of harmonics in the process of correcting the power factor of the plant, through a capacitor bank, passive filters. Will be carried out simulations of the electrical system with the software Power Tools for Windows, where the elements of the plan will be modeled with their actual values. The harmonic currents injected into the system are the result of field measurements made by a company sub-contracted by the industry in question. The results of these simulations allow a general view into the behavior of harmonics after insertion of each element of correction. Thus will be established a solution that fulfills both, laws and regulations in discussion, and also guaranty the energy quality. Key-Words: Harmonic analysis. Capacitor Bank. Passive Filter. Power Factor. Power Tools for Windows.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Retificar de 6 Pulsos...............................................................................................14 Figura 2 – Correntes Trifásicas do Retificador 6 Pulsos ........................................................15 Figura 3 – Performance da Lâmpada Fluorescente Compacta...............................................16 Figura 4 – Diagrama básico da topologia UPS ......................................................................17 Figura 5 – Diagrama de Blocos dos UPS Dupla Conversão, Modo Normal ..........................18 Figura 6 – Diagrama de Blocos dos UPS Dupla Conversão, Modo Bateria ..........................18 Figura 7 – Diagrama de Blocos dos UPS Dupla Conversão, Modo by-pass Automático.......18 Figura 8 – Diagrama de Blocos dos UPS Dupla Conversão, Modo by-pass Manual.............19 Figura 9 – Filtro passivo de sintonia simples ..........................................................................24 Figura 10 – Representação gráfica filtro ativo........................................................................25 Figura 11 – Topologia de um filtro híbrido .............................................................................25 Figura 12 – Unifilar Básico .....................................................................................................30 Figura 13 – Modelo da concessionária....................................................................................30 Figura 14 – Modelo Transformador ........................................................................................31 Figura 15 – Modelo das Cargas ..............................................................................................33 Figura 16 – Forma de Onda de Corrente da Fonte de Harmônicos da Carga AE .................35 Figura 17 – Forma de Onda de Corrente da Fonte de Harmônicos da Carga BCF...............35 Figura 18 – Modelo do banco de capacitores..........................................................................36 Figura 19 – Unifilar Caso 1.....................................................................................................37 Figura 20 – Forma de Onda de Tensão da Barra SE-MT – Caso 1 (Pu x Graus) ..................38 Figura 21 – Espectro de Harmônicos da Barra SE-MT – Caso 1 ...........................................38 Figura 22 – Unifilar Caso 2.....................................................................................................40 Figura 23– Forma de onda de tensão da barra SE-MT – Caso 2 (Pu x Graus)......................41 Figura 24– Espectro de Harmônicos da Barra SE-MT – Caso 2 ............................................41

Figura 25 – Unifilar Caso 3.....................................................................................................43 Figura 26– Parâmetros do Banco de Capacitores – Caso 3 ...................................................44

Figura 27– Forma de Onda de Tensão da Barra SE-MT – Caso 3 (Pu x Graus) ...................45 Figura 28– Espectro de Harmônicos da Barra SE-MT – Caso 3 ............................................45 Figura 29– Resposta em Freqüência da Barra SE-MT – Caso 3 ............................................45

Figura 30 – Unifilar Caso 4.....................................................................................................48 Figura 32– Forma de Onda de Tensão da Barra SE-MT – Caso 4 (Pu x Graus) ...................49

Figura 33– Espectro de Harmônicos da Barra SE-MT – Caso 4 ............................................49 Figura 34– Resposta em Frequência da Barra SE-MT – Caso 4 ............................................50 Figura 35 – Unifilar Caso 5.....................................................................................................52 Figura 36– Forma de Onda de Tensão da Barra SE-MT – Caso 5 (Pu x Graus) ...................53 Figura 38 – Unifilar Caso 6.....................................................................................................55 Figura 39– Forma de Onda de Tensão da Barra SE-MT – Caso 6 (Pu x Graus) ...................56 Figura 40 – Espectro de Harmônicos da Barra SE-MT – Caso 6 ...........................................56

Figura 42 – Parâmetros Banco de Capacitores – Caso 7 .......................................................59 Figura 43 – Forma de Onda de Tensão da Barra SE-MT – Caso 7 (Pu x Graus) ..................59

Figura 44 – Espectro de Harmônicos da Barra SE-MT – Caso 7 ...........................................60 Figura 45 – Resposta em Freqüência da Barra SE-MT – Caso 7 ...........................................60 Figura 46 – Unifilar Caso 8.....................................................................................................62 Figura 47 – Forma de Onda de Tensão da Barra SE-MT – Caso 8 ........................................63 Figura 48 – Espectro de Harmônicos da Barra SE-MT – Caso 8 ...........................................64 Figura 49– Unifilar Caso 9......................................................................................................66

Figura 50– Forma de onda de tensão da barra SE-MT – Caso 9............................................67 Figura 51– Espectro de Harmônicos da Barra SE-MT – Caso 9 ............................................67

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Distorção Harmônica Total de Tensão ..................................................................27 Tabela 2 – Percentual de Distorção Harmônica Individual de Tensão...................................28 Tabela 3 – Percentual de Distorção Harmônica Total de Corrente........................................28 Tabela 4 – Percentual de Distorção Harmônica Total de Tensão...........................................29 Tabela 5 – Parâmetros da Concessionária ..............................................................................31 Tabela 6 – Parâmetros da Concessionária ..............................................................................31 Tabela 7 – Parâmetros do TG1................................................................................................32 Tabela 8 – Parâmetros do TG2................................................................................................32 Tabela 10 – Parâmetros das Cargas Planta 2006 ...................................................................33 Tabela 11 – Parâmetros das cargas planta 2010 ....................................................................33 Tabela 12 – Fontes de Harmônicos de Corrente Simuladas....................................................34 Tabela 13 – Fluxo de Cargas – Caso 1....................................................................................38 Tabela 14 – Distorção Total de Tensão – Caso 1 ....................................................................39 Tabela 15 – Distorção Total de Corrente – Caso 1 .................................................................39 Tabela 16 – Fluxo de Cargas – Caso 2....................................................................................40 Tabela 17 – Distorção Total de Tensão – Caso 2 ....................................................................42 Tabela 18 – Distorção Total de Corrente – Caso 2 .................................................................42 Tabela 19 – Fluxo de Cargas – Caso 3 sem Banco de Capacitores ........................................43 Tabela 20 – Fluxo de Cargas – Caso 3 com Banco de Capacitores........................................46

Tabela 21 – Distorção Total de Tensão – Caso 3 ....................................................................46 Tabela 22 – Distorção Total de Corrente – Caso 3 .................................................................47 Tabela 23 – Fluxo de Cargas – Caso 4....................................................................................50 Tabela 24 – Distorção Total de Tensão – Caso 4 ....................................................................50 Tabela 25 – Distorção Total de Corrente – Caso 4 .................................................................51 Tabela 26 – Fluxo de Cargas – Caso 5....................................................................................52 Tabela 27 – Distorção Total de Tensão – Caso 5 ....................................................................54 Tabela 28 – Distorção Total de Corrente – Caso 5 .................................................................54 Tabela 29 – Fluxo de Cargas – Caso 6....................................................................................55 Tabela 30 – Distorção Total de Tensão – Caso 6 ....................................................................57 Tabela 32 – Fluxo de Cargas – Caso 7....................................................................................59 Tabela 33 – Distorção Total de Tensão – Caso 7 ....................................................................61 Tabela 34 – Distorção Total de Corrente – Caso 7 .................................................................61 Tabela 35 – Fluxo de Cargas – Caso 8....................................................................................63 Tabela 36 – Distorção Total de Tensão – Caso 8 ....................................................................64 Tabela 37 – Distorção Total de Corrente – Caso 8 .................................................................65 Tabela 38 – Fluxo de Cargas – Caso 9....................................................................................66 Tabela 39 – Distorção Total de Tensão – Caso 9 ....................................................................67 Tabela 40 – Distorção Total de Corrente – Caso 9 .................................................................68

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................8

1.1 TEMA 8 1.1.1 Delimitação do tema .........................................................................................................8 1.2 PROBLEMA E PREMISSAS ...........................................................................................9 1.3 OBJETIVOS ...................................................................................................................10 1.3.1 Objetivo Geral.................................................................................................................10 1.3.2 Objetivo Específico.........................................................................................................10 1.4 JUSTIFICATIVA............................................................................................................10 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS....................................................................11 1.6 EMBASAMENTO TEÓRICO........................................................................................11 1.7 ESTRUTURA DO TRABALHO....................................................................................12

2 CARGAS GERADORAS DE HARMÔNICOS EM AMBIENTE INDUSTRI AL ...14

2.1 ACIONAMENTOS DE CORRENTE ALTERNADA ...................................................14 2.2 REATORES DE ILUMINAÇÃO ...................................................................................16 2.3 SISTEMAS ININTERRUPTOS DE ENERGIA.............................................................17

3 EQUIPAMENTOS SENSÍVEIS AOS HARMÔNICOS..............................................20

3.1 TRANSFORMADORES ................................................................................................20 3.2 MOTORES......................................................................................................................21 3.3 CAPACITORES .............................................................................................................22 3.4 EQUIPAMENTOS DE PROTEÇÃO..............................................................................22

4 CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA E DOS HARMÔNICOS..... ..................23

4.1 BANCO DE CAPACITORES ........................................................................................23

4.2 FILTROS PASSIVOS.....................................................................................................23 4.3 FILTROS ATIVOS .........................................................................................................24 4.4 CRITÉRIO DE DIMENSIONAMENTO DE FILTROS PASSIVOS.............................25 4.5 LIMITES NORMATIZADOS ........................................................................................27

5 MODELAGEM DO SISTEMA .....................................................................................30

6 ANÁLISE DE RESULTADOS.......................................................................................37

6.1 CASO 1 – OPERAÇÃO NORMAL – PLANTA 2006....................................................37 6.2 CASO 2 – TG 1 E TG2 FORA DE OPERAÇÃO – PLANTA 2006 ................................40 6.3 CASO 3 – BANCO DE CAPACITORES – PLANTA 2006 ...........................................43 6.4 CASO 4 – FILTRO DE HARMÔNICOS – PLANTA 2006............................................47 6.5 CASO 5 – OPERAÇÃO NORMAL – PLANTA 2010....................................................51 6.6 CASO 6 – TG1 E TG3 FORA DE OPERAÇÃO E FILTRO DE HARMÔNICOS EM

OPERAÇÃO – PLANTA 2010.......................................................................................55

6.7 CASO 7 – TG1 E TG3 FORA DE OPERAÇÃO E UM FILTRO DE HARMÔNICOS E

UM BANCO DE CAPACITORES EM OPERAÇÃO – PLANTA 2010........................58

6.8 CASO 8 – TG1 E TG3 FORA DE OPERAÇÃO E DOIS FILTROS DE HARMÔNICOS

EM OPERAÇÃO – PLANTA 2010 ................................................................................62 6.9 CASO 9 – TG1 E TG3 EM OPERAÇÃO E DOIS FILTROS DE HARMÔNICOS EM

OPERAÇÃO – PLANTA 2010.......................................................................................65

7 CONCLUSÃO .................................................................................................................69

REFERÊNCIAS .....................................................................................................................72

8

1 INTRODUÇÃO

1.1 TEMA

Os harmônicos fazem parte do sistema elétrico há bastante tempo, porém atualmente

vêm se tornando cada vez mais tema de estudos no mundo da engenharia. Isso se deve

principalmente ao fato de seus efeitos serem mais evidentes hoje do que nos séculos passados.

A primeira vez que a análise de harmônicos foi utilizada para solução de um problema, foi

relacionado ao aquecimento de um motor em Hartford em 1893 (OWEN, 1998, p.6).

A partir da análise dos harmônicos é possível localizar e quantificar os mesmos,

podendo-se assim definir estratégias de supressão, para níveis aceitáveis. Hoje no Brasil a

Agencia Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), por meio do Procedimento de Distribuição

de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST), define limites para os níveis

harmônicos nos sistemas nacionais, assim como o Institute of Electrical and Electronics

Engineers (IEEE), por meio da IEEE Std. 519-1992 o faz internacionalmente.

Este trabalho visa analisar os efeitos dos harmônicos em uma fábrica de celulose

durante a inserção de novos elementos para correção do Fator de Potência (FP) na planta.

Serão analisadas soluções com bancos de capacitores, filtros passivos, onde será buscada a

melhor solução técnica levando em consideração normas nacionais e internacionais. Para esta

análise será utilizada uma versão demonstrativa do programa Power Tools for Windows

(PTW), onde a interação dos harmônicos com os elementos do sistema elétrico em questão,

serão a base para alcançar a solução desejada.

1.1.1 Delimitação do tema

Conforme indicado será utilizado uma versão demonstrativa do programa PTW. A

modelagem do sistema possui certas limitações devido à utilização desta versão demonstrativa

do PTW (15 barras, 35 componentes e todos os módulos), desta forma alguns barramentos

serão condensados de forma a apresentar características equivalentes ao sistema real.

9

Os índices avaliados durante a simulação do sistema serão: FP e Distorção

harmônica total de tensão, e corrente (DHTt e DHTc). Estes índices serão usados para

especificar os elementos para correção do sistema.

A solução final busca atenuar os harmônicos da planta de uma forma geral, e não de

forma singular, ou seja, especificamente em uma carga. Sendo assim o principal barramento

analisado será o do Ponto de Acoplamento Comum (PAC), que interliga a planta com a

concessionária que administra a rede, a Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL).

1.2 PROBLEMA E PREMISSAS

Durante a operação normal, em 2006, a planta recebia energia da concessionária e por

meio de dois geradores próprios que serão chamados de TG1 e TG2, suas potências são

respectivamente, 5 MVA e 27,1 MVA. O gerador TG2 fornece potência ativa e reativa para o

sistema, já que o mesmo trabalha sobre-excitado. O gerador TG1 fornece em sua maioria

potência ativa para o sistema, com uma parcela mínima de reativo.

Foi verificada a necessidade de fazer modificações no sistema após uma falha onde o

gerador TG2 saiu de operação. Isso causou um déficit de potência ativa e reativa na planta. A

parcela ativa e reativa foi suprida com o aumento da energia consumida da CPFL, isso causou

a queda do FP para um valor inferior a 0,92 indutivo, limite mínimo de operação, como

determina o Procedimento de Distribuição (PRODIST), módulo 8, sub-módulo 8.3, o que

gerou multas altíssimas cobradas pela concessionária.

Em virtude desta falha e dos altos custos por ela acarretados surgiu à necessidade de

reavaliar a forma de correção do FP, sendo ela mediante um banco de capacitores ou filtros

harmônicos, evitando assim a aplicação de novas multas por parte da concessionária.

Durante a operação normal, em 2010, onde as cargas sofreram bastantes alterações,

fez-se necessário uma verificação da validação da solução obtida em 2006, já que o TG1 foi

substituído pelo TG3 de 20,4 MVA.

10

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo Geral

Identificar possíveis soluções, para redução do fluxo harmônico da planta industrial,

referente às suas características de 2006 e 2010, a serem adotadas, via banco de capacitores ou

filtros passivos.

1.3.2 Objetivo Específico

• Estudar o problema de baixo fator de potência na ausência dos geradores na planta de

2006;

• Analisar a resposta do sistema à inserção de um banco de capacitores para correção do

fator de potência;

• Especificar filtros passivos para redução dos índices de harmônicos no sistema elétrico;

• Apresentar o fluxo harmônico da planta de 2010;

• Analisar a solução encontrada para correção do fator de potência na planta de 2006 para

os parâmetros da planta de 2010;

• Complementar a solução de 2006, caso seja necessário, de forma a corrigir o fator de

potência e índices harmônicos;

• Definir solução técnica que atenda quesitos de qualidade da rede elétrica e

regulamentações vigentes e/ou em discussão.

1.4 JUSTIFICATIVA

A grande quantidade de agentes poluidores do sistema elétrico, devido a automação

industrial tais como: conversores de freqüência, fontes chaveadas, Programmable Logic

11

Controller (PLC), reatores de luminárias e outros componentes eletrônicos, fazem de grande

importância a análise dos harmônicos no sistema elétrico.

O fator econômico influencia consideravelmente na decisão de um estudo criterioso

dos harmônicos, sendo que os mesmos podem colocar em risco a integridade e confiabilidade

da rede. Possíveis prejuízos relativos a danos a equipamentos e tarifações por parte das

concessionárias, justificam rapidamente um investimento neste rumo.

A qualidade da energia influencia diretamente na capacidade e disponibilidade do

Sistema Interligado Nacional (SIN), uma vez que as linhas de transmissão seriam menos

solicitadas com um controle efetivo dos níveis de harmônicos de corrente. Existem discussões

entre autarquias que regulamentam o SIN, justamente sobre uma futura tarifação dos

harmônicos, especialmente os de corrente, dos consumidores industriais.

1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

Buscando atingir os objetivos apresentados no item 1.3, foi realizada uma pesquisa

Científica aplicada (Manual de Frascati 2007), de caráter explicativa, de campo e

bibliográfica.

Quanto ao tipo de coleta e tratamento de dados a pesquisa é classificada como

quantitativa, cujos procedimentos de coleta de dados, são de documentação direta a partir de

instrumentos, com análise estatística simples dos mesmos.

1.6 EMBASAMENTO TEÓRICO

Neste trabalho, o embasamento teórico foi retirado de artigos da IEEE assim como de

livros que tratam de harmônicos no sistema elétrico. Em especial serão tratados:

• Cargas geradoras de harmônicos em ambiente industrial

� Os conversores de freqüência, maiores causadores dos harmônicos, serão

apresentados, assim como seu princípio de funcionamento.

12

� Os reatores de iluminação serão apresentados.

� Os sistemas ininterruptos de energia terão seu funcionamento descrito.

• Equipamentos sensíveis aos harmônicos

� Serão descritos os efeitos dos harmônicos nos transformadores de potência,

relacionados a isolação, perdas e vida útil do equipamento.

� Para os motores serão apresentados os problemas relacionados a perdas, torque

e velocidade.

� Serão descritos os efeitos dos harmônicos em capacitores.

� Os efeitos dos harmônicos em sistemas de proteção serão apresentados.

• Correção do fator de potência e dos harmônicos

� Correção de fator de potência com banco de capacitores

� Serão apresentados os filtros passivos e ativos.

� Serão descritos os critérios de especificação dos filtros passivos.

� Os limites normatizados serão apresentados.

• Modelagem

� Os principais elementos da planta serão modelados, e diversas soluções para o

problema serão apresentadas.

• Indicadores

� Os resultados das simulações serão avaliados segundo as legislações e normas

internacionais.

1.7 ESTRUTURA DO TRABALHO

Este trabalho compõe-se de 5 (cinco) partes, com 7 (sete) capítulos, sendo;

13

• Parte 1 – Capítulo introdutório.

• Parte 2 – Fundamentos teóricos: Capítulos 2, 3 e 4.

• Parte 3 – Modelagem do Sistema: Capítulo 5.

• Parte 4 – Análises e conclusões: Capítulos 6 e 7.

• Parte 5 – Referências.

O Capítulo 1, introdutório deste trabalho, apresenta o tema abordado com suas

delimitações, assim como objetivos propostos, justificativas e a metodologia adotada no

mesmo.

O Capítulo 2 apresenta os elementos geradores dos harmônicos em ambientes

industriais. Já no capítulo 3 serão apresentados os efeitos dos harmônicos nos componentes do

sistema elétrico.

O Capítulo 4 aborda topologias de filtros harmônicos que servirão de base para

definição da solução a ser adotada na resolução do problema.

O Capítulo 5, onde o problema é modelado, apresenta as características de cada

componente da planta em estudo.

O Capítulo 6 apresenta a análise dos índices harmônicos após a inserção de banco de

capacitores e filtros na planta industrial.

Por fim no capítulo 7 são apresentadas as conclusões seguidas das referências.

14

2 CARGAS GERADORAS DE HARMÔNICOS EM AMBIENTE INDUSTRI AL

Neste capítulo serão apresentadas somente cargas presentes no ambiente industrial de

fábricas de celulose, pertinentes a este projeto.

2.1 ACIONAMENTOS DE CORRENTE ALTERNADA

A configuração básica dos acionamentos de corrente alternada para controle de

velocidade de motores é a retificação por 6 pulsos, Figura 1. Esta configuração também é

utilizada nos retificadores das fontes ininterruptas de energia, que serão tratadas adiante

(YACAMINI, 1994, p. 194).

Figura 1 – Retificar de 6 Pulsos

Fonte: WAKIKEH (2010, p. 67)

A Figura 2 (b), (c) e (d) apresentam as correntes trifásicas, que são representadas pela

Equação 2.1, de onde é possível fazer algumas observações importantes (ARRILLAGA,

WATSON, 2003, p. 88).

(1)

15

Figura 2 – Correntes Trifásicas do Retificador 6 Pulsos

Fonte: ARRILLAGA, WATSON (2003, p. 90)

1. A ausência de harmônicos triplos.

2. A presença de harmônicos de ordem 6k±1.

16

3. Os harmônicos de ordem 6k+1, são de seqüência positiva e os 6k-1 de seqüência

negativa.

4. Os harmônicos de terceira ordem de seqüência positiva estarão presentes se a

tensão de alimentação for desbalanceada.

2.2 REATORES DE ILUMINAÇÃO

As lâmpadas a arco são cargas não lineares, portanto geradoras de harmônicos.

Sistemas de iluminação consomem grandes quantidades de energia, e afeta diretamente o fator

de potência (FP), quanto à distorção harmônica (DH) (EL-GAWAD, 2007, p.109).

As lâmpadas alógenas possuem FP praticamente unitário e DH de aproximadamente

3,9%. As lâmpadas compactas fluorescentes baixo FP e elevada DH, 0,599 e 103%

respectivamente. A Figura 3 indica o desempenho deste tipo de lâmpada. As lâmpadas

fluorescentes convencionais também possuem baixo FP e DH em torno de 7,5%, neste tipo de

lâmpada o 3º harmônico é o mais significativo. As lâmpadas de descarga de alta intensidade,

do tipo vapor de mercúrio possuem baixo FP e 9,55% de DH. As de vapor de sódio de alta

pressão possuem baixo FP e 10% de DH de corrente (EL-GAWAD, 2007, p.109 a 111).

Figura 3 – Performance da Lâmpada Fluorescente Compacta

Fonte: EL-GAWAD (2007, p. 110)

17

A combinação de diversos tipos de lâmpadas pode afetar de forma positiva ou

negativa o FP, assim como a DH. Desta forma cabe uma avaliação criteriosa na escolha das

mesmas (EL-GAWAD, 2007, p. 114).

2.3 SISTEMAS ININTERRUPTOS DE ENERGIA

Segundo Gonçalves (2008), os sistemas ininterruptos de energia, em inglês

Uninterruptible Power Supply (UPS), possuem quatro componentes básicos, apesar de

possuírem diversas topologias:

• Chave de transferência;

• Retificador;

• Bateria;

• Inversor.

A Figura 4 mostra o diagrama básico da topologia UPS.

Figura 4 – Diagrama básico da topologia UPS

Fonte: GONÇALVES (2008, p. 11)

Existem diversas topologias das UPS: passive by-pass, linha interativa e dupla

conversão. Sendo esta ultima mais utilizada em indústrias. Os esquemas das Figuras 5, 6, 7 e

8 representam seus modos de funcionamento (GONÇALVES, 2008).

18

Figura 5 – Diagrama de Blocos dos UPS Dupla Conversão, Modo Normal


Figura 6 – Diagrama de Blocos dos UPS Dupla Conversão, Modo Bateria


Figura 7 – Diagrama de Blocos dos UPS Dupla Conversão, Modo by-pass Automático


19

Figura 8 – Diagrama de Blocos dos UPS Dupla Conversão, Modo by-pass Manual


“Em virtude de a carga ser alimentada diretamente pelo inversor, tanto no modo

normal quanto no modo bateria, os distúrbios presentes na entrada do equipamento não são

transmitidos para a carga.” (GONÇALVES 2008, p. 27).

Os retificadores chegam a ter 30% de distorção harmônica de corrente em sua

entrada, o que varia em função do percentual da carga e da tensão de entrada. E o inversor

produz uma distorção harmônica de 3% na saída quando alimentado cargas lineares, podendo

chegar a 8% de distorção para cargas não lineares (Rielo UPS – Manual Master Dialog 8-

80kVA).

20

3 EQUIPAMENTOS SENSÍVEIS AOS HARMÔNICOS

3.1 TRANSFORMADORES

O transformador é um dos mais importantes elementos do sistema elétrico. Ele

trabalha de forma contínua para suprir os consumidores elétricos e deve estar em perfeitas

condições para que sua expectativa de vida seja atendida (SUMARYADI, GUMILANG,

SUSILO, 2009 p. 261).

Os harmônicos por sua vez afetam a operação dos transformadores. A componente

de corrente dos harmônicos irá amplificar as perdas no cobre e a componente de tensão, por

sua vez, causará perdas no ferro (SUMARYADI, GUMILANG, SUSILO, 2009 p. 261).

As perdas nos transformadores podem ser divididas em dois grupos, sendo eles:

perdas com carga e perdas a vazio. Dentro das perdas a vazio temos a Foucault e por

histerese. Já as perdas com carga englobam perdas no cobre e de correntes parasitas

(SUMARYADI, GUMILANG, SUSILO, 2009 p. 261).

As perdas no cobre (I2R) dependem diretamente da corrente que circula nos

enrolamentos do transformador. Na presença de harmônicos, essa corrente aumenta

aumentando as perdas, já que estas são diretamente proporcionais a corrente ao quadrado

(SAID, NOR, 2008, p.1).

As perdas de correntes parasitas são perdas no enrolamento, no núcleo, conexões e

paredes dos transformadores, causadas por correntes induzidas e são amplificadas com a

circulação dos componentes harmônicos (SUMARYADI, GUMILANG, SUSILO, 2009 p.

262).

As perdas de Foucault no enrolamento do transformador são proporcionais ao

quadrado da corrente da carga e da freqüência. Isto causará perdas excessivas no núcleo e

aumento da temperatura do transformador quando este estiver alimentando cargas com

correntes não senoidais (SAID, NOR (2008 apud IEEE Std C57.110-1998).

Na presença de harmônicos o transformador poderá sofre um aumento da densidade

de fluxo magnético, o que ocasiona um aumento da superfície sob a curva de histerese. O

aumento do fluxo magnético causa saturação no núcleo, e aumento das perdas por histerese já

que estas dependem da densidade do fluxo e da forma de onda (MOUSAVI, TAVAN,

BAKHTIARI, 2009, p. 2).

21

Além do aumento das perdas nos transformadores os harmônicos causam redução da

potência nominal e devem ser consideradas quando o transformador estiver alimentando

cargas com forma de onda não senoidal (MOUSAVI, TAVAN, BAKHTIARI, 2009, p. 3).

Outro efeito importante nos transformadores é a redução da vida útil dos mesmos,

devido à deterioração dos materiais isolantes presente no interior do equipamento. O aumento

da temperatura de trabalho devido à presença dos harmônicos afeta diretamente no desgaste

dos óleos e papéis utilizados com isolantes no interior dos transformadores e em seus

enrolamentos (MOUSAVI, TAVAN, BAKHTIARI, 2009, p. 3), (SUMARYADI,

GUMILANG, SUSILO, 2009 p. 262) e (SAID, NOR, 2008, p.2).

3.2 MOTORES

Os motores são as principais cargas dos sistemas industriais, e chegam a consumir

70% da energia total da planta. Na presença de harmônicos, os motores são os primeiros

sofrerem com seus efeitos (LEE, LIN, CHEN, 2000, p. 2499).

Foi verificado que os harmônicos influenciam no fator de potência dos motores. Os

harmônicos de menor ordem têm maior impacto frente ao fator de potência, assim como,

quanto maior o nível de distorção de tensão mais negativo são os efeitos no fator de potência

operacional do motor (LEE, LEE, 1999, p. 195).

Da mesma forma que os harmônicos afetam o fator de potência, influenciam na

eficiência dos motores. Quanto menor a ordem do harmônico, menor a eficiência, e quanto

maior o nível de distorção de tensão menor a eficiência do motor (LEE, LEE, 1999, p. 196).

As componentes de tensão e corrente dos harmônicos amplificam as perdas no enrolamento

do estator, no circuito do rotor e no laminado do estator e rotor. As perdas nos condutores do

estator e do rotor são maiores que aquelas associadas as resistências de corrente continua,

devido à corrente de Focault e do efeito pelicular (ARILLAGA, WATSON, 2003, p. 150).

As componentes de corrente dos harmônicos presentes no estator de uma máquina de

corrente alternada produz uma ação motora. Esta ação motora eleva o torque no eixo na

mesma direção, da velocidade de campo dos harmônicos. Desta forma os harmônicos de

seqüência positiva incrementam a rotação no eixo, e os de seqüência negativa tem o efeito

contrario. Apesar dos harmônicos terem pouca influência no torque total do motor, eles

podem ocasionar torques pulsantes significativos (ARILLAGA, WATSON, 2003, p. 151).

22

3.3 CAPACITORES

A principal preocupação quanto ao uso de capacitores nos sistemas elétricos é a

possibilidade de ressonância. Isto ocasiona corrente e tensões consideravelmente altas em

relação a um caso sem ressonância (IEEE 519, 1992, p. 37).

A reatância do banco de capacitores diminui com a freqüência, fazendo com que o

banco funcione como um dreno para corrente harmônicas. Este fator faz com que o

aquecimento e o estresse no dielétrico sejam amplificados, reduzindo assim a vida útil dos

capacitores (IEEE 519, 1992, p. 37).

3.4 EQUIPAMENTOS DE PROTEÇÃO

Como em outros equipamentos os componentes harmônicos de corrente, podem

aumentar as perdas e o aquecimento em disjuntores, reduzindo assim, a capacidade de

transporte de corrente em regime permanente e reduzindo a vida útil dos materiais isolantes

(IEEE 519, 1992, p. 39).

Os fusíveis sofrem degradação devido os harmônicos gerados em operação normal.

Não existem normas para definir o quanto de harmônicos de corrente, os fusíveis devem

transportar ou interromper, sendo todos os testes, realizados com as freqüências nominais

(IEEE 519, 1992, p. 39).

A IEEE 519 (1992, apud, Power System Relay Committee, 1982) afirma que é

praticamente impossível definir os impactos e as respostas dos relés, devido à grande

variedade de modelos do mercado e a variação das distorções. Não é somente a magnitude e

as ordens predominantes dos harmônicos que variam, mas também o angulo de fase.

23

4 CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA E DOS HARMÔNICOS

4.1 BANCO DE CAPACITORES

A presença de banco de capacitores para correção do FP, em plantas onde existem

cargas não lineares pode causar ressonância entre as impedâncias do sistema.

A Equação 4.1 determina em qual ordem a ressonância irá ocorrer.

Xl

Xcn = (2)

Desta forma, na existência de harmônicos, a utilização de banco de capacitores para

correção do FP pode não ser recomendada, pois sobretensões podem aparecer no sistema

comprometendo o funcionamento dos equipamentos.

4.2 FILTROS PASSIVOS

O filtro tipicamente utilizado para eliminação dos harmônicos é o filtro de simples

sintonia. Este constitui-se em um capacitor, um indutor e um resistor (limitador de corrente).

Ele apresenta um caminho de baixa impedância para o harmônico para o qual foi sintonizado.

Estes filtros são geralmente sintonizados para harmônicos de baixa ordem (ARRILLAGA,

WATSON, 2003, p. 228).

Devido ao problema da ressonância, ao dimensionar estes filtros utiliza-se um fator

de desintonia, o que evita que o filtro seja visto como um curto circuito no sistema, evitando

assim sobrecorrentes. Um valor bastante utilizado na prática é o chamado filtro 6%, onde a

impedância do indutor tem o valor de 6% da impedância do capacitor, causando uma

ressonância na ordem n = 4,08. Este valor é utilizado pois o harmônico de 3ª ordem é pouco

presente em sistemas industriais.

24

Figura 9 – Filtro passivo de sintonia simples

Fonte: WAKILEH (2010, p. 107)

4.3 FILTROS ATIVOS

Os filtros ativos introduzem outro conversor eletrônico às cargas não lineares. A

corrente de entrada do conversor é controlada de forma a produzir harmônicos de mesma

grandeza aos produzidos pelas cargas, porém em fase oposta. Estes dois níveis de harmônicos

cancelam uns aos outros no PAC (JAMIL et al, p.4, 2007).

A utilização de filtros ativos como solução única para correção do FP e supressão

dos harmônicos é bastante onerosa devido a que esse tipo de filtro possui um controle

sofisticado e chaves semicondutoras de potência. A confiabilidade é menor do que em filtros

passivos uma vez que os transistores de potência dos filtros ativos ficam expostos às

condições da rede (JAMIL et al, p.4, 2007).

25

Figura 10 – Representação gráfica filtro ativo

Fonte: JAMIL ET AL (2007, p. 5)

A utilização de filtros híbridos, que são compostos por filtros passivos e filtros

ativos, vem se tornando bastante recomendada para situações onde é necessária a correção do

FP e eliminação dos harmônicos, pois a correção do FP é feita pela parcela passiva do filtro e

a correção dos harmônicos pela parcela ativa (LEE, WANG, LI, 2009, p. 126).

Figura 11 – Topologia de um filtro híbrido

Fonte: LEE, WANG, LI (2009, p. 122)

4.4 CRITÉRIO DE DIMENSIONAMENTO DE FILTROS PASSIVOS

Os critérios apresentados para especificação de um filtro passivo foram definidos por

Ribeiro (2007 apud COGO 2006).

26

Para o cálculo da potência reativa necessária para correção do FP, tem-se a seguinte

equação:

( )βα tgtgPQ −= (3)

Sendo P é a potência ativa do sistema e α e β são, respectivamente, os ângulos

referentes ao FP antes e após a correção.

Após a definição da potência reativa a ser inserida no sistema, deve-se escolher a

tensão de operação do banco de capacitores para a correção do fator de potência. Sendo 1U a

tensão nominal do sistema, nota-se que a tensão total é superior à nominal devido à conexão

do capacitor com um indutor em série. Então a tensão do banco de capacitores é dada por:

1UU BCN ξ≥ (4)

Onde ξ é um fator de sobretensão devido aos harmônicos, sendo normalmente

utilizado o valor de 2,1=ξ , mas este valor pode estar compreendido entre 4,11,1 ≤≤ ξ .

A potência para a correção do fator de potência definida para tensão nominal Q ,

deve ser alterada pelo fato de que o banco não estará trabalhando na tensão nominal, e sim a

um valor acima, devido à conexão em série do capacitor com o indutor.

2

1

=

≥

U

UQQ

QQ

BCNBCN

BCN

(5)

Desta maneira definimos a reatância capacitiva que é dada por:

BCN

BCNBCN Q

UX

2

= (6)

Definida a reatância capacitiva, a reatância do reator do filtro deve ser dada por:

fRn

XX BCN

R .2

= (7)

27

Onde n é a ordem do filtro desejado e o fator fR leva em conta as influências das

variações de temperatura na capacitância e a necessidade de se evitar a sintonia exata. Os

valores de fR estão compreendidos entre 05,103,1 ≤≤ fR ou 97,095,0 ≤≤ fR . Não se deve

utilizar 03,197,0 << fR , justamente para evitar a proximidade da sintonia exata.

O valor do reator em Henrys é dado por:

πω

πω

2

2

R

R

XL

LX

=

= (8)

Através destes critérios, é possível dimensionar um filtro passivo de sintonia simples,

de maneira a funcionar perfeitamente no sistema em que esteja instalado, sem que este sofra

sobrecarga e venha a queimar devido aos harmônicos.

4.5 LIMITES NORMATIZADOS

O dimensionamento dos bancos de capacitores e filtros harmônicos deve ser baseado

em normas. A ANEEL regulamenta o FP e os índices harmônicos por meio do PRODIST,

conforme citação e Tabela 1 e 2. O PRODIST não cita limites para os índices de harmônicos

de corrente.

Para unidade consumidora ou conexão entre distribuidoras com tensão inferior a 230 kV, o fator de potência no ponto de conexão deve estar compreendido entre 0,92 (noventa e dois centésimos) e 1,00 (um) indutivo ou 1,00 (um). (ANEEL, 2010, p.18)

Tabela 1 – Distorção Harmônica Total de Tensão

Fonte: ANEEL (2010, p. 20)

28

Tabela 2 – Percentual de Distorção Harmônica Individual de Tensão

Fonte: ANEEL (2010, p. 21)

O IEEE regulamenta os níveis de distorção harmônica de acordo com as Tabelas 3 e

4. Os limites da IEEE são mais rigorosos que os impostos pela ANEEL.

Tabela 3 – Percentual de Distorção Harmônica Total de Corrente

Fonte: IEEE 519 (1992, p. 78)

29

Tabela 4 – Percentual de Distorção Harmônica Total de Tensão

Tensão no PACDistorção de Tensão

Individual (%)Distorção Total de Tensão (%)

Abaixo de 69 kV 3 569 a 161 kV 1,5 2,5

Acima de 161 kV 1 1,5 Fonte: IEEE 519 (1992, p. 85)

As tabelas geradas pelo programa PTW levam em consideração os índices IEEE, no

entanto a análise de resultados será em cima da regulamentação da ANEEL para o FP e

distorção de tensão e pela IEEE para distorção de corrente.

30

5 MODELAGEM DO SISTEMA

Para modelar a planta foram utilizados dados de placas dos equipamentos e medições

de campo. Estas informações são parâmetros de entrada para o programa PTW, onde será

realizada a simulação do fluxo harmônico da planta. O unifilar básico a ser modelado é

mostrado na Figura 12.

Figura 12 – Unifilar Básico

A Companhia Paulista de Força e Luz, CPFL, concessionária de energia da região,

foi modelada como uma fonte de tensão ideal e uma impedância, conforme Figura 13, e

parâmetros segundo a Tabela 5.

Figura 13 – Modelo da concessionária

31

Tabela 5 – Parâmetros da Concessionária

Potência Base 100 MVATensão Base 138 kVImpedância 0,05 + j0,18 pu

Concessionária

A modelagem do transformador de entrada da subestação foi feita conforme a Figura

14 e os parâmetros da simulação aparecem na Tabela 6.

Figura 14 – Modelo Transformador

Tabela 6 – Parâmetros da Concessionária

Conexões Δ - Υ

Relação de Transformação 1:10Tensões 138/13,8 kV

Impedância 0,5442 + j11,9877 %

Transformador de Entrada

Os turbogeradores que têm a finalidade de co-geração de energia elétrica para a

planta, através de vapor, sendo que nesta planta um deles trabalha sobre-excitado para geração

de potência reativa. Estes foram modelados como uma fonte de tensão ideal. No entanto, suas

impedâncias possuem parcelas resistivas e reatâncias transitórias e subtransitórias,

apresentadas nas Tabelas 7, 8 e 9.

Sendo os parâmetros das impedâncias definidos como: Resistência da armadura (Ra-

pu); Reatância síncrona de eixo.direto (Xd-pu); Reatância transitória de eixo direto (Xd'-pu);

Constante de tempo transitória em circuito em curto-circuito (Td'-ms); Constante de tempo

subtransitória em circuito em curto-circuito (Td''-ms); Constante de tempo de corrente

contínua (Tdc-ms).

32

Tabela 7 – Parâmetros do TG1

Potência 5 MVAFP 0,80

TG 1

X' X/R Seqüência

0,18 18 Positiva0,225 22,5 Negativa0,08 8 Zero

Xd' 0,26 Xd 1,77 Ra 0,0072Td'' 14 ms Td' 34 ms Tdc 93 ms

IEC 61 61263 Data


Potência 27,1 MVAFP 0,80

TG 2

X' X/R Seqüência

0,15 20 Positiva0,15 20 Negativa0,15 20 Zero

Xd' 0,31 Xd 1,92 Ra 0,0072Td'' 40 ms Td' 1100 ms Tdc 93 ms

IEC 61 61263 Data


Potência 20,4 MVAFP 0,80

TG 3

X' X/R Seqüência0,15 20 Positiva0,15 20 Negativa0,15 20 Zero

Xd' 0,27 Xd 1,65 Ra 0,0072Td'' 16,8 ms Td' 403,1 ms Tdc 93 ms

IEC 61 61263 Data

33

Devido à limitação da versão demonstrativa do programa PTW, as cargas foram

modeladas de forma mais simples. Desta forma as cargas foram agrupadas de maneira que

todas as cargas ligadas na barra “A” fossem representadas pela carga “AE”. As barras “B” e

“C” foram condensadas e suas cargas agrupadas em uma carga “BCF”. A Barra “D” teve suas

cargas unificadas na carga “D”. A barra “G” também teve usas cargas agrupadas na carga

“G”. A Figura 15 representa o modelo das cargas e a Tabela 10 e 11 os valores utilizados para

parametrização das plantas 2006 e 2010 respectivamente.

Figura 15 – Modelo das Cargas

Tabela 10 – Parâmetros das Cargas Planta 2006

AE BCF GPotência (kW ) 5060,34 9350,24 1226,79

FP 0,866 0,887 0,9569

Cargas

Tabela 11 – Parâmetros das cargas planta 2010

AE BCF GPotência (kW) 7050 12000 6300FP 0,89 0,88 0,87

Cargas

As fontes geradoras de harmônicos foram modeladas como fontes de corrente ideal,

de maneira a trabalhar com o novo perfil simplificado de cargas.

Como o sistema foi reduzido a apenas três barras principais, as correntes dos

harmônicos foram quantificadas de modo a representar o percentual referente às cargas

simplificadas.

34

Através dos valores medidos em campo, foi possível quantificar qual o percentual de

harmônicos de corrente de cada alimentador. Utilizando os valores em Ampère, o percentual

dos harmônicos foi recalculado em relação à corrente total das barras “A” e “BC”. Desta

forma, o novo perfil de correntes injetadas no sistema pode ser visto na Tabela 12:

Tabela 12 – Fontes de Harmônicos de Corrente Simuladas

FONTES DE HARMÔNICOS

CARGA - AE CARGA - BCF

Ordem pu Ordem pu

1 1 1 1

2 0.001 2 0.0083

3 0.0021 3 0.0084

4 0.0014 4 0.0033

5 0.02 5 0.0519

6 0.0008 6 0.0032

7 0.0738 7 0.0193

8 0.0008 8 0.0039

9 0.0019 9 0.0049

10 0.0011 10 0.0038

11 0.0258 11 0.0151

12 0.0014 12 0.0047

13 0.0101 13 0.0112

14 0.0014 14 0.0037

15 0.0002 15 0.0037

16 0.0003 16 0.0032

17 0.0171 17 0.009

18 0.0016 18 0.0036

19 0.0162 19 0.0066

20 0.0019 20 0.0036

21 0.0006 21 0.0037

22 0.001 22 0.0026

23 0.0055 23 0.0053

24 0.0008 24 0.0041

25 0.0056 25 0.0049

26 0.0006 26 0.0027

27 0.0006 27 0.0045

28 0.0034 28 0.0032

29 0.0043 29 0.0035

30 0.0018 30 0.0032

31 0.0032 31 0.0032

35

Sendo assim as formas de onda de corrente das fontes de harmônicos injetadas no

sistema pelas cargas AE e BCF são mostradas nas Figuras 16 e 17.

Figura 16 – Forma de Onda de Corrente da Fonte de Harmônicos da Carga AE

Figura 17 – Forma de Onda de Corrente da Fonte de Harmônicos da Carga BCF

36

Os harmônicos presentes nas barras “A” e “BC” ocorrem basicamente devido a

grande quantidade de conversores de freqüência. As barras “D” e “G” não possuem fontes

expressivas de harmônicos, por isto não foram simulados.

O banco de capacitores utilizado para correção do FP foi modelado como mostra a

Figura 18, ligado na barra “SE-MT”.

Figura 18 – Modelo do banco de capacitores

O filtro passivo de sintonia simples de harmônicos foi modelado como apresentado

na Figura 9, no capítulo 4 e segundo os critérios apresentados anteriormente.

37

6 ANÁLISE DE RESULTADOS

Neste capítulo serão apresentados os valores obtidos nas simulações representativas

de cada caso.

6.1 CASO 1 – OPERAÇÃO NORMAL – PLANTA 2006

O unifilar mostrado na Figura 19 representa de forma simplificada a estrutura da

planta. Neste caso o TG2 funciona gerando reativo para correção de FP.

Figura 19 – Unifilar Caso 1

A Tabela 13 apresenta as potências ativas e reativas geradas pela CPFL, TG1 e TG2.

Através destes valores verifica-se que o FP da planta é praticamente unitário.

38

Tabela 13 – Fluxo de Cargas – Caso 1

Potência Ativa (kW) Pontência Reativa (kVAr)CPFL 3613,6 335,8TG1 1120 800TG2 9120 6150

As Figuras 20 e 21 apresentam a forma de onda e o espectro de harmônicos de tensão

da barra da SE-MT. No espectro de tensão os índices harmônicos 5, 7 e 11 são os mais

expressivos.

-1.5

-1.0

-0.5

-0.0

0.5

1.0

1.5

0 50 100 150 200 250 300 350

Study1 - Caso 1 - 2006 - SE-MT-1 - Bus Distortion Voltage WaveFo

Figura 20 – Forma de Onda de Tensão da Barra SE-MT – Caso 1 (Pu x Graus)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

Study1 - Caso 1 - 2006 - SE-MT-1 - Bus Distortion Voltage Spectr

Figura 21 – Espectro de Harmônicos da Barra SE-MT – Caso 1

39

As Tabelas 14 e 15 mostram as distorções totais de tensão e de corrente. Nos índices

de tensão e corrente nenhuma barra excede os limites estabelecidos por norma, apesar dos

níveis de distorção de corrente estar bem próximo do limite estabelecido pela ANEEL.

Tabela 14 – Distorção Total de Tensão – Caso 1

Tabela 15 – Distorção Total de Corrente – Caso 1

40

6.2 CASO 2 – TG 1 E TG2 FORA DE OPERAÇÃO – PLANTA 2006

O unifilar mostrado na Figura 22 os TG1 e TG2 são representados fora de operação.

Esta condição representa a ausência de geração de reativo pela planta e consumo exclusivo

pela concessionária, o que significa no caso mais severo quanto à redução do FP. Isto pode

ocorrer devido à falha de operação nos TGs ou manutenção dos mesmos.


A Tabela 16 apresenta as potências ativas e reativas geradas pela CPFL, TG1 e TG2. Ao

retirar os TG1 e TG2 de operação os valores de potência ativa e reativa, consumidos da

concessionária aumentam consideravelmente, reduzindo o FP para 0,841.


Potência Ativa (kW) Potência Reativa (kVAr)CPFL 13929,6 8947,7TG1 0 0TG2 0 0

41


da barra da SE-MT. No espectro além dos índices harmônicos 5, 7 e 11, os de ordem 13, 17 e

19 também aparecem de forma expressiva.

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

0 50 100 150 200 250 300 350

Study1 - Case2 - SE-MT-1 - Bus Distortion Voltage WaveForm

Figura 23– Forma de onda de tensão da barra SE-MT – Caso 2 (Pu x Graus)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

Figura 24– Espectro de Harmônicos da Barra SE-MT – Caso 2

As Tabelas 17 e 18 mostram as distorções totais de tensão e de corrente para a

situação sem os TG1 e TG2.

42



43

6.3 CASO 3 – BANCO DE CAPACITORES – PLANTA 2006

O unifilar mostrado na Figura 25 os TG1 e TG2 ainda são mantidos fora de

operação, e um banco de capacitores é inserido no barramento da subestação de entrada. Esta

condição tem como intenção a correção do fator de potência da planta, evitando assim a

cobrança de multas por baixo FP pela concessionária.


A Tabela 19 apresenta as potências dos elementos da planta. O banco de capacitores

para correção do FP no índice estipulado pelo PRODIST de 0,92 foi calculado pelas equações

apresentadas nos critérios de dimensionamento de filtros, o item 4.4 do capítulo 4.

Tabela 19 – Fluxo de Cargas – Caso 3 sem Banco de Capacitores

Potência Ativa (kW) Potência Reativa (kVAr)CPFL 13929,6 8947,7TG1 0 0TG2 0 0

44

( )

kVArU

UQQ

kVUU

kVArtgtgtgtgPQ

BCNBCN

BCN

41.43378,13

56,1609,3012

56,16)8,13(2,1

09,3012)07,2371,32(6,929.13

22

1

1

=

=

=

===

=−=−=

ξ

βα

De forma a atender valores nominais de mercado, a potência do banco de capacitores

utilizada será de 4,5 MVAr. Apesar de não ser submetido à tensão de 16,56 kV neste caso, o

banco de capacitores foi dimensionado para estas condições, pois este seria utilizado para

composição do filtro de harmônicos no futuro. O programa compensa o reativo fornecido para

a carga já que a tensão real é de 13,8 kV nesta situação. A Figura 26 mostra os parâmetros do

banco de capacitores.

Figura 26– Parâmetros do Banco de Capacitores – Caso 3


da barra da SE-MT. No espectro os índices harmônicos 5 e 7 ficam bem distintos. Este fato se

deve a uma ressonância entre o quinto e o sétimo harmônico, como mostrado na resposta em

freqüência na Figura 29, demonstrando que o uso de capacitores para correção do FP em

planta onde existem harmônicos nem sempre é recomendado.

45

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 50 100 150 200 250 300 350 Figura 27– Forma de Onda de Tensão da Barra SE-MT – Caso 3 (Pu x Graus)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 Figura 28– Espectro de Harmônicos da Barra SE-MT – Caso 3

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Study1 - Case3 - SE-MT-1 - Bus Scan Impedance Magnitude

Figura 29– Resposta em Freqüência da Barra SE-MT – Caso 3

46

Neste caso, o problema de baixo FP é resolvido com a inserção do banco de

capacitores, conforme Tabela 20 de fluxo de carga. No entanto, as distorções de tensão foram

bastante amplificadas, trazendo para os equipamentos uma condição de risco, já que os

mesmo não foram projetados para trabalhar sob estas condições. A distorção de corrente no

transformador de entrada do ficou acima dos limites da IEEE. As Tabelas 21 e 22 mostram as

distorções totais de tensão e de corrente para a situação sem os TG1 e TG2 e com o banco de

capacitores.

Tabela 20 – Fluxo de Cargas – Caso 3 com Banco de Capacitores

Potência Ativa (kW) Potência Reativa (kVAr)

CPFL 13915,6 5841

TG1 0 0

TG2 0 0

BC. CAP 0 4500 – Real 3125


47


6.4 CASO 4 – FILTRO DE HARMÔNICOS – PLANTA 2006

O unifilar mostrado na Figura 30 os TG1 e TG2 ainda são mantidos fora de

operação, e o banco de capacitores é substituído por um filtro de harmônicos. Esta condição

tem como intenção a correção do fator de potência da planta e reduzir os índices harmônicos,

evitando assim a cobrança de multas por baixo FP pela concessionária e danos nos

equipamentos.

48


A potência do filtro de harmônicos é a mesma do banco de capacitores, de forma

garantir o FP em 0,92, já a ordem de sintonia do filtro é calculada sendo a impedância

indutiva 6% da impedância capacitiva. Esta solução do filtro 6% pode ser adotada em

sistemas onde o harmônico de 3ª ordem não está presente. Isto porque a inserção de um filtro

de ordem n causa uma ressonância em uma ordem abaixo de n. Então, como o filtro foi

sintonizado para 4,08, a nova ressonância ocorre em uma ordem abaixo dela, onde não

existem harmônicos. A Figura 31 apresenta os parâmetros dos filtro.

( )

08,4

66,166

100

.100

6

41.43378,13

56,1609,3012

56,16)8,13(2,1

09,3012)07,2371,32(6,929.13

2

2

22

1

1

=

==

=

=

=

=

=

===

=−=−=

n

n

XcXl

n

XcXl

kVArU

UQQ

kVUU

kVArtgtgtgtgPQ

BCNBCN

BCN ξ

βα

49

Figura 31– Parâmetros do Banco de Capacitores – Caso 4

Da mesma forma a potência do filtro de harmônicos utilizada será de 4,5 MVAr. As

Figuras 32 e 33 apresentam a forma de onda e o espectro de harmônicos de tensão da barra da

SE-MT. No espectro os índices harmônicos 5 e 7 são praticamente eliminados. A Figura 34

mostra a resposta em freqüência deste caso, onde mostra a nova freqüência de ressonância no

índice n=3.

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 50 100 150 200 250 300 350

Study1 - Case4 - SE-MT-1 - Bus Distortion Voltage WaveForm

Figura 32– Forma de Onda de Tensão da Barra SE-MT – Caso 4 (Pu x Graus)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

Study1 - Case4 - SE-MT-1 - Bus Distortion Voltage Spectrum


50

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Study1 - Case4 - SE-MT-1 - Bus Scan Impedance Magnitude

Figura 34– Resposta em Frequência da Barra SE-MT – Caso 4

Neste caso, o problema de baixo FP também é resolvido, conforme Tabela 23 de

fluxo de carga. As Tabelas 24 e 25 mostram as distorções totais de tensão e de corrente para a

situação sem os TG1 e TG2 e com filtro de harmônicos. A distorção de tensão e corrente não

violaram os limites da ANEEL e IEEE.



CPFL 13954,1 5644,5

TG1 0 0

TG2 0 0

FILTRO HAR. 0 4500


51


6.5 CASO 5 – OPERAÇÃO NORMAL – PLANTA 2010

Este caso apresenta um modelo atual da planta, o unifilar sofreu alterações assim

domo o perfil das cargas. No funcionamento atual a planta trabalha com o filtro de

harmônicos desligado, e o TG 1 foi substituído pelo TG3. A Figura 35 mostra um unifilar

simplicado da planta atual.

52


Trabalhando desta forma pode-se notar através da Tabela 26 que a planta tornou-se

auto-suficiente em energia, apesar de sua carga consumida ter aumentado consideravelmente.

A concessionária hoje recebe tanto potência ativa quanto reativa da planta.



CPFL -384,3 -575,7

TG2 14500 9000

TG3 8200 3599 FILTRO HAR. 1 0 0

As Figuras 36 e 37 mostram os a forma de onda e o espectro de harmônicos para a

barra SE-MT.

53

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 50 100 150 200 250 300 350

Study1 - Caso 5 - Planta 2010 - SE-MT-1 - Bus Distortion Voltage


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32



Nestas condições os níveis de harmônicos de tensão não superam os valores

normatizados, conforme Tabela 27. Os valores de distorção harmônica de corrente no

transformador de entrada ficou bem acima do limite. No entanto, a intepretação é de que a

corrente é muito baixa, 36A no 13,8kV e, portanto, embora o DTH seja elevado, não há

problema. O DTH é uma relação com o valor da fundamental. As componentes harmônicos

em valores eficazes são baixos também.

54



55

6.6 CASO 6 – TG1 E TG3 FORA DE OPERAÇÃO E FILTRO DE HARMÔNICOS EM

OPERAÇÃO – PLANTA 2010

O unifilar da Figura 38 mostra a planta funcionando sem os dois turbos geradores e com

o filtro de harmônicos.


Na ausência dos dois TGs há um aumento da potência ativa e reativa consumida da

concessionária. Mesmo com o filtro de harmônicos em funcionamento o FP cai para 0,849, já

que o perfil das cargas não comporta o dimensionamento passado conforme Tabela 29 de

fluxo de carga.


Potência Ativa (kW) Potência Reativa (kVAr) CPFL 22556,7 14033,5 TG2 0 0 TG3 0 0

FILTRO HAR. 1 0 4500

56

As Figuras 39 e 40 mostram os a forma de onda e o espectro de harmônicos para a barra

SE-MT. É possível notar uma distorção maior na forma de onda de tensão, que no caso

anterior.

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

0 50 100 150 200 250 300 350



0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32



Os valores de distorção de tensão ultrapassaram os limites da ANEEL, já os limites de

distorção de corrente ficam dentro dos limites da IEEE. As Tabelas 30 e 31 as distorções nas

barras da planta.

57



58

6.7 CASO 7 – TG1 E TG3 FORA DE OPERAÇÃO E UM FILTRO DE HARMÔNICOS E

UM BANCO DE CAPACITORES EM OPERAÇÃO – PLANTA 2010

Devido ao baixo FP e aos altos índices de distorção harmônica de tensão. O caso 7

modela o sistema com um banco de capacitores, conforme unifilar mostrado na Figura 41.


O banco de capacitores também foi projetado conforme o critério do banco anterior,

para corrigir o FP a 0,92.

( ) kVArtgtgtgtgPQ 38,4424)07,2388,31(7,22556 =−=−= βα

O banco instalado foi de 4,5 MVAr, para 13,8kV. Após a inserção do novo banco de

capacitores o FP foi corrigido e o fluxo de cargas ficou conforme Tabela 32. Os parâmetros

do banco de capacitores são mostrados na Figura 42.

59



FILTRO HAR. 1 0 4500 BANCO CAP. 0 4500

Figura 42 – Parâmetros Banco de Capacitores – Caso 7

As Figuras 43 e 44 mostram a forma de onda e o espectro de harmônicos da barra SE-

MT, após a inserção do segundo capacitor. A Figura 45 mostra a resposta em freqüência deste

caso.

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 50 100 150 200 250 300 350 Figura 43 – Forma de Onda de Tensão da Barra SE-MT – Caso 7 (Pu x Graus)

60

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

Study1 - NEW-EXTRA3 - SE-MT-1 - Bus Distortion Voltage Spectrum

Harmonic Order


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Study1 - NEW-EXTRA3 - SE-MT-1 - Bus Scan Impedance Magnitude

Harmonic Order

Figura 45 – Resposta em Freqüência da Barra SE-MT – Caso 7

Com a inserção do banco de capacitores, ocorreu novamente ressonância no sistema,

próximo ao harmônico de ordem 7. Os índices harmônicos de corrente e tensão ultrapassaram

os limites estabelecidos pela ANEEL e IEEE, o que inviabiliza a solução. As Tabelas 33 e 34

mostram as distorções de tensão e corrente da barra SE-MT, após a inserção do segundo

capacitor.

61



62

6.8 CASO 8 – TG1 E TG3 FORA DE OPERAÇÃO E DOIS FILTROS DE

HARMÔNICOS EM OPERAÇÃO – PLANTA 2010

Devido ao baixo FP e aos altos índices de distorção harmônica de tensão. O caso 8

modela o sistema com mais um filtro de harmônicos, conforme unifilar mostrado na Figura

46.


O novo filtro de harmônicos também foi projetado conforme o critério do filtro anterior,

para corrigir o FP a 0,92.

( )

XcXl

n

XcXl

kVArU

UQQ

kVUU

kVArtgtgtgtgPQ

BCNBCN

BCN

.100

6

11,63718,13

56,1638,4424

56,16)8,13(2,1

38,4424)07,2388,31(7,22556

2

22

1

1

=

=

=

=

=

====−=−=

ξβα

63

08,4

66,166

1002

=

==

n

n

O filtro instalado foi de 6,5 MVAr, com sintonia no harmônico de ordem 4,08. Após a

inserção do novo filtro de harmônicos o FP foi corrigido e o fluxo de cargas ficou conforme

Tabela 35.



FILTRO HAR. 1 0 4500 FILTRO HAR. 2 0 6500

As Figuras 47 e 48 mostram a forma de onda e o espectro de harmônicos da barra SE-

MT, após a inserção do segundo filtro de harmônicos.

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 50 100 150 200 250 300 350


Figura 47 – Forma de Onda de Tensão da Barra SE-MT – Caso 8

64

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32



Com o segundo filtro de harmônicos, os índices harmônicos ficaram dentro dos limites

estabelecidos pela ANEEL e IEEE. As Tabelas 36 e 37 mostram as distorções de tensão e

corrente da barra SE-MT, após a inserção do segundo filtro de harmônicos.

Tabela 36 – Distorção Total de Tensão – Caso

8

65


6.9 CASO 9 – TG1 E TG3 EM OPERAÇÃO E DOIS FILTROS DE HARMÔNICOS EM

OPERAÇÃO – PLANTA 2010

A Figura 49 mostra o unifilar da planta com os dois TGs em operação, assim como os

dois filtros de harmônicos.

66

Figura 49– Unifilar Caso 9

A Tabela 38 de fluxo de carga apresenta os novos valores de potência ativa e reativa da

planta. Trabalhando com os dois filtros de harmônicos é possível reduzir a sobre-excitação

dos TGs de forma a aumentar a capacidade de geração de potência ativa dos mesmos. Isto é

possível desde que haja vapor de sobra no balanço energético do processo.



CPFL -1072,2 -2481,6

TG2 14500 2500

TG3 9000 3590



As Figuras 50 e 51 mostram a forma de onda e o espectro de harmônicos de tensão da

barra SE-MT. É possível perceber uma redução da distorção nas duas figuras.

67

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 50 100 150 200 250 300 350


Figura 50– Forma de onda de tensão da barra SE-MT – Caso 9

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32



As Tabelas 39 e 40 apresentam valores de distorção de tensão e corrente dentro dos

limites estabelecidos pela ANEEL e IEEE.


68


69

7 CONCLUSÃO

Analisando o Caso 1, como operação normal da planta, nota-se que nenhum limite de

harmônicos, tanto de tensão quanto de corrente extrapola os limites normatizados. No entanto

os harmônicos de corrente próximo às cargas não lineares apresentam valores significativos

de harmônicos, pois as cargas não lineares geram esses harmônicos ao funcionarem. O TG2

trabalha sobre-excitado e gera praticamente toda potência reativa da planta, o que diminui a

capacidade do mesmo em gerar potência ativa.

O Caso 2 representa a condição mais grave para a planta, representada pela ausência

dos dois tubrogeradores. Com isso o fator de potência diminui para o menor valor com este

perfil de operação. As distorções totais de tensão nas barras da planta são amplificadas devido

ao maior consumo vindo da concessionária e as distorções de corrente diminuem, já que o

transformador de entrada funciona como filtro.

Tendo em vista o baixo fator de potência causado pela ausência dos turbogeradores

no Caso 2, a solução imediata para correção do FP, é a utilização dos bancos de capacitores.

Com a inserção do banco de capacitores no Caso 3, este problema é resolvido atingindo o

valor mínimo de 0,92 para o FP. No entanto, a solução que é ideal e mais viável para o FP

causa um problema do ponto de vista dos harmônicos. O banco de capacitores causa uma

ressonância no sistema no harmônico de 7ª ordem, mostrada na resposta em freqüência do

caso simulado. Sendo assim, os índices harmônicos de tensão e corrente foram bastante

amplificados.

O Caso 4 apresenta uma solução com filtro de harmônicos que além de resolver o

problema do fator de potência, evita-se a ressonância no harmônico de ordem 7, conforme a

resposta em freqüência deste caso. O filtro de harmônicos 6%, é uma solução bastante usual

para sistemas elétricos a 4 fios, uma vez que a sintonia é feita na ordem 4,08, o que gera uma

ressonância em uma ordem inferior, e o harmônico de 3ª ordem normalmente não é presente

ou é em níveis bem baixos, devido a cargas monofásicas e bifásicas dos sistemas de

iluminação e tomadas. Esta solução reduz a níveis aceitáveis os harmônicos de tensão e

corrente da planta.

Após projetos de modernização e conseqüentemente alterações no perfil da carga, a

planta passou a ser auto suficiente em energia, já que o TG1 foi substituído pelo TG3,

aumentando a capacidade de produção. Desta forma o Caso 5 foi modelado para apresentar a

nova resposta do sistema. Em operação normal o filtro de harmônicos anteriormente

70

dimensionado para suprir a falta dos turbogeradores, fica fora de operação. Trabalhando desta

forma, os índices harmônicos de tensão e corrente ficam dentro dos limites normatizados, com

exceção da distorção de corrente no transformador de entrada da subestação principal, devido

ao baixo valor da corrente fundamental. No barramento de entrada da planta é onde se discute

uma futura tarifação por parte das concessionárias de forma a forçar um controle dos índices

harmônicos assim como é feito com o fator de potência. Desta forma, além de evitar danos a

equipamentos e colocar em risco a integridade do sistema elétrico, o controle da qualidade de

energia poderá evitar multas por parte das concessionárias.

O Caso 6 foi simulado sob as condições de perda dos geradores. Assim, parcela do

reativo passou a vir da concessionária e parcela foi gerada pelo filtro. Foi verificado que após

a mudança do perfil de cargas, o filtro dimensionado anteriormente não atende o FP mínimo e

nem os índices de distorção de tensão. Isso demonstra que sempre que mudanças

significativas no perfil da carga são feitas é necessária uma avaliação tanto do sistema para

correção do fator de potência quanto para os índices de qualidade de energia da planta.

O Caso 7 apresentou uma solução com inserção do banco de capacitores trabalhando

juntamente com o filtro de harmônicos previamente instalado de forma, exclusivamente

corrigir o fator de potência. No entanto, este banco causou ressonância no sétimo harmônico o

que inviabiliza esta solução quanto aos índices harmônicos apesar do fator de potência ter

atingido o valor desejado de 0,92.

Já o Caso 8, foi modelado de forma a inserir um novo filtro de harmônicos para que

este complemente o funcionamento do anterior de forma a garantir o FP de 0,92. Após a

inclusão do novo filtro os índices harmônicos nas barras da planta foram controlados. O novo

filtro foi dimensionado sobre os mesmos parâmetros do filtro anterior para evitar que novas

ressonâncias apareçam no sistema.

O Caso 9 apresenta um funcionamento ideal para a planta do ponto de vista de

qualidade de energia. Estando os dois TGs em operação, e da mesma forma os dois filtros de

harmônicos, é possível manter dentro dos limites a distorção de corrente e reduzir os níveis de

distorção de tensão. Garantindo, assim, uma forma de onda mais próxima da senoidal

fundamental, permitindo reduzir a quantidade de potência reativa gerada pelo TG2, e

aumentando a disponibilidade do mesmo de gerar potência ativa.

Sendo assim, fica claro que a solução padrão para correção de fator de potência por

meio de banco de capacitores, nem sempre é valida para sistemas onde os harmônicos são

expressivos. E sempre que grandes modificações de cargas são realizadas, as soluções

71

anteriores devem ser reavaliadas, de forma a garantir a qualidade da energia no sistema

elétrico.

72

REFERÊNCIAS

ANEEL. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST. Módulo 8 – Qualidade da Energia Elétrica. Revisão 1. 2010. Disponível em: < http://www.aneel.gov.br/arquivos/PDF/Modulo8_Revisao_1-Retificacao_1.pdf>. Acesso em: 22 ago. 2010, 16:24. ARRILLAGA, Jos; WATSON, Neville R.; Power System Harmonics. 2. ed. Chichester: John Wiley & Sons, 2003. COGO, João R. Análise da Ressonância em Sistemas Elétricos. GSI-RT439-D-04. 2006 EL-GAWAD, A. F. Abd. Studying the Impact Of Different Lighting Loads on Both Harmonics and Power Factor. Universities Power Engineering Conference, 2007. UPEC 2007. 42nd International. 2007 GONÇALVES, Fabrício Douglas. Resposta dos Sistemas Ininterruptos de Energia Frente a Fenômenos de Qualidade de Energia. 2008. 155 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Brasília, 2008. Disponível em: <http://repositorio.bce.unb.br/bitstream/10482/2619/1/2008_FabricioDouglas Goncalves.pdf>. Acesso em: 13 ago. 2010, 11:00. IEEE 519 1992. Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems. 1992 IEEE Std C57.110-1998 . IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability When Supplying Nonsinusoidal Load Currents. 1998. JAMIL, Mohsin; HASHMI, G. Murtaza; SYED, Zulifqar Ali; AWAIS, Qasim. Harmonics in Adjustable Speed Drives: Causes, Effects, and Solutions. Information and Emerging Technologies, 2007. ICIET 2007. International Conference. 2007 LEE, Ching-Yin; LEE, Wei-Jen. Effects of Nonsinusoidal Voltage on the Operation Performance of a Three-phase Induction Motor. Energy Conversion, IEEE Transactions. 1999. LEE, Ching-Yin; LIN, Yuan-Jui ; CHEN, Chao-Rong. The Effect of Harmonic Phase Angle on the Operation Performance of a Three-phase Induction Motor . Power Engineering Society Summer Meeting, 2000. IEEE

73

LEE, Tzung-Lin; WANG, Yen-Ching; LI, Jian-Cheng. Design of a Hybrid Active Filter for Harmonics Suppression in Industrial Facilities. Power Electronics and Drive Systems, 2009. PEDS 2009. International Conference. 2009. Manual de Frascati - Organização Para a Cooperação e Desenvolvimento Económico. Disponível em: <http://www.mct.gov.br/index.php/content/view/4029.html>. Acesso em: 17 jun. 2010, 23:45. MOUSAVI, Saeed; TAVAN, Bahman; BAKHTIARI, Homayoun. The Review and Analysis the Destructive Effects of Harmonics on a Sample Mv/Lv Transformer . Electricity Distribution - Part 1, 2009. CIRED 2009. 20th International Conference and Exhibition. 2009 OWEN, E. L.. A History of Harmonics in Power Systems. Industry Applications Magazine, IEEE. 1998

Power Tools for Windows. Disponível em: < http://www.skm.com>. Acesso em: 10 nov. 2010, 09:20. RIBEIRO, Tales Leite. Estudo de Caso – Correção do Fator de Potência e Eliminação dos Harmônicos com Filtro Passivo. 2007. 164 f. Departamento de Ensino Superior, Centro Federal de Educação de Minas Gerais. Rielo UPS. Manual Master Dialog 8-80kVA. Disponível em: <http://static.riello-ups.co.uk/riello/shared/pdf/apm/apm_ert8-80kVA.pdf> Acesso em: 13 ago. 2010, 11:00. SAID, D.M.; NOR, K.M.. Effects of Harmonics on Distribution Transformers. Power Engineering Conference, 2008. AUPEC '08. Australasian Universities. 2008 SUMARYADI; GUMILANG, Harry; SUSILO, Achmad. Effect of Power System Harmonic on Degradation process of Transformer Insulation System. Properties and Applications of Dielectric Materials, 2009. ICPADM 2009. IEEE 9th International Conference. 2009. WAKILEH, George J. Power System Harmonics: Fundamentals, Analysis and Filter Design. 1. ed. Springer, 2010.

monografia tales leite ribeiro - ct.utfpr.edu.brct.utfpr.edu.br/deptos/ceaut/monografias/aplicacao...

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