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© ABB Group September 16, 2015 | Slide 1

Aplicação de Filtros Ativos emindústriasEstudo de caso

Victor Silva, Agosto de 2015 – Evento Automation & Power World Brasil

Tópicos

Harmônicos

Linha de filtros ativos da ABB

Estudo de caso

Aplicação em uma indústria de filmes plásticos

Considerações finais


Harmônicos

HarmônicosO que são?

Múltiplos inteiros de uma onda fundamental

Sistemas elétricos

Fundamental: 50Hz ou 60Hz

Harmônicos pares

Harmônicos ímpares

Harmônicos triplos

Compõem a distorção da forma de onda:

Tensão;

Corrente.




-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

0 5 10 15 20 25 30 35

Total

Forma de onda equivalente distorcida – realFonte: ABB

Forma de onda

distorcida devido aos

harmônicos presentes



-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

0 5 10 15 20 25 30 35

Total Fundamental 5ª harmônica

7ª harmônica 11ª harmônica 13ª harmônica

Formas de onda múltiplas da fundamental – aproximação matemáticaFonte: ABB

Decomposição da

forma de onda

distorcida em ondas

múltiplas da

fundamental

HarmônicosO que produz?


HarmônicosQuais problemas são gerados?


Waveform event at 22/11/01 10:25:43.533

CHA Volts CHB Volts CHC Volts CHA Amps CHB Amps CHC Amps

Vol

tsA

mps

10:25:43.72 10:25:43.73 10:25:43.74 10:25:43.75 10:25:43.76 10:25:43.77 10:25:43.78

-750

-500

-250

0

250

500

750

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

Tensão: THDV = 12% Corrente: THDI = 27%

TENSÕES & CORRENTES DE LINHA EM UMA ESTAÇÃO DE

BOMBEAMENTO


HarmônicosQuais problemas são gerados?

Trip de disjuntores e queima de fusíveis

Aumento da corrente RMS: efeito térmico

Aumento do pico da corrente: efeito dinâmico

Aquecimento excessivo de equipamentos

Aumento da corrente RMS

Cabos, transformadores e motores

Torques oscilatórios em motores

Sequência negativa

Efeito pelicular

Cabos

Interferências eletromagnéticas

Equipamentos hospitalares

Queima de capacitores – Baixa impedância e ressonância

Linha de filtros ativos ABB

Filtros ativos ABBPQF: solução para problemas de qualidade de energia

PQF

Mitigação harmônica

Balanceamento de carga

Compensação reativa


Filtros ativos ABBTopologia


PQF

Alimentador

Apenas componente fundamental

IH cargaIH filtro

IH filtro = - IH carga

480V: 70A, 100A, 130A e 150A

690V: 100A

3P3W, 50/60Hz

Cargas industriais médias

Auto-portante

Filtros ativos ABBLinha de produtos

Month DD,

YYYY

PQFI PQFM PQFS

480V: 300A e 450A

690V: 180A e 320A

3P3W, 50/60Hz

Cargas industriais pesadas

Auto-portante

415V: 30A, 45A, 60A, 70A, 80A,

90A, 100A e 120A

3P3W ou 3P4W, 50/60Hz

Instalações comerciais

Montagem em parede

Filtros ativos ABBPrincipais características

Tecnologia de IGBTs;

Chaveamento PWM;

Conexão trifásica a 3 ou 4

fios;

20 ordens harmônicas

simultâneas;

PQFS a 4 fios: 15

ordens simultâneas.

2ª a 50ª ordens

harmônicas;

Compensação reativa;

Balanceamento de fases;

Proteções internas;

Design compacto;

Modularidade;

Sem riscos de

ressonâncias.

Fator de atenuação: ≥97%

tipicamente

Diferentes modos de

operação

Comunicação Modbus RTU

Função de auto-restart


Filtros ativos ABBRedundância

Redundância total Redundância limitada


maste

r

Unit1

√

PQ

F

Unit2

√

PQ

FUnit3

√P

QF

Unit4

√

Falha na 3ª unidade:


PQ

F

X maste

r

Unit2

√

PQ

F

Unit3

√

PQ

F

Unit4

√

maste

r

Unit1

√

PQ

F

Unit2

√

PQ

F

X PQ

F

Unit4

√

maste

r

Unit1

√

sla

ve

Unit2

√

sla

ve

Unit3

√

sla

ve

Unit4

√



PQ

F

X PQ

F

X PQ

F

X PQ

F

X

maste

rUnit1

√sla

ve

Unit2

√

PQ

F

X sla

ve

Unit4

√

Filtros ativos ABBControle em malha fechada


Malha aberta Malha fechada

Filtragem Não controlado Controlado

Erros de medição Impacto significativo Imune

Precisão da filtragem Baixa Alta

Custo do TC Elevado Médio

Filtros ativos ABBControle em malha fechada


Controle em malha fechadaDirectly control & measure THDI and total

load current then compensate

Future extent ion = easy

VFD VFD VFD VFDVFDPQF

Other loads

spare

CT : x/5A

Control point

Controle em malha abertaTHDI = ? unknown

Total loads = ? Unknown

Pass/fail regulation = ? Unknown

Accuracy drop !

Future extent ion =?

VFD VFD VFD VFDVFDAF?

Other loads

spare

Control point

CT CT CT CTCT:x/1A

SCT

Filtros ativos ABBDiferenciais – Auto-derating


Máx. Filtragem &

comp. reativa

Máxima filtragem

Filtragem

segundo a curvaFiltragem até os

limites do

hardware

Aumento da

carga no filtro

Redução da

carga no filtro

Estudo de caso

Estudo de casoIndústria

Indústria de filmes plásticos

Longa linha de produção

Motores CC

Drives DC

Elevado conteúdo de

5ª, 7ª, 11ª, 13ª, ... (6

pulsos)

Baixo fator de potência:

0,65i

THDv: 12,6%

Demanda ativa: 1,15 MW

Demanda reativa: 1,48

MVAr (sem banco de

capacitores)

Perfil de tensão (460V

nominal)

Sem carga: 465V

Com carga: 425V

Banco de capacitores

existente: 1300 kVAr,

dessintonizado


Estudo de casoEspectro harmônico de tensão

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

TH

Dv 3 5 7 9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

29

31

Dis

torç

ão

ha

rmô

nic

a [

%]

Ordem harmônica


Espectro harmônico de tensão SEM FILTROFonte: Medições ABB

Estudo de casoEspectro harmônico de corrente

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

700.00

2 4 6 8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

Co

rre

nte

ha

rmô

nic

a [A

]

Ordem harmônica


Espectro harmônico de corrente SEM FILTROFonte: Medições ABB

Estudo de casoRequisitos do cliente

Melhoria do fator de potência

Evitar o pagamento de multas

Redução do THDv na barra de 460V para um máximo de

5% (IEEE 519-1992)

Permitir a conexão do banco de capacitores existente

Melhoria do nível de tensão

Temperatura ambiente: até 45°C


Estudo de casoSolução proposta pela ABB

Engenharia de aplicação

Realização de

medições em campo

Especificação do

equipamento

Filtro ativo PQFI 900A

Unidade master de

450A

Unidade slave de 450A

Ordens harmônicas

selecionadas

5ª, 7ª, 11ª, 13ª, 17ª, 19ª

e 23ª


Estudo de casoSolução proposta pela ABB – Diagrama unifilar


PQFI

900A

CARGA

Drives

DC

Banco de

capacitores

1300kVAr

dessintonizado

440V, 60Hz

Estudo de casoSolução proposta pela ABB – Resultados

Requisitos

Redução do THDv para níveis

abaixo de 5%

Entrada em operação do banco de

capacitores dessintonizado

Melhoria do fator de potência da

planta:

Não incidência de multas

Complementares Redução das perdas no

transformador e cabos

Correntes harmônicas

Potência reativa

Melhoria nas condições operativas

do banco de capacitores existente

Melhoria do nível de tensão em

440V


Estudo de casoEspectro harmônico de tensão – Com filtro

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

TH

Dv 3 5 7 9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

29

31

33

35

37

39

41

43

45

47

49

Dis

torç

ão

ha

rmô

nic

a [

%]

Ordem harmônica


Espectro harmônico de tensão COM FILTROFonte: Medições ABB

Estudo de casoEspectro harmônico de corrente – Com filtro

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

2 4 6 8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

50

Co

rre

nte

ha

rmô

nic

a [A

]

Ordem harmônica


Espectro harmônico de corrente COM FILTROFonte: Medições ABB



Guindastes

Offshore

Máquinas de

enrolar

Máquinas de

papel

Trat. de água

Ski lifts

PropulsãoCentrífugas Telecom.

Petroquímica Compressores

Hotéis,

bancos, data

centers

Gráficas


Problemas de qualidade de energia

Linha de filtros ativos da ABB

Filtragem harmônica

Compensação reativa

Balanceamento de cargas

Aplicações até 690V

20 ordens harmônicas simultâneas de 2ª a 50ª

harmônica

Estudo de caso

Redução do THDv

Entrada em operação do banco de capacitores

existente


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