SCQ/01021 a 26 de Outubro de 2001

Campinas - São Paulo - Brasil

RESUMO

Este trabalho apresenta estudos referentes ao uso defiltros passivos de bloqueio em sistemas elétricos debaixa tensão, de forma a auxiliar a filtragem harmônicatradicional, efetuada através de filtros shuntsintonizados, especialmente das componentestríplens. São apresentados os conceitos básicos daatuação do filtro de bloqueio, os parâmetros de projetodestes filtros e os resultados experimentais obtidos.Adicionalmente, é apresentada uma bancada de testespara a determinação do desempenho da filtragempassiva; esta bancada de testes possibilita o estudo devárias combinações topológicas distintas, aquichamadas células básicas de filtragem.

PALAVRAS-CHAVE

Filtros passivos, filtros shunt, filtros de bloqueio,harmônicos, topologia híbrida

1.0 INTRODUÇÃO

Com o aumento acentuado da presença de cargasnão-lineares em todos os tipos de instalaçõeselétricas, sejam comerciais, industriais ou residenciais,a filtragem de harmônicos de corrente na rede elétricatornou-se fato extremamente necessário. Através dafiltragem passiva clássica, a qual caracteriza-seessencialmente pelo uso de filtros shunt sintonizados,é possível eliminar parte das harmônicas provenientesdas cargas não-lineares.A técnica tradicional, com o uso exclusivo de filtrosshunt sintonizados [1] apresenta desvantagens, quepodem limitar seu uso a instalações industriais deelevada potência e baixo fator de deslocamento,excluindo, algumas vezes, instalações tipicamentecomerciais.Instalações tipicamente comerciais podem apresentarelevado conteúdo harmônico de baixa freqüência em

sua rede elétrica, sendo predominante, em muitoscasos, a presença de harmônicas tríplens. Entre estasharmônicas destaca-se a de 3a ordem (180 Hz), porapresentar a maior dificuldade em termos de filtragem,uma vez que, com o uso exclusivo de filtros shunttradicionais, há grande carregamento da componentefundamental do sistema. Como estas instalaçõescomerciais possuem, em geral, elevado fator dedeslocamento (apesar de apresentarem baixo fator depotência, justamente pela presença de elevadadistorção harmônica de corrente), o projeto dos filtrospassivos deve resultar em baixos valores decapacitância, de modo a não adicionar reativocapacitivo em demasia, o que impõe restrições aodesempenho destes filtros.Neste estudo é proposto o projeto de filtrossintonizados, em diferentes combinações (serie-paralela, por exemplo), de forma que seja possívelreduzir efetivamente as correntes harmônicas desistemas elétricos, principalmente aqueles decaracterísticas comerciais, sem comprometer odesempenho geral da instalação. Quantificar estaspossibilidades, associando todas as vantagens destascombinações topológicas, também é uma daspropostas deste trabalho.

2.0 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO EVANTAGENS DO USO DE FILTROS DEBLOQUEIO

O princípio de funcionamento do filtro de bloqueio é ode criar um caminho de elevada impedância, visandorestringir a circulação de correntes harmônicas dosistema, seja nas fases ou no neutro (FIGURA 1),desviando-as para as correspondentes seções shuntde mesma freqüência de sintonia.Destacam-se algumas vantagens do uso do elementode bloqueio juntamente ao uso de filtros shuntsintonizados:O filtro de bloqueio de fase eleva a qualidade da

STESESSÃO TÉCNICA ESPECIAL DE INTERFERÊNCIAS, COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA EQUALIDADE DE ENERGIA

USO DE FILTROS PASSIVOS EM TOPOLOGIA HÍBRIDA (SÉRIE E PARALELA) PARA SUPRESSÃO DEHARMÔNICAS EM SISTEMAS ELÉTRICOS

MARCO AURÉLIO QUADROS ÊNIO VALMOR KASSICK ONS UFSC

Marco Aurélio Quadros – ONS – mquadros@nos.org.brRua Dep. Antônio Edu Vieira, 999, Pantanal, Florianópolis, SC, 88040-901

filtragem shunt de harmônicas não tríplens,especialmente as de baixa freqüência (5a e 7a).O filtro de bloqueio de fase impede que as harmônicasnão tríplens sejam inseridas a jusante do sistema, aomesmo tempo que dificulta a penetração deharmônicos advindos de outros sistemas.O filtro de bloqueio de neutro (FIGURA 1) atuasomente sobre as componentes harmônicas tríplensque circulam pelo neutro, sem que haja impacto nacomponente fundamental, caso o sistema sejaequilibrado.A elevação da impedância do sistema no caminho decirculação das harmônicas tríplens melhorasensivelmente o desempenho dos filtros shuntsintonizados, projetados com baixo valor decapacitância (baixa influência na componente reativada fundamental).A possibilidade de filtragem de grande parte doconteúdo harmônico de 3a ordem, reduzindosignificativamente as perdas existentes em unidadestransformadoras.

FASE - A

FASE - B

FASE - C

CONDUTOR

BLOQUEADOR

NEUTRO

CÉLULA DE FILTRAGEM

FIGURA 1 – Filtro de bloqueio de neutro associado afiltros shunt sintonizados.

Metodologia Associada ao Estudo dos Filtros deBloqueioComo a conceituação e uso dos filtros shuntsintonizados já é bem conhecida e dominada nosmeios acadêmico e industrial, grande parte dosprocessos de análise e estudos partiu para a melhoriada conceituação e de projeto dos filtros de bloqueio.Com o uso de ferramentas computacionais foramdeterminadas as respostas frente à variação deparâmetros do filtro de bloqueio, observando asseguintes características, conforme ilustrado naFIGURA 2:

• O valor da impedância, na freqüência deressonância do filtro, é proporcional ao valorda sua indutância.

• O valor da impedância do filtro, na freqüênciafundamental, é pouco sensível ao valor daindutância.

• Com baixos valores de indutância é possívelalcançar elevados valores de impedância, nafreqüência de ressonância do filtro,possibilitando melhor desempenho doscorrespondentes filtros shunt sintonizados.

100 150 200 250 3000

2

4

5

0.0210347

Zfbp( ),f 100

Zfbp( ),f 200

Zfbp( ),f 300

Zfbp( ),f 400

Zfbp( ),f 500

30060 f

FIGURA 2 - Variação da impedância em função dafreqüência em um filtro de bloqueio, para diferentes

valores de indutância.

No projeto destes filtros foram considerados aspectosreferentes a queda de tensão máxima admitida e arelação direta entre as impedâncias doscorrespondentes filtros shunt sintonizados e os filtrosde bloqueio associados.

3.0 BANCADA DE TESTES PARA ESTUDOSDOS FILTROS DE BLOQUEIO

Para a determinação da eficácia da metodologia deprojeto adotada para o cálculo dos filtros de bloqueio,em especial para o filtro de bloqueio de neutro, foidesenvolvida uma bancada de testes para filtrospassivos, resultando em um sistema trifásico, gerado apartir da composição de 3 sub-sistemas monofásicos,conforme apresentado na FIGURA 3.

3.1 Estrutura da Bancada

A bancada de testes possibilita o estudo de 6combinações topológicas distintas, aqui chamadascélulas básicas de filtragem, apresentadas na TABELA1:

TABELA 1 - Células de Filtragem Utilizadas.ElementoCélula

Bloqueador CondutorI nenhum Filtro ShuntII FBN Filtro ShuntIII FBF Filtro ShuntIV FBF + FBN Filtro ShuntV FBS Filtro ShuntVI FBS + FBN Filtro Shunt

Observar que a célula quatro pode ainda apresentarvariações no número de filtros de bloqueio de fase aserem alocados no elemento bloqueador.A estrutura da bancada pode ser visualizada naFIGURA 4.

FILTRO BLOQUEIO

Lt

Lt

Rt

Rt

3a. 5a. 7a. CARGAS

5a. 7a.3a.

RtLt

3a.

FILTRO BLOQUEIO

FILTRO SHUNTFILTRO MONOFÁSICO

TRANSFORMADOR

BLOQUEIO SÉRIE

FIGURA 3 - Estrutura da Bancada de TestesEstrutura das Cargas Utilizadas

Nesta primeira versão da bancada montada emlaboratório, os filtros de bloqueio série não foramimplementados; isto restringe, neste momento, aanálise das células de filtragem de I à IV, indicadas naTABELA 1.

As cargas utilizadas na bancada de testes (FIGURA 4)consistem em três retificadores monofásicos com filtrocapacitivo (RMFC), sendo cada um destes alocado emuma fase do sistema, possuindo as mesmos valoresde RRMFC, LRMFC e CRMFC, de tal modo a representaruma carga trifásica perfeitamente equilibrada.

LRMFC

RRMFC

CRMFC

D2

Vin

+ -

D1

D4 D3

FIGURA 4 - Retificador Monofásico com FiltroCapacitivo

Este tipo de carga representa adequadamente acaracterística não-linear das cargas comumenteconectadas às modernas instalações elétricascomerciais de baixa tensão. Cabe também ressaltarque este tipo de carga caracteriza-se por apresentarelevado fator de deslocamento, ao mesmo tempo queapresenta baixo fator de potência, devido à presençadas componentes harmônicas de corrente, resultandoem extrema dificuldade de filtragem através detécnicas passivas (filtros passivos shunt).A potência de cada RMFC varia de 100 à 900W. Osvalores de projeto adotados para as cargasretificadoras permitem ainda uma ampliação de suapotência até a faixa de 1500 W.

3.2 Valores dos Parâmetros para Projeto

Os filtros shunt sintonizados foram calculadosconsiderando um fator de deslocamento próximo a0,99, o que retrata uma carga praticamente semreativo linear. Os valores calculados para os filtros de3a, 5a e 7a harmônicas foram baseados em umapotência máxima de 2,5 kVA por filtro, resultando osvalores apresentados na TABELA 2.

TABELA 2 - Valores Obtidos no Projeto dos FiltrosShunt

Harmônica 3a 5a 7a

Corrente ( A ) 12 12 12

Fator deQualidade

35 31 31,5

Resistência (mΩ) 670 570 525

Capacitância (µF) 38,25 30,6 22,95

Indutância (mH) 20,44 9,2 6,25

A potência reativa capacitiva disponível por fase é daordem de 1,6 kVAr, estando na faixa de 20% dapotência máxima dos filtros.Os filtros de bloqueio foram projetados levando emconta os parâmetros obtidos no cálculo dos filtrosshunt sintonizados. Os resultados dos parâmetros dosfiltros podem ser observados na TABELA 3.

TABELA 3 - Valores Obtidos no Projeto dos Filtros deBloqueio

Harmônica 3 5 7

Corrente (A) 14 14 14

Resistência (mΩ) 17 17 17

Capacitância (µF) 3900 1407 720

Indutância (µH) 200 200 200

Os filtros de bloqueio e shunt sintonizados foramimplementados como 3 unidades monofásicas, parapossibilitar maior flexibilidade à bancada de testes.Os filtros de bloqueio de fase e de neutro de 3a

harmônica foram projetados de forma a obter-seuniformidade entre seus parâmetros, possibilitandouma melhor comparação experimental de seusresultados.Capacitores para partida de motores foram utilizadosnos filtros de bloqueio paralelos, uma vez que éessencial possuir baixo custo, elevado valor decapacitância e baixa tensão como parâmetrosfundamentais deste componente, no qual o capacitorde partida de motores mostrou-se bem caracterizado.Foram adotados para o projeto do RMFC uma ponteretificadora SKB25/80 (Semikron), RRMFC = 60Ω(800W), LRMFC = 200µH e CRMFC = 1880 µF.

3.3 Possibilidades Experimentais Efetuadas

Com o uso da bancada de testes foram analisadosnove casos possíveis de alocação dos filtros existentesna bancada de testes, relacionados na TABELA 4.

TABELA 4 - Casos Verificados na Bancada de TestesFiltro Shunt FBPF FBPNCaso

3a 5a 7a 3a 5a 7a 3a

12 X3 X X4 X X X5 X X X X

Filtro Shunt FBPF FBPNCaso3a 5a 7a 3a 5a 7a 3a

6 X X X X7 X X X X X8 X X X X X X

9 X X X X X X X(FBPF: Filtro de Bloqueio Paralelo de Fase; FBPN:Filtro de Bloqueio Paralelo de Neutro; X: Elemento

Presente)

Os casos analisados apresentam uma evoluçãonatural do processo de inserção de filtros, partindo docaso somente de cargas não lineares no sistema (1),para os casos tradicionais de aplicação de filtragempassiva (4) e a nova aplicação apresentada (9).

4.0 RESULTADOS EXPERIMENTAIS OBTIDOS

Alguns resultados obtidos neste estudo sãoapresentados nas FIGURAS 5 a 8 e TABELAS 5 a 7.Todas as medidas foram obtidas para escalas decorrente de 30A/div e de tensão de 100V/div.

Caso 1:

(a) (b)FIGURA 5 - Corrente de Fase e Tensão de Fase (a) e

Corrente de Neutro e Tensão de Fase (b)

TABELA 5 - TDH da Corrente de Fase e NeutroFreq (Hz) I fase (A) I fase % I neutro180 Hz 4,03 93,41 12,2300 Hz 3,51 81,37 0,3420 Hz 2,82 65,26 0,8

Caso 4:

(a) (b)FIGURA 6 - Corrente de Fase e Tensão de Fase (a) e

Corrente de Neutro e Tensão de Fase (b)

TABELA 6 - TDH da Corrente de Fase e NeutroFreq (Hz) I fase (A) I fase % I neutro180 Hz 3,33 49,58 10,5300 Hz 4,9 73,04 0,65420 Hz 3,28 48,9 0,18

Caso 9:

(a) (b)FIGURA 7 - Corrente de Fase e Tensão de Fase (a) e

Corrente de Neutro e Tensão de Fase (b)

TABELA 7 - TDH da Corrente de Fase e NeutroFreq (Hz) I fase (A) I fase % I neutro180 Hz 0,38 5,5 2,12300 Hz 1,54 22,17 0,28420 Hz 0,69 10 0,36

5.0 ANÁLISE DOS RESULTADOS

Ressaltam-se os seguintes tópicos decorrentes dosresultados práticos obtidos (FIGURA 8):

• A TDH da corrente de fase de 3a harmônicaparte inicialmente de 93,41% (Caso 1),passando a obter-se 49,58% com o usosomente de filtros shunt sintonizados (Caso4), e finalmente alcançando 5,5% com o usodos filtros de bloqueio, reduzindosignificativamente a amplitude da corrente deneutro do sistema.

• A TDH da tensão a jusante dos elementosbloqueadores não apresentou elevaçõessignificativas, partindo da ordem de 2,64%sem os filtros de bloqueio, para 3,5% com ainserção de todos os elementos de bloqueio.

• Com o uso dos filtros de bloqueio houvesignificativa melhora na filtragem dosharmônicos associados aos mesmos.

0

20

40

60

80

100

180 Hz 300 Hz 420 Hz

Caso 1

Caso 4

Caso 9

FIGURA 8 - Correntes Harmônicas dos CasosAnalisados

6.0 CONCLUSÃO

Verifica-se que o emprego de filtros de bloqueioassociados ao uso dos filtros shunt sintonizados(filtragem tradicional) ocasiona uma melhoriasignificativa no desempenho destes últimos, podendo,nos casos do uso do filtro de bloqueio de neutro,reduzir em grande proporção a presença da terceiraharmônica no sistema. Com estes procedimentos é

possível o uso de filtragem passiva também eminstalações tipicamente comerciais, reduzindo-se osefeitos das harmônicas tríplens nestes sistemas,associado a baixa potência (menos que 5% dapotência dos filtros shunt), baixo custo e boaconfiabilidade.Estudos relativos ao uso de diferentes configuraçõesde filtros passivos (filtros de bloqueio serie, filtros debloqueio paralelo e filtros shunt), alocados no neutroe/ou nas fases do sistema e seus efeitos sobre asdemais harmônicas (desempenho da filtragem,penetração das harmônicas no sistema, desequilíbriosdas cargas e/ou dos filtros, perda de sintonia, variaçãodos parâmetros dos filtros por variação docarregamento, da temperatura ou envelhecimento doscomponentes) poderão ser futuramente desenvolvidos,a partir da utilização da bancada de testesimplementada.

7.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] M. Wallers, “Harmonics”, Prompt Publications,1994, pp. 89-98.

[2] Hibbard, John F. “Understanding and CorrectingHarmonic Distortion”, Power Quality Proceedings,Paris, September 1990.

[3] IEEE Standards 519-1992, Reccomended Practicesand Requirements for Harmonic Control in ElectricPower Systems, New York 1993.