FLUXO HARMÔNICO EM PLANTA COMERCIAL NA PRESENÇA DE GRUPO GERADOR

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1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná Departamento Acadêmico de Eletrotécnica Curso de Engenharia Elétrica Curso de Engenharia de Controle e Automação FLUXO HARMÔNICO EM PLANTA COMERCIAL NA PRESENÇA DE GRUPO GERADOR Joaquim Eloir Rocha (Orientador), 1 Guilherme Glodzienski (Aluno 1), 2 Leandro Mascari (Aluno 2), 3 Marlon Subtil Pazinato (Aluno 3), 4 1 UTFPR / Avenida Sete de Setembro, 3165 / CEP: / Curitiba-PR 2 UTFPR / Avenida Sete de Setembro, 3165 / CEP: / Curitiba-PR 3 UTFPR / Avenida Sete de Setembro, 3165 / CEP: / Curitiba-PR 4 UTFPR / Avenida Sete de Setembro, 3165 / CEP: / Curitiba-PR Resumo: Algumas empresas, utilizam de um grupo gerador para geração própria de energia elétrica no horário de ponta da concessionária, com o objetivo de reduzir os custos com tarifação. Porém, devido a alta intensidade harmônica existente em algumas instalações, esses grupos podem assumir as cargas com uma certa dificuldade. Este artigo tem como objetivo analisar, o comportamento harmônico de uma planta comercial alimentada por um grupo gerador de emergência, com os tipos de cargas mais comumente encontradas nesse tipo de ambiente, bem como as condições de operação e os fatores que influenciam nas distorções. Resultados obtidos através de simulações com mudança de parâmetros e com adição de filtros passivos de harmônicas serão analisados. Palavras-chave: grupo gerador, harmônicas, simulações 1. INTRODUÇÃO Em uma planta comercial, são inúmeros os tipos de cargas que podem ser encontradas. Porém, as principais e que possuem maior relevância, adotadas nesse estudo, são as cargas referentes à iluminação, ar-condicionado (nesse estudo considerando que estejam sendo acionados por inversores de frequência), computadores e as cargas lineares. Com a exceção das cargas lineares, todas as outras geram correntes harmônicas que irão circular pelo sistema elétrico gerando alguns distúrbios. A influência que essas corrente harmônicas geradas no sistema, dependerão de como elas estarão sendo alimentadas. Se ligadas diretamente à concessionária, as distorções geradas serão mínimas comparadas se ligadas a um grupo gerador. Isso ocorre devido à grande diferença no valor entre a impedância da concessionária e do grupo gerador. Com os dados que serão apresentados, observamos que a impedância do gerador fica em torno de cinquenta vezes maior do que a impedância da concessionária, o que nos permite fazer uma análise do comportamento harmônico na planta. Tais análises serão feitas com o auxílio de uma ferramenta do Matlab, o Simulink, que nos permitirá alterar os parâmetros da planta e analisar o efeito que as distorções harmônicas irão ter nas condições de operação a serem analisadas. 2. MODELAGEM DA PLANTA O sistema elétrico da planta utilizada será composto por dois grupos geradores (fornecendo 380V), que estarão intertravados com a concessionária, um transformador elevador conectado ao barramento de carga e 6 transformadores, de potência variando entre 150kVA e 500kVA, que estarão alimentando as cargas consideradas na simulação, que compreendem iluminação, ar-condicionado, computadores e cargas lineares. A planta será alimentada pela concessionária, com uma tensão de 13,8kV. Com o intuito de simular o horário de ponta da concessionária, serão feitas simulações com alimentação sendo feita pelos dois grupos geradores. Para se ter como base a carga utilizada num ambiente comercial, foi utilizado um estudo, apresentado por uma empresa de consultoria para um shopping da região metropolitana de Curitiba que apresentou uma demanda máxima de 542,4kW. Para determinar a carga que será alimentada por cada um dos transformadores, foi feita uma média ponderada das cargas em relação à potência de cada transformador. Os dados de placa dos transformadores e geradores foram levantados de acordo com catálogo de fabricantes desses equipamentos. Com esses dados levantados, foi possível montar o diagrama a ser estudado.

2 2.1. Fontes de corrente harmônica Das cargas que estarão sendo consideradas para a simulação, temos as cargas de iluminação, ar-condicionado e computadores fornecendo correntes harmônicas para o sistema. Para iluminação, foi considerada uma lâmpada fluorescente compacta de 23 Watts e fator de potência de 0,58, marca Osram. A seguir, na Fig. (1) observamos seu espectro harmônico. Figura 1. Espectro harmônico da lâmpada fluorescente compacta de 23W. Fonte (Almeida, 2004). Para o ar-condicionado, o consideramos sendo acionado por um inversor de frequência a três fios, portanto, o espectro harmônico observado na Fig. (2) é o do inversor de frequência. O fator de potência do ar-condicionado é de 0,987. Figura 2. Espectro harmônico do inversor de frequência. Fonte (Rocha, 2006). O computador utilizado para as análises é da marca Compag, e sua contribuição harmônica é apresentada a seguir, na Fig. (3).

3 Figura 3. Espectro harmônico do computador. Fonte (Almeida, 2004). Os valores de corrente que serão inseridos nas simulações, foram obtidos de acordo com os perfis das cargas conectadas à rede e também, da porcentagem de cada carga em relação à potência de cada transformador. A Tabela (1) mostra a divisão de potência de cada tipo de carga não linear em valor percentual da potência total. Esses valores foram arbitrados com referência a valores reais. Para a inserção das amplitudes de correntes em ampères nas barras das cargas através de fontes de corrente da planta, foram realizados cálculos com base nos histogramas de distorção apresentados anteriormente e com base na Tab. (1) que mostra a potência instalada de cada carga. Para as simulações, será considerada até a décima quinta harmônica. Os valores obtidos da amplitude de cada harmônico para cada uma das cargas são apresentados na Tab. (2). Tabela 1. Divisão de potência por equipamento. CARGA TOTAL CARGA 1 CARGA 2 CARGA 3 CARGA 4 CARGA 5 CARGA 6 Iluminação 25% 45,2 12,38 12,38 7,43 5,57 3,72 3,72 Ar-condicionado 20% 36,16 9,91 9,91 5,94 4,46 2,97 2,97 Computadores 20% 36,16 9,91 9,91 5,94 4,46 2,97 2,97 Cargas lineares 35% 63,28 17,34 17,34 10,4 7,8 5,2 5,2 Tabela 2. Valor das correntes harmônicas em cada carga. Harmônico Fontes de corrente Ih1 (A) Ih2 (A) Ih3 (A) Ih4 (A) Ih5 (A) Ih6 (A) 3 146, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Correntes de sequência zero A corrente de sequência zero irá aparecer quando o sistema utilizar a terra como referência e ocorrer uma circulação dessa corrente por ela.

4 Alguns fatores devem ser observados, para determinação da existência, ou não, da corrente de sequência zero. Na não existência de um caminho fechado, para que ocorra a circulação da corrente de sequência zero, a impedância de sequência zero desse circuito será infinita. Nos transformadores em que existir um dos lados com uma conexão em delta, haverá um fluxo circulante dessa corrente de sequência zero dentro dos enrolamentos desse transformador. Uma das condições para que ocorra essa circulação, é a necessidade da circulação dessa corrente de sequência zero, em outro enrolamento desse mesmo transformador, e essa circulação deverá ocorrer no sentido oposto ao da primeira conexão (SCHWEITZER). Como o transformador utilizado no sistema é um transformador comercial e usualmente utilizado, conexão em triângulo no primário e estrela aterrado no secundário, as correntes de terceira harmônica estarão confinadas no lado de baixa do transformador, ou seja, no lado de 380 V. Por esse motivo, todas as correntes harmônicas múltiplas da terceira, consideradas no nosso trabalho serão de sequência zero. As correntes de terceira, nona e décima quinta harmônica não circularão no gerador, apenas entre as fontes harmônicas e os transformadores, e a malha irá se fechar pelo neutro dos mesmos. E para as cargas ligadas a três fios, como os inversores de frequência, não há também a circulação dessas harmônicas de sequência zero Mudança da fonte de alimentação Algumas redes comerciais, como Shoppings Centers, possuem grupos geradores para fornecer energia, ao invés da concessionária, em horário de ponta ou em situação de interrupção de energia. Quando há elevados distúrbios na rede devido às cargas não lineares, o sistema de controle do grupo gerador pode interpretar como condição anormal (KUMAR, 2004), impedindo sua perfeita operação. O maior efeito desses distúrbios em máquinas rotativas (indução e síncrona), é o aumento do aquecimento devido ao aumento das perdas no ferro e no cobre (POMÍLIO, 2010), assim a proteção do gerador atua. O gerador síncrono do grupo gerador possuí uma impedância bem maior do que o transformador de interligação com a concessionária, o que faz com que as mesmas cargas não lineares provoquem uma maior distorção na tensão. O entendimento das propriedades e consequências dos harmônicos tornam possível realizar projetos para adequação de equipamentos aos efeitos desses distúrbios na rede. Assim, o uso dos GMG, substituindo a energia da concessionária durante o intervalo de tempo do horário de pico, garantiria uma economia nas indústrias com esses problemas. 3. RESULTADOS DA SIMULAÇÃO Após o levantamento de todos os parâmetros necessários, foi possível a modelagem da rede. A seguir, nas Fig. (4) e Fig. (5) é mostrado o diagrama da modelagem com alimentação pela concessionária e alimentação dos geradores. Figura 4. Diagrama com alimentação da concessionária. Fonte (Própria).

5 Figura 5. Diagrama com alimentação dos geradores. Fonte (Própria). A seguir, mostramos o diagrama de sequência zero, que é o mesmo tanto para a alimentação com a concessionária quanto com os geradores. Figura 6. Diagrama para sequência zero. Fonte (Própria). As análises foram realizadas com base nos valores de cada harmônico circulante na rede, separadamente. Os pontos de medição de tensão da concessionária utilizados foram: na barra de média tensão e nas cargas. Para a corrente, o ponto de medição utilizado foi o primário do transformador 1. Os pontos de medição de tensão do grupo gerador foram: na barra de média tensão, no próprio gerador e nas cargas. Para a corrente, o ponto de medição utilizado foi o primário do transformador 1. Para uma boa observação, de como as correntes harmônicas irão influenciar no sistema com a entrada do grupo gerador no horário de ponta, apresentamos a seguir nas Fig. (6) e Fig. (7) as formas de onda da tensão na barra geral com alimentação da concessionária e dos geradores respectivamente.

6 Figura 7. Forma de onda de tensão na barra com alimentação da concessionária. Fonte (Própria). Figura 8. Forma de onda de tensão na barra com alimentação do grupo gerador. Fonte (Própria). Essa diferença na forma de onda da tensão ocorre devido à diferença da impedância da concessionária e do gerador, sendo que a impedância do gerador é muito maior que a impedância da concessionária. Portanto, a queda de tensão harmônica no gerador será maior. Comparando os valores obtidos aos valores admissíveis, podemos observar valores muito acima dos recomendados. Essas distorções podem afetar no desempenho das máquinas, principalmente gerando sobreaquecimentos e influenciado negativamente no Regulador Automático de tensão, o que pode vir a acarretar num erro de leitura dos equipamentos e na atuação de proteções, impedindo assim a entrada do grupo gerador para a alimentação do sistema (CATERPILLAR, 2008). Para que se possa diminuir a distorção harmônica na barra de carga e no gerador em si, é necessário que haja a mitigação das harmônicas com maior relevância na planta, o que de acordo com bibliografias levantadas e recomendações da IEEE, pode ser feita com o dimensionamento de filtros passivos sintonizados. O filtro utilizado foi um filtro passivo sintonizado conectado em paralelo com as cargas. A filtragem foi feita para as correntes harmônicas de quinta e sétima ordem, que são as que mais influenciam nas distorções pelo fato de não termos a circulação das correntes de terceira harmônica na barra do transformador, com os filtros conectados em paralelo em cada umas das cargas na planta, totalizando 12 filtros Resultados da simulação com filtros passivos de quinta e sétima ordem Para dimensionamento dos filtros, primeiramente foi calculado um valor de potência reativa que corrigisse o fator de potência do sistema para 0,99. Com esse valor conseguimos obter o valor da reatânica e da capacitância. A seguir, determinamos a frequência em que iríamos sintonizar o filtro (290Hz para quinto harmônico e 410Hz para sétimo harmônico), podendo assim calcular o valor da indutância. E utilizado um fator de qualidade de 50, conseguimos calcular os valores de resistências a serem utilizadas no circuito. Todos os valores obtidos são apresentados a seguir na Tab. (3).

7 Tabela 3. Valores calculados dos parâmetros do filtro. Xc (Ω) C (Faraday) C comercial (Faraday) L (mh) R (mω) 5 (290 Hz) 7 (410 Hz) 5 (290 Hz) 7 (410 Hz) CARGA 1 0, , , , , , , CARGA 2 0, , , , , , , CARGA 3 1, , , , , , , CARGA 4 2, , , , , , , CARGA 5 3, , , , , , , CARGA 6 3, , , , , , , Após a inserção dos filtros, obtivemos a seguinte forma de onda de tensão na barra com a alimentação do grupo gerador: Figura 9. Forma de onda de tensão na barra com alimentação do grupo gerador. Fonte (Própria). 4. CONCLUSÃO 4.1. Fluxo harmônico na planta Foi possível verificar que as contribuições harmônicas proveniente das cargas não lineares instaladas, distorcem as formas de onda a valores maiores das recomendáveis pela ANEEL. Isto se deve à quantidade e ao perfil de espectro harmônico das cargas. Percebeu-se que o caminho preferível das correntes é pela impedância da concessionária, devida ao seu baixo valor de impedância em relação ao sistema. Devido ao baixo valor de impedância da concessionária, a distorção harmônica na barra principal é baixa, forma de onda próxima de uma senoide. O mesmo efeito não pode ser observado quando a planta é alimentada pelo grupo gerador. Tendo que a impedância do gerador é muito maior que o valor da impedância da concessionária, há uma alta distorção harmônica de tensão na barra apresentada. As reatâncias dos filtros harmônicos em paralelo com a reatância do sistema propiciam um valor de ressonância diferente do valor para quais foram sintonizados. Porém, com os valores obtidos nas simulações, observamos que esses valores de freqüência de ressonância não coincidem com as freqüências harmônicas circulantes na planta. Com a presença dos filtros corretamente dimensionados, os resultados obtidos da mitigação da influência harmônica foram satisfatórios. Como citado anteriormente, a contribuição harmônica da planta é muito elevada. Logo, os filtros passivos deverão suportar elevados valores de corrente para reduzir o conteúdo harmônico a valores recomendados. Para tal efeito foi necessário aumentar a potência reativa do filtro e sobredimensionar a tensão nominal do capacitor a um valor acima da tensão do sistema, para que o dielétrico suporte sobretensão e sobrecorrente elevada. Porém, quanto maior a potência fornecida pelo filtro e maior a classe de isolação do capacitor, aumenta o custo agregado a ele. A ferramenta de simulação, Simpower do MatLab, nos possibilitou a realização de simulações mudando os parâmetros dos filtros. Assim foram analisados os resultados, chegando a valores adequados de fator de dessintonia e qualidade dos filtros para que reduzissem as distorções harmônicas a níveis menores. Também se atentando aos valores de tensão e corrente suportáveis pelo capacitor.

8 Com adição dos filtros passivos sintonizados, houve um decréscimo de corrente que circula pela impedância do gerador, desviando boa parte da corrente harmônica para os filtros. Portanto, a adição de filtros harmônicos na planta propicia um melhor desempenho do grupo gerador, em relação à rede com harmônicos, não afetando sua vida útil por aquecimento. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a UTFPR (Universidade Tecnológica Federal do Paraná) e aos colaboradores pelo suporte oferecido. 6. REFERÊNCIAS ALMEIDA, L. E. José, Dissertação de Mestrado Utilização de Lâmpadas Fluorescentes Compactas (LFCs) Associadas a Outras Cargas Não Lineares seus Impactos em um Sistema de Distribuição. Itajubá ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica, Resolução Normativa N 414 de 9 de setembro de Disponível em: Acessado em: Abril de ANSI/IEEE C , IEEE Guide for Protective Relay Applications to Power Transformers, section Negative Sequence Relays. CATERPILLAR, Generator Systems. Application and Installation Guide, Caterpillar, CHAIRMAN, Wagner V. E., Effects of Harmonics on Equipment, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 8, No. 2, April IEEE std IEEE Guide for Application and Specification of Harmonic Filters. New York, USA, IEEE std Recomended Pratices and Requirements for Harmoni Control in Eletric Power Systems. New York, USA, KUMAR, Suresh, Non-linear Loads and Their Interactions with the Diesel Generators Units, India, Artigo. National Institute of Technology Calicut. Disponível em: Curitiba, acessado em: Maio de POMILIO, José Antenor. Fontes Chaveadas. Apostila Didática. Disponível em: Acessado em: Outubro de ROCHA, J. E. SANCHEZ, W. D. C..br/ Arquiteturas Elétricas Adotadas nos Aerogeradores Discussões sobre harmônicos. Artigo. Disponível em: congressos/iii%20sbse%20- %202010/PDF/SBSE PDF, Curitiba, Acessado em: Setembro de SCHWEITZER, Como medir as componentes simétricas de um sistema elétrico trifásico? Apostila técnica, Schweitzer Engineering Laboratories, Commercial LTDA. 7. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos neste trabalho.

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