Harmônicas Compensação. Prof. Origa
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- João Batista Lima Marreiro
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1 Harmônicas Compensação Prof. Origa
2 Compensação de Harmônicas Supressores de Harmônicas Filtros Passivos: redução de armônicas com a modificação da resposta em frequência do sistema. redução de armônicas com alteração da sensibilidade à sequência de fase. robustos / baixo custo / volumosos / dinâmica pobre Filtros Ativos ( compensadores de armônicas ): uso de caves eletrônicas - injeção de corrente ou tensão sintetizada. eficientes / boa dinâmica / alto custo / sensíveis a distúrbios / limitados em potência Dispositivos Híbridos: Construídos a partir da combinação das vantagens das diferentes tecnologias.
3 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Fundamentos : Prover camino de baixa impedância para determinadas ordens armônicas; Camino de baixa impedância proporcionado pela ressonância série. T j j C Ressonância série ( T = ) C f. / f r r.c Frequência de sintonia: f r C Fator de Qualidade: Q. f r r
4 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Características operacionais: Harmônicas Residuais Sistema CA E Distorção devido carga remotas Corrente armônica associada a (E) V Corrente armônica associada a ( J) Corrente armônica remanescente V Distorção na tensão associada a (J) Corrente armônica filtrada J Distorção na tensão associada a (E) Filtro Carga não linear
5 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Diretrizes Para o Dimensionamento Dimensionamento e ajustes dos sistemas de filtragem passiva: pode ser um processo muito exaustivo e lento Requer inicialmente um grande número de informações: conecimento detalado do sistema alimentador no PAC; distorções armônicas produzidas pelas cargas não lineares; distorção armônica na tensão de alimentação; potência reativa a ser compensada; O ajuste dos sistemas de filtragem pode ser realizado: Metodologias no domínio do tempo Metodologias no domínio da frequência
6 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Diretrizes Para o Dimensionamento Domínio do tempo: não revela as causas da degradação do desempeno; condição operacional particularizada; grande esforço computacional; simulação lenta. Domínio da frequência: cálculo de transmitâncias e da resposta em frequência; superposição de efeitos; investigar influência de cada parâmetro individualmente; revela possíveis causas da degradação de desempeno; simulação rápida e sistematizada. Recomendação: Uso combinado das duas metodologias
7 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Procedimentos básicos para o dimensionamento Premissas: na frequência fundamental o sistema deve ser capacitivo para corrigir o FD para cos ɸ; O filtro deve ser ressonante para ordem armônica r. Passo : potência reativa líquida inicial do filtro ( potência nominal do filtro ) Q i Q a Q d P. tg tg a d Qi Q i Q C Q
8 Passo : definição da ordem armônica de sintonia r e potência dos capacitores i n i Q V r r C Na ressonância em r : r C r C i r C C i i r r C. Potência equivalente dos capacitores: C n C V Q ( Reatâncias na frequência fundamental ) ( Reatâncias para a ordem armônica r ) Procedimentos básicos para o dimensionamento Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes)
9 Dimensionamento Procedimentos básicos para o dimensionamento Passo 3: definição da potência nominal e demais parâmetros do filtro Considerando unidades capacitivas padronizadas: Q Cf Q C Cf V Q n Cf C f f. Cf Determinação da reatância indutiva e indutância nominais: f Cf r f f f Potencia reativa nominal: Q f ( Cf Vn f ) Resistência de amortecimento: FQ - Fator de qualidade R f f. FQ r FQ: parâmetro de ajuste que representa uma indicação da máxima quantidade de energia que é armazenada em comparação com a máxima energia dissipada em um intervalo de tempo..
10 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Procedimentos básicos para o dimensionamento Passo 4: verificação das condições de funcionamento dos capacitores Condições operacionais dos capacitores: Avaliar Vcap e verificar se os níveis de tensão, corrente e potência atendem os limites operacionais necessários para garantir a expectativa de vida útil. Vcap Vcap Atendimento aos limites estabelecidos na norma EEE 8- ( regime permanente ). Grandezas imites (% valores nominais) Tensão de pico Tensão RMS Corrente RMS 35 Potência reativa 35
11 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Procedimentos básicos para o dimensionamento Passo 4: verificação das condições de funcionamento dos capacitores Avaliação das condições operacionais dos capacitores ( requisitos mínimos na r ): S x t V. n. S r t r V r f 3. r Cf r f r S r J r T f f f r V Y C r f Cf r VC 3V. r Y C r Sr V TY C Y Y V V C C r V 3 T C V. TY C V Ypico C Y Y (VC V ). C r V pico C (VC V ). C r Q T C 3V. T C. T f
12 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Procedimentos básicos para o dimensionamento Passo 4: verificação das condições de funcionamento dos capacitores Avaliação das condições operacionais dos capacitores ( abrangente ): Metodologia da reposta em frequência das transmitâncias armônicas: Filtro: filtro Qfiltro Rfiltro Zs U Sistema: SCC Vn x/r Transformador : St t% Vcap Medição / avaliação das fontes armônicas: E J Definir um novo nível de isolamento para os capacitores;
13 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Procedimentos complementares para o dimensionamento Passo 5: condições de contorno para adequação do projeto Definir detuning na frequência de ressonância do filtro; Definir novo fator de qualidade para o filtro; Subdividir o filtro em novos braços sintonizados; Mudar a topologia do filtro; Outros procedimentos complementares.
14 Análise do Desempeno Otimização (detuning, braços, fator de qualidade) Otimização da filtragem ( ajustes na topologia dos ramos ressonantes ) : Nível de compensação reativa ( QT ); Alocação da potencia reativa por braço ( Q + Q + Q Qn = QT ); Dessintonização das ressonâncias dos braços ( fr, fr, fr3... frn ). Método convencional : aproximações sucessivas ( tentativa e erro ) + ( simulações no domínio do tempo ) (*) Método alternativo : resposta em frequência das transmitâncias + ( técnicas de otimização )
15 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Otimização (detuning, braços, fator de qualidade) Objetivos: minimizar a distorção da tensão no barramento da carga : u minimizar a distorção na corrente de alimentação : i Função a ser minimizada : f(x) = PT. DTHT + P. DHT PT e P - pesos Procedimentos admissíveis: ajuste das variáveis e C f(x) = f (, C,, C, 3, C3,... n, Cn ) n braços ressonantes
16 p s T Z Z Z p s T Desprezando-se R: s cc. mpedância total equivalente: p s a Z Z Z A p s x Z Z Y p s a s Y Z Z Z Z Z p s a Z Z Z B Transmitâncias p indutivo p capacitivo Resposta em frequência das transmitâncias otimização Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes)
17 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Resposta em frequência das transmitâncias ( potencia reativa capacitiva) Redistribuição da potência reativa de compensação entre os braços b (33.3%) b (33.3%) b3 (33.3%) b (7%) b (%) b3 (%)
18 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Resposta em frequência das transmitâncias ( detuning ) Ajustando-se os capacitores ou os indutores ( mais utilizada ) Sintonias: 5.f / 7.f /.f Sintonias: 5.f / 6.6.f /.f
19 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Ajustes dos Filtros Ressonantes Fonte armônica - E Tensão nominal do sistema (V) Freqüência nominal ( Hz) 6 Relação /R no PAC 5 (Scc no PAC) / (Pativa da carga) 4 Potência aparente da carga linear (kva), Fator de deslocamento na carga,7 Tensão (E) Corrente (J) H % E Graus % J Graus,,, -44,8 3, -3, 3,, 5,5,,, 6,3,,, 7,, 5, -, 9,5, 5,,,, 9,, 3,, 8, -45, DHT(%) 3,47-8,43 - U E J Fonte armônica - J
20 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Resultados sem otimização: Dimensionamento dos filtros braço braço braço 3 Fator de qualidade Contribuição para correção do Fd (%) 33,33 33,33 33,33 Ordem armônica de sintonia original 5 7,5 (J) THD=8,4,5 (E) THD=3,5% -,5 (U) THD=7,% -,5 () TDH=4,4%
21 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Ajustes de Filtros Ressonantes ( redistribuição da potência reativa ) Dimensionamento dos filtros ( inicial ) braço braço braço 3 Fator de qualidade Contribuição para correção do Fd (%) 53, 3,6 4, Ordem armônica de sintonia original 5 7 Critério de Otimização (PT=,5 e P=,5) Índice Uniforme Otimizado % DHT 4,4 5, 37,9 DTHT 7, 3, 55,,5 J U,5 E 5 J Distribuição uniforme da potência reativa (sem otimização) -,5 -, ,5 J(t) u(t),5 e(t) i(t) 5 J Distribuição otimizada da potência reativa (otimizado) 5 5 -,5 -,
22 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Ajustes de Filtros Ressonantes ( dissintonia das ressonâncias ) Dimensionamento dos filtros ( inicial ) braço braço braço 3 Fator de qualidade Contribuição para correção do Fd (%) 33,33 33,33 33,33 Ordem armônica de sintonia original 4,97 7,34,98 Critério de Otimização (PT=,5 e P=,5) Índice Uniforme Otimizado % DHT 4,4 5,9 36,9 DTHT 7, 3,7 48,,5,5 J U E 5 J Ressonâncias sintonizadas (sem otimização) 5 5 -,5 -, Ressonâncias dessintonizadas (otimizado),5 J(t) u(t),5 e(t) i(t) 5 5 J 5 -,5 -,
23 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Topologias usuais Filtros Sintonizado ( passa banda ): Alternativa simples e econômica; Eficaz na frequência de sintonia, devido a baixa impedância; Baixa influencia para armônicas distantes da sintonia Filtros Amortecido simples ( passa alta ): Boa eficiência na frequência de sintonia e frequências armônicas superiores; Tipicamente utilizado em frequências mais elevadas( a partir da 7 ordem) Altas perdas no resistor ( à frequência fundamental) Filtros Amortecido Tipo C ( passa alta ): Alternativa simples e econômica; Eficaz na frequência de sintonia, devido a baixa impedância; Baixa influencia para armônicas distantes da sintonia
24 Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes) Filtros Ressonantes ( arranjos usuais resposta em frequência ) Sintonizados e amortecidos simples Amortecido Tipo C Z(Ω) Rp=Ω Z(Ω) Rp=5Ω Rp=5Ω Rp=5Ω Zf ( ) R A S Zf ( ) s j...c j..c R p ( R s j.. s Zf C ( ) j..c Rp Rs j.. j..c
25 Compensação de Harmônicas (Filtros de Sequencia) Fundamentos: Bloqueio do fluxo das componentes de sequencia zero das correntes; Confinamento do fluxo das componentes de sequencia zero das correntes; Aplicações: filtro para componentes armônicas de sequencia zero (triplens); atenuação dos desequilíbrios devido a cargas monofásicas. Vantagens: dispositivos robustos e confiáveis; custos relativamente reduzidos; não criam novas ressonâncias paralelas; Atuam sobre todo o espectro armônico de sequencia zero.
26 Compensação de Harmônicas (Filtros de Sequencia) Filtro Eletromagnético de Sequência Zero baixa impedância para as componentes armônicas de sequência zero; conexão paralela. Arranjo eletromagnético: indutâncias próprias dos enrolamentos; m indutâncias mútuas entre enrolamentos de uma mesma coluna magnética; M indutâncias mútuas entre enrolamentos de colunas magnéticas adjacentes; V V V V RN PR AS RN V PR V j j R R AS m m T S M( M( R R j R ( ) ( m T S M R S T T S ) ) )
27 ]..[ m j V. k i m ]..[ i k j V Filtro Eletromagnético de Sequência Zero Desempeno para Sequência Zero: ) ( ) ( m M j V T S R Desempeno em Sequência Positiva e Negativa:. S. T R ) ( ) ( m M j V ) ( ) ( m M j V ) ( ) ( m M j V,, ]. 3.[ m M j V k M i Compensação de Harmônicas (Filtros de Sequencia) 5, i, ]. k,.[ j V
28 Compensação de Harmônicas (Filtros de Sequencia) Filtro Eletromagnético de Sequência Zero Arranjo banco de monofásicos Arranjo com núcleo trifásico mpedância de Sequência ( Zero) : Z f r j f f k i mpedâncias de Sequência (+) e (-): Z r j, 5k, f, f f i i
29 Compensação de Harmônicas (Filtros de Sequencia) Carga não inear Distribuição por fase Correntes de alimentação Distribuição Sequencial SEQUENCA ORDENS HARMONCAS Positiva =,4,7... ou (3m+) Zero = 3,6,9... ou (3m+3) Negativa =,5,8,... ou (3m-) m =,,,3...
30 Compensação de Harmônicas (Filtros de Sequencia) Filtro e Sequência Zero ( exemplo ) 5 V componentes de fase FASE R A t e mpo ( ms) DHT=,4% - -3 t e mpos ( ms) DHT=9,5% 4 3 A 3 A t e mpos ( ms) - DHT:75,% -3 t e mpos ( ms)
31 Compensação de Harmônicas (Filtros de Sequencia) Atuação do Filtro e Sequência Zero ( exemplo ) componentes de sequencia DHT=,4% DHT=9,5% DHT:75,%
32 Compensação de Harmônicas (Filtros de Sequencia) Bloqueador Eletromagnético de Sequência Zero alta impedância para as componentes armônicas de sequência zero; conexão série. Arranjo eletromagnético: indutâncias próprias dos enrolamentos; m indutâncias mútuas entre enrolamentos; V R j R m S m T
33 m. j V m.. j V Bloqueador Eletromagnético de Sequência Zero Desempeno para Sequência Zero: T S R Desempeno em Sequência Positiva e Negativa:. S. T R Compensação de Harmônicas (Filtros de Sequencia) m m j V m m, j V, j V, ) ( j V, j V
34 Compensação de Harmônicas (Filtros de Sequencia) Bloqueador Eletromagnético de Sequência Zero Arranjo com núcleo envolvido Arranjo com núcleo envolvente mpedância série de Sequência ( Zero) : Z b rb jb mpedâncias série de Sequência (+) e (-): Z, b, r j b b
35 Compensação de Harmônicas Filtro e Bloqueador de Sequência Zero Objetivos: Prover um camino de baixa impedância para as componentes de sequência zero; Reduzir o fluxo de componentes de sequência zero; Filtro para componentes armônicas triplens ( forte concentração na sequência zero).
36 Compensação de Harmônicas (Filtros de Sequencia) Operação Conjunta Filtro e Bloqueador de Sequência Zero Tensão de alimentação (V) Frequência (Hz) 6 Relação /R a 6 Hz,7 Scc / Pcarga 75 Potência da carga linear (kva),4 Fator de potência da carga linear,87 Nível de compensação do FD (%) 7 CHAVES: S(aberta) S (fecada) S (aberta) Correntes no PAC Espectro da Fase A a b c RMS (A),63,67,64 DT (%) FP,87,87,87
37 Compensação de Harmônicas (Filtros de Sequencia) Operação Conjunta Filtro e Bloqueador de Sequência Zero Seq(+) Seq (-) Seq CHAVES: S(fecada) S (fecada) S (aberta) Correntes no PAC Espectro da Fase A a b c RMS (A),57,56,58 DT (%) 34% 3% 36% FP,9,93,9
38 Compensação de Harmônicas (Filtros de Sequencia) Operação Conjunta Filtro e Bloqueador de Sequência Zero Seq(+) Seq (-) Seq CHAVES: S(fecada) S (aberta) S (fecada) Correntes no PAC Espectro da Fase A a b c RMS (A),53,53,53 DT (%) % % 3% FP,96,95,95
39 Compensação de Harmônicas (Filtros de Sequencia) Operação Conjunta Filtro e Bloqueador de Sequência Zero Seq(+) Seq (-) Seq CHAVES: S(fecada) S (aberta) S (fecada) Correntes no PAC Espectro da Fase A a b c RMS (A),5,5,5 DT (%) 4% 5% 6% FP,97,96,96
40 Compensação de Harmônicas Diretrizes Para Sistemas Híbridos Buscar arranjos que incorporem os aspectos técnicos e econômicos mais atrativos das diferentes tecnologias de filtragem e/ou atenuação de armônicas. Combinação de topologias ressonantes (sintonizados e amortecidos). redistribuição da potencia reativa por braço; dessintonia dos ramos ressonantes (detuning); alteração do nível de compensação reativa; Combinação de tecnologias de filtragem (ressonantes / sequencia / ativos)
41 Compensação de Harmônicas (Híbridos) Arranjo com Filtros Ressonantes e Filtros de Sequência Desempeno somente com filtros ressonantes: Condições na carga Opções de filtragem de 3 Tensão nominal do sistema (V) Freqüência nominal ( Hz) 6 Relação /R no ponto de acoplamento (PAC),7 Relação entre o Scc no PAC e a potência ativa da carga 4, Potência aparente nominal na carga linear (kva), Fator de deslocamento na carga,7
42 Compensação de Harmônicas (Híbridos) Arranjo com Filtros Ressonantes e Filtros de Sequência Desempeno somente com filtros ressonantes: Condições: Ressonantes Carga Fonte Tensão eficaz média (pu),93 DHT média na tensão (%) 6,7 Corrente eficaz média (pu),3,6 DHT média na corrente (%) 8,3 4,3 Fator de potência médio,87,987
43 Compensação de Harmônicas (Híbridos) Arranjo com Filtros Ressonantes e Filtros de Sequência Desempeno somente com filtros ressonantes: Condições na carga k Ι A. J Y. E) k Causas e Efeitos U Z. J B. E k k O resíduo de 4 a armônica na corrente J excitando ressonâncias
44 Compensação de Harmônicas (Híbridos) Arranjo com Filtros Ressonantes e Filtros de Sequência Desempeno somente com filtros ressonantes: CAUSAS Correntes na carga (J) Correntes na fonte () EFETOS DHT = 8,3% DHT = 4,3% Tensões na fonte (E) DHT = % Tensões na carga (U) DHT = 6,7%
45 Compensação de Harmônicas (Híbridos) Arranjo com Filtros Ressonantes e Filtros de Sequência Desempeno somente com filtros ressonantes: s s Amplificação da armônica de ordem 4 : Ι 4 A J Y. E) 4. Não tem excitação
46 Compensação de Harmônicas (Híbridos) Arranjo com Filtros Ressonantes e Filtros de Sequência Desempeno somente com arranjo íbrido: Condições: ibrido Carga Fonte Tensão eficaz média (pu),93 DHT média na tensão (%) 3,3 Corrente eficaz média (pu),3,6 DHT média na corrente (%) 8,3 8,3 Fator de potência médio,87,99
47 Compensação de Harmônicas (Híbridos) Arranjo com Filtros Ressonantes e Filtros de Sequência Desempeno somente com arranjo íbrido: Condições na carga k Ι A. J Y. E) k Causas e Efeitos U Z. J B. E k k O resíduo de 4 a armônica na corrente J excitando ressonâncias
48 Compensação de Harmônicas (Híbridos) Arranjo com Filtros Ressonantes e Filtros de Sequência Desempeno somente com arranjo íbrido: Correntes na carga CAUSAS Correntes na fonte EFETOS DHT = 8,3% DHT = 8,3% Tensões na fonte DHT = % Tensões na carga DHT = 3,3%
49 Compensação de Harmônicas (Híbridos) Arranjo com Filtros Ressonantes e Filtros de Sequência Desempeno somente com arranjo íbrido: s s Não tem excitação J, E Condições para armônica de ordem 4 : Ι 4 A J Y. E) 4. Ι A. J Y. E 4 4 )
50 Compensação de Harmônicas (Híbridos) Arranjo com Filtros Ressonantes e Filtros de Sequência Resumo da Analise comparativa: Índices ( médios ) Híbrido Ressonantes Tensão eficaz média na carga,93 pu,93 pu DHT média da tensão na carga 3,3 % 6,7 % Corrente eficaz na fonte,6 pu,6 pu DHT da corrente na fonte 8,3 % 4,3 % Fator de potência na fonte,99,987 Tensões na Carga: U(t) Correntes na fonte: (t)
51 Compensação de Harmônicas (Híbridos) Arranjo com Filtros de Sequência e Filtro Ativo
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