QEE Harmônicos Técnicas de Mitigação
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- Cármen Marisa Coimbra Valverde
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1 QEE Harmônicos Técnicas de Mitigação Universidade Federal de Itajubá UNIFEI Grupo de Estudos da Qualidade da Energia Elétrica GQEE Centro de Excelência em Redes Elétricas Inteligentes CERIn Prof. Fernando Nunes Belchior, Dr
2 Harmônicos: são ondas senoidais, de tensão ou de corrente, cujas frequências são múltiplas inteiras da frequência fundamental. ONDA DISTORCIDA ASPECTOS BÁSICOS Conceituação COMPONENTE em 60 Hz (FUNDAMENTAL) = (Fourier) + + COMPONENTE em 180 Hz (3ª Harmônica) COMPONENTE em 300 Hz (5ª Harmônica)
3 v(t) ASPECTOS BÁSICOS Valores RMS e de Pico em Sinais Distorcidos V pico? t V rms? v(t) V 1m 1 V1 V m ( rms) V 2 V hm h ( rms ) 2 V hm t
4 BARRAMENTO ASPECTOS BÁSICOS Valores RMS e de Pico em Sinais Distorcidos I1 v(t) i(t) Ih Pico V 1 V h Eficaz max pico 1m hm h2 V V V max pico 1m hm h2 I I I h h2 V V V rms rms h h2 I I I
5 ASPECTOS BÁSICOS Indicadores de Distorção Harmônica Tensão Corrente Distorção Harmônica Individual DIT h Vh % 100 V 1 DII h Ih % 100 I 1 Distorção Harmônica Total DTT h2 V 1 V 2 h 100 DTI h2 I 1 I 2 h 100 Valor Eficaz Verdadeiro True RMS V V 1 DTT h1 2 2 h 1
6 EXERCÍCIO
7 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Aumento do número de pulsos de conversores; Filtros Harmônicos.
8 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Aumento do número de pulsos de conversores h p. k 1 Onde k = 1,2,3,... p número de pulsos 6 pulsos Harmônicas de ordens 5 a, 7 a, 11 a, 13 a,... defasagem 360º p 12 pulsos (30º) Harmônicas de ordens 11 a, 13 a, 23 a, 25 a pulsos (15º) Harmônicas de ordens 23 a, 25 a, 47 a, 49 a...
9 Arranjo de 6 Pulsos Principais Aplicações da Ponte Retificadora Trifásica VSI, UPS,.. CA + CC Tração Elétrica - Eletrólise Aquecimento
10 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Constituição Física - Retificação de 6 Pulsos Carga RL v Indutor de Alisamento (Filtro) Geração Equivalente Transformador Isolador i Retificador Trifásico vd i d Carga Suprida V d p i d v a L a i a T 1 T 3 T 5 0 v b L b i b v d V d RL v c L c i c Vrms = 440V, R=25Ω, L=50mH T 4 Prof. Fernando Nunes Belchior m Itajubá, outubro de 2014 T 6 T 2
11 Formas de Onda das Tensões e correntes no Retificador de 6 pulsos Carga RL Condições Ideais Corrente do lado CA MÉTODOS DE MITIGAÇÃO 40 [A] Vrms = 440V, R=25Ω, L=50mH ,05 0,06 0,07 0,08 0,09 [s] 0,10 (f ile 6pulsos_RL_Ideal.pl4; x-v ar t) c:x0004a-x0002a Espectro Harmônico das Correntes do lado CA THD=26,357% Harmônicos Característicos 6k±1 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25,
12 Formas de Onda das Tensões e correntes no Retificador de 6 pulsos Carga RL Condições Ideais 1600 [V] 1200 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Tensão no elo CC Vrms = 440V, R=25Ω, L=50mH ,05 0,06 0,07 0,08 0,09 [s] 0,10 (f ile 6pulsos_RL_Ideal.pl4; x-v ar t) v :XX0006-XX0007 Harmônicos Característicos 6k 6, 12, 18,
13 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Constituição Física - Retificação de 6 Pulsos Carga RC Vrms = 440V, R=30Ω, C=100uF p i d v a L a i a T 1 T 3 T 5 0 v b L b i b v d V d RC v c L c i c T 4 T 6 T 2 m
14 Formas de Onda das Tensões e correntes no Retificador de 6 pulsos Carga RC 60 Condições Ideais [A] Corrente do lado CA MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Vrms = 440V, R=30Ω, C=100uF ,05 0,06 0,07 0,08 0,09 [s] 0,10 (f ile 6pulsos_Ideal.pl4; x-v ar t) c:x0004a-x0002a Espectro Harmônico das Correntes do lado CA THD=62,66% Harmônicos Característicos 6k±1 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25,
15 Formas de Onda das Tensões e correntes no Retificador de 6 pulsos Carga RC Condições Ideais 1600 [V] 1200 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Tensão no elo CC Vrms = 440V, R=30Ω, C=100uF ,05 0,06 0,07 0,08 0,09 [s] 0,10 (f ile 6pulsos_Ideal.pl4; x-v ar t) v :XX0006-XX0007 Harmônicos Característicos 6k 6, 12, 18,
16 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Arranjo de 12 Pulsos 2 conjuntos de 6 Pulsos i YP Y Y i YS i TOTAL i YP Y i S
17 (A) Concepção Física MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Arranjo de 12 Pulsos 2 conjuntos de 6 Pulsos Graph (A) i YS i YP Correntes de Linha para o Ramo Y-Y t(s) Graph i i YP S Correntes de Linha para o Ramo Y t(s)
18 (A) MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Arranjo de 12 pulsos Graph InY% t(s) Ordem Harmônica
19 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Arranjo de 12 pulsos Ex: Eliminação da 5 a harmônica P S I 5YY I 5YY
20 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Arranjo de 12 pulsos Ex: Eliminação da 5 a harmônica P S I 5YY I 5YY S I1 Y
21 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Arranjo de 12 pulsos Ex: Eliminação da 5 a harmônica P I5Y P S I 5YY I 5YY S I1 Y
22 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Arranjo de 12 pulsos Ex: Eliminação da 5 a harmônica P I5Y P S I 5YY I 5YY S I1 Y
23 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Arranjo de 12 pulsos Ex: Eliminação da 7 a harmônica P S I 7YY I 7YY
24 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Arranjo de 12 pulsos Ex: Eliminação da 7 a harmônica P S I 7YY I 7YY S I1 Y
25 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Arranjo de 12 pulsos Ex: Eliminação da 7 a harmônica P I7Y P S I 7YY I 7YY S I1 Y
26 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Arranjo de 12 pulsos Ex: Eliminação da 7 a harmônica P I7Y P S I 7YY I 7YY S I1 Y
27 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Arranjo de 24 pulsos Y Y o 0 P=6 Y o 30 P=6 P=12 Y o 15 P=6 P=24 Y o 45 P=6 P=12
![Corrente [A] Corrente [A] MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Simulações: 24 pulsos com Zigue-Zague 400 [A] 300 200 100 300 250 Espectro Harmonico ponto 5 0-100 -200-300 200 150 Fase A Fase B Fase C -400 0,05 0,06](/docs-images/82/85158342/images/28-2.jpg "0,07 0,08 0,09 [s] 0,10 (f ile 24pulsos_zz.pl4; x-v ar t) c:x0275a-x0001a c:x0275b-x0001b c:x0275c-x0001c Pontos 5, 6, 7, 8 DTI =21,7%.")
28 Corrente [A] Corrente [A] MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Simulações: 24 pulsos com Zigue-Zague 400 [A] Espectro Harmonico ponto Fase A Fase B Fase C ,05 0,06 0,07 0,08 0,09 [s] 0,10 (f ile 24pulsos_zz.pl4; x-v ar t) c:x0275a-x0001a c:x0275b-x0001b c:x0275c-x0001c Pontos 5, 6, 7, 8 DTI =21,7% Ordem Harmônica (h) 900 [A] Espectro Harmonico ponto Fase A Fase B Fase C ,05 0,06 0,07 0,08 0,09 [s] 0,10 (f ile 24pulsos_zz.pl4; x-v ar t) c:x0227a-x0271a c:x0227b-x0271b c:x0227c-x0271c 100 Pontos 2 e 4 - DTI =7,1% Ordem Harmônica (h)
29 Corrente [A] MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Simulações: 24 pulsos com Zigue-Zague 900 [A] Espectro Harmonico ponto Corrente [A] 300 Fase A Fase B Fase C ,05 0,06 0,07 0,08 0,09 [s] 0,10 (f ile 24pulsos_zz.pl4; x-v ar t) c:x0291a-x0159a c:x0291b-x0159b c:x0291c-x0159c Ponto 3 - DTI =5,6% [A] Ordem Harmônica (h) Espectro Harmonico ponto Fase A Fase B Fase C ,05 0,06 0,07 0,08 0,09 [s] 0,10 (f ile 24pulsos_zz.pl4; x-v ar t) c:x0087a-x0084a c:x0087b-x0084b c:x0087c-x0084c Ponto 1 - DTI =4,1% Ordem Harmônica (h)
30 Filtros ativos Injeção de corrente MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Filtros de Harmônicos - Introdução Filtros passivos RLC Filtros eletromagnéticos
31 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Filtros Ativos Injeção de corrente harmônica com mesma magnitude do ponto de conexão, porém com ângulo de fase oposto, ou seja, 180º. MOSTRAR VÍDEO DE FILTRO ATIVO DA ABB
32 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Filtros Passivos Amortecidos São circuitos RLC em diversas combinações. São capacitivos à frequência fundamental e apresentam baixa impedância predominantemente resistiva para frequências superiores à frequência de sintonia.
33 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Filtros Passivos Sintonizados Z Circuitos ressonantes formados por elementos RLC em série ou em combinações série-paralela. Para frequências inferiores à de sintonia, são capacitivos, e para frequências superiores à mesma, são indutivos. COMPENSAÇÃO DE REATIVOS À FREQUÊNCIA FUNDAMENTAL, dada que ela será sempre menor que a frequência de sintonia. uma frequência; duas frequências; três frequências. Φ
34 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Ressonância Paralela Circuito equivalente
35 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Ressonância Paralela Como faço para calcular tensões e correntes harmônicas?
36 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Ressonância Paralela V B(h) pode se tornar muito grande!!
37 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Ressonância Série Circuito equivalente V B(h) pode se tornar muito grande!!
38 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Ressonância Série ou paralela? Paralela Série
39 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Limites para Capacitores Normatização (NBR 5060): Valor eficaz da tensão 110%V nominal (12 / 24hs); Valor de pico da tensão 120% V Pico-nominal ; Valor eficaz da corrente 131% I nominal ; Potência reativa de operação 144% Q C-nominal.
40 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Limites para Capacitores Exemplo 1 Suportabilidade: IEEE x NBR 5060 Capacitores Dados do banco de capacitores: Potência nominal: Tensão nominal: Tensão de operação: Compensação: Corrente fundamental nominal: Frequência fundamental: Reatância capacitiva: kvar V (fase-fase) V (fase-fase) kvar 50,2 A 60 Hz 158,7
41 Limites para Capacitores Exemplo 1 Distribuição harmônica de tensão no barramento: Capacitores Ordem Freqüência Tensão harmônica Tensão harmônica Corrente de linha (% harmônica (Hz) (% fundamental) (V) fundamental) , ,
42 Limites para Capacitores Exemplo 1 Distorção harmônica total de tensão (DTT): 5% Tensão do capacitor (RMS): 7.977,39 V Distorção harmônica total de corrente (DTI): 29% Corrente do capacitor: 52,27 A Tensão de pico Tensão eficaz Corrente eficaz Potência reativa Capacitores Não 100, Não 104, Não 101, Não
43 Limites para Capacitores Exemplo 2 Distribuição harmônica de tensão no barramento: Capacitores Ordem Frequência Tensão harmônica Tensão harmônica Corrente de linha (% harmônica (Hz) (% fundamental) (V) fundamental) , , ,
44 Limites para Capacitores Exemplo 2 Distorção harmônica total de tensão (DTT): 18,02% Tensão do capacitor (RMS): 8.094,88 V Distorção harmônica total de corrente (DTI): 172,4% Corrente do capacitor: 99,9 A Capacitores Calculado (%) Limites normalizados IEEE (%) Limites normalizados NBR (%) Limites excedidos Tensão de pico Tensão eficaz Corrente eficaz Potência reativa Sim 101, Não Sim 129, Não
45 Concepção física MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Filtros Eletromagnéticos de Sequência Zero Estratégia: oferecer um caminho de baixa impedância para as correntes harmônicas de sequência zero.
46 Concepção física (a) Fundamentação operacional: MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Filtros Eletromagnéticos de Sequência Zero Z I.I 0 _ S 0 _ F 0 _C Z0 _ S Z0 _ F I Z 0_ F 0 _ S. I0 _ C Z0 _ F Z0 _ S
47 Concepção física MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Filtros Eletromagnéticos de Sequência Zero (b) Fundamentação matemática: Arranjo didático Arranjo real
48 A interpretação física para a análise anterior é que, idealmente, para a freqüência em questão, a impedância de seqüência zero é igual a zero M M M I I I M L 2L M L 2L L L 2 h j V V V. ) (. M L L V Z Filtro de sequência zero circuitos não-acoplados MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Concepção física Filtros Eletromagnéticos de Sequência Zero
49 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Filtros Eletromagnéticos de Sequência Zero Validação experimental Protótipo Tensão fase-fase (V) Potência trifásica (S) 220 V 2 kva Número de espiras da BP e BA (n) 133 Área bruta do núcleo (A) 26,49 cm 2 Fator de empilhamento 0,95 Comprimento médio da coluna magnética (l) Comprimento médio das culatras (l cul ) Impedância de dispersão (Z disp ) 18,1 cm 3,2 cm 0,1704 Ω
![de ensaio: sistema trifásico equilibrado V=220 [V]; Impedância do sistema: Z sist =](/docs-images/82/85158342/images/50-2.jpg "0,2+j0,754 [Ω]; Carga não-linear: três retificadores monofásicos formando uma unidade")
50 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Validação experimental Filtro de sequência zero Fonte HP 6834 Filtro Eletromagnético de Sequência Zero Impedância do Sistema Carga Não-Linear Tensão de ensaio: sistema trifásico equilibrado V=220 [V]; Impedância do sistema: Z sist = 0,2+j0,754 [Ω]; Carga não-linear: três retificadores monofásicos formando uma unidade trifásica.
51 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Validação experimental Filtro de sequência zero
52 Validação experimental Filtro de sequência zero Corrente de linha na carga Formas de Onda Espectros COMPUTACIONAL Amplitude Fase A A Harmonicas - Amplitudes amostras EXPERIMENTAL Fase (a) h
53 Validação experimental Corrente de linha no alimentador Filtro de sequência zero Formas de Onda Espectros COMPUTACIONAL Amplitude A Harmonicas - Amplitudes 15 Fase A EXPERIMENTAL Fase (a) h
54 Validação experimental Corrente de linha no filtro Filtro de sequência zero Formas de Onda Espectros COMPUTACIONAL 5 4 Amplitude Fase A 2,5 A Harmonicas - Amplitudes EXPERIMENTAL 2,0 1, Fase (a) 1,0 0,5 0, h
55 MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Validação experimental Filtro de sequência zero - Constatações Componentes harmônicas predominantes em concordância com a teoria, com pequenas discrepâncias entre os valores numéricos; Redução considerável da 3ª ordem no sinal provindo das cargas não-lineares monofásicas, devido à absorção das mesmas pelo filtro.
56 OBRIGADO PELA ATENÇÃO!!! Prof. Fernando Nunes Belchior, Dr F I M
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