BEM-VINDO AO WEBINAR Influência das harmônicas na compensação reativa (correção do fator de potência) nas instalações elétricas de baixa tensão

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1 BEM-VINDO AO WEBINAR Influência das harmônicas na compensação reativa (correção do fator de potência) nas instalações elétricas de baixa tensão por: José Starosta

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3 PALESTRANTE: Eng. José Starosta - Especialista em Qualidade de Energia - Presidente da ABESCO - Associação Brasileira das Empresas de Serviços de Conservação de Energia - Diretor da Ação Engenharia. MEDIADOR: Eng. Hilton Moreno Consultor do Leonardo Energy Brasil

4 Influência das harmônicas na compensação reativa (correção do fator de potência) nas instalações elétricas de baixa tensão JOSE STAROSTA AÇÃO ENGENHARIA E INSTALAÇÕES LTDA jstarosta@acaoenge.com.br

5 Por que compensar os reativos??? Regulação de tensão/qualidade de energia Tarifação de reativos Uso racional de energia Melhora da eficiência dos processos conc M M ENERGIA REATIVA ENERGIA ATIVA MOTOR MOTOR conc M M MOTOR MOTOR CAPACITORES

6 A injeção de reativos e o FP Q (kvar) S1 (kva) Q1 S2 (kva) Q2=Q1-Qcap 1 2 Qcap P (kw)

7 Como compensar os reativos Instalar capacitores (via de regra) MAS COMO INSTALAR???

8 kw/kvar Avaliação de P e Q P Q1 Qinj Q hora Avaliação do FP 100,0 95,0 FP 90,0 85,0 FP1 FP2 80,0 75, hora

9 T O R Q U E - S O L D A P O N T O SOLDA A PONTO A Ç Ã O EN G E N H A R I A E I N S T A L A Ç Õ E S V p t p [ V ] L1 L2 L3 A vg /T o t I [ A ] Q [ k V A r ] T im e [S S.m s ]

10 Estamparia -Prensas T O R Q U E -S E E S T A M P A R I A P E S A D A A Ç Ã O EN G E N H A R I A E I N S T A L A Ç Õ E S V p t p [ V ] L1 L2 L3 A vg /T o t Q [ k V A r ] T im e [S S.m s ]

11 Perfil de carga nervoso energia reativa 60 segundos Espectro das Harmônicas da carga

12 Como é o casamento das fontes e das cargas 13,2 kv 690 V 1500 kva 5 % 690 V 1200 kva 1005 Arms 6 pulsos Ztrafo 0,01587 ohm % A Ztrafo V rms 1005 I1 100% 926 0, ,41863 I5 39% 361 0, ,56633 I7 14% 130 0, ,91026 I11 8% 74 0, ,3684 I13 3% 28 0, , I17 5% 47 1, ,1898 I19 3% 23 2, ,51695 Irms/I 1, THD 42% 22,0% M

13 MUDANÇA DE FONTE G M 690 V 1500 kva 15 % 690 V 1200 kva 1005 Arms 6 pulsos Ztrafo 0,04761 ohm % A Ztrafo V rms 1005 I1 100% 926 0, ,2559 I5 39% 361 0, ,699 I7 14% 130 0, ,73078 I11 8% 74 0, ,10519 I13 3% 28 0, ,7398 I17 5% 47 4, ,5693 I19 3% 23 6, ,5509 Irms/I 1, THD 42% 65,9%!!!!!!!!!!!!!!!!

14 M M M T rafo 1000 kva 13,8 kv/380v Gerador 1000 kva 380V Inserção de cargas não lineares-fonte: trafo ZL0 Bus Zrede N.O. N.O. N.O. Bus N.O. Vf I1 Cargas Delta V THDV ZL0 THDI I Perdas Zrede Vf I5 I7 I1 Calor Energia Reativa

15 M M M Inserção de capacitores T rafo 1000 kva 13,8 kv/380v Gerador 1000 kva 380V Zrede ZL0 I5 I7 Vf I1 Bus N.O. N.O. N.O. Bus N.O. Cargas ZL0 Zrede I5 I7 Vf I1

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17 A inserção de capacitores na rede e as harmônicas f ressonância =f(l,c) Harmônicas presentes

18 Combinação fatal A combinação L(rêde) / C( kvar) em um sistema elétrico define uma freqüência de ressonância. A presença de cargas nesta rede, com espectro de corrente ( harmônica) nesta (ou próxima) a esta freqüência causará penetração de corrente no capacitor com queima posterior; ressonância. hr= kvacc/ kvar cap

19 Inserção de capacitores em circuito típico Divisor de corrente A I cap =(Z L /(Z c +Z L ))*I t

20 A superposição de efeitos 60 Hz 300 Hz 420 Hz Z L =jwl Z C = 1/jwC U rms I rms Médias quadráticas

21 Comportamento da impedância com a freqüência 0,5 0,4 Impedâncias de L,C e equiv Zeq Zl Zc Z (ohm) 0,3 0,2 0, frequência-hz 1000 kva / 200 kvar

22 Os capacitores I cap =I 1cap + I hcap U cap =U 1cap + U h cap Se I cap h >>> I cap1 U cap h >>> U cap1

23 Impedância do sistema e injeção de reativo automática frequência de ressonância X Potência do capacitor - Trafo 2000 kva 5 impedância equivalente (ohm) 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Z (200kVAr) Z(400kVAr) Z(600 kvar) Z(0) frequência (hz)

24 13a Aspecto prático da ressonância: Trafo de 1000 kva/5% Banco de 50 kvar: Hr=20 Banco de 100 kvar:hr=14 Banco de 200 kvar: Hr=10 11a 15 a Banco automático=busca pela ressonância 5a 7a

25 A RESSONÂNCIA L 2 jwl1 0 Z 2 1 w C L N 1 1 k Increased N Decreased N I Harmonic Trafo Impedance L 1 C 1. 1 C 1. N DC Motor Harm Source n Resonance Point (5th) Resonance Point (7th) H ar m o n ics G r ap h I M ains L oad1 L 1 - T H D : L 2 - T H D : L 3 - T H D : A m p e r e s H a r m o n ic s

26 M M M Comportamento da impedância com a freqüência 1000 kva / 200 kvar T rafo 1000 kva 13,8 kv/380v Gerador 1000 kva 380V Z (ohm) 0,5 0,4 0,3 0,2 Impedâncias de L,C e equiv Zeq Zl Zc Bus N.O. N.O. N.O. Bus N.O. 0,1 0 Cargas frequência-hz ZL0 ressonância Zrede Vf A I5 I7 I1

27 A ressonância e as correntes nos capacitores S c o p e V - L 1 V - L 2 V - L 3 I1 - L 1 I1 - L 2 I1 - L 3 H ar m o n ics G r ap h I M ains L oad1 V p h I 1 L 1 - T H D : L 2 - T H D : L 3 - T H D : A m p e r e s H a r m o n ic s

28 CCM V PF / Pot. Reativa / THDV / THDI Ressonância COM CAPACITORES SEM CAPACITORES

29 CCM EMERGÊNCIA 460V PF / Pot. Reativa / THDV / THDI Ressonância SEM CAPACITORES COM CAPACITORES

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31 O que fazer na ressonancia paralela???

32 Como calcular a frequência de ressonância paralela? Z C 1 ; j C 1 Z N Z Para quem ama as fórmulas: Z C Z Z LTR LTR 2 LLTR C CL CL j C L Z j L TR LTR TR ; Z L Z Z N j L 1 N 1 N 1 j C 1 j C j L j L 2 1 LC LTR j CL CL N TR j L TR j L TR

33 Um Reator XL1 em série com o capacitor move a freqüência de ressonância para valores menores. A nova freqüência de ressonância se modifica para: Xc=XL+XL1 A nova freqüência de ressonância é deslocada para valores menores da menor harmônica dominante.

34 Solução antirressonante ou Dessintonizada Punto de resonancia (5ta) Punto de resonancia (7ma) 34

35 Soluções Dessintonizadas Definicões A frequência de ressonância se define pelo ponto de ressonância serie. Os reatores conectados em série se definem por valores percentuais, definidos pela relação de sua impedância na frequência fundamental em relação a impedância dos capacitores na mesma frequencia. Reator 60Hz Harmônica 7% 227Hz H3.78 6% 245Hz H % 160Hz H % 252Hz H4.2

36 Solução Dessintonizada de 7% Impedancia (Ohm) Impedance (Ohm) Paso 1 1 Step Paso 2 2 Steps 3 Paso Steps 3 4 Paso Steps 4 5 Paso Steps 5 6 Steps Paso 6 Frecuencia Frequency 36

37 Comportamento com a dessintonia Avaliação das impedâncias de dessintonia Impedâncias 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 - Zc+ZL2 ZL1 Ztot freqüência

38 Impedance (Ohm) Soluções Sintonizadas - Filtros Os filtros passivos são sintonizados próximo a frequência harmônica. 0,25 0,2 0,15 Tuning frequency is just below harmonic frequency Paso1 Paso3 Paso 5 Paso 7 Paso 9 Paso 11 Paso 13 Paso 15 1 Step 2 Steps Paso2 3 Steps 4 Steps Paso4 5 Steps 6 Steps Paso 76 Steps 8 Steps Paso 9 2 Steps 10 Steps Paso Steps 12 Steps Paso Steps 14 Steps Paso Steps 0,1 0,05 0 Frequency 38

39 O que fazer com niveis altos de THDV Desconecte TODOS os capacitores: Se existirem diferenças significativas use solução desintonizada. Não existem diferenças? Solução sintonizada 2 as e 4 as harmônicas altas?- conversores de frequencia com problemas Rede com baixa Pcc - Solução desintonizada em 14% é preferida ao invés de 7% Compensação desbalanceada? somente soluções 14%. Tensões harmônicas sem fontes de corriente - concessionaria. 5as harmonicas e superiores 7% 3as harmonicas e superiores 14% 39

40 O incremento de tensão e a compensação reativa Em sistemas sem ressonância % U= Qcap (kvar). Ztr (%) / Ptr (kva) Elevação abrupta de tensão na presença de capacitores RESSONÂNCIA

41 As correspondências Z(%) Fonte (L) P(kVA) RT Regime Linearidade carga Capacitor (C) Concepção Tipo de Manobra Z Q injetado

42 M M M T rafo 1000 kva 13,8 kv/380v Gerador 1000 kva 380V Geradores e Capacitores Bus Capacitores Gerador N.O. N.O. N.O. Bus N.O. Cargas X

43 O que acontece?????? Sobre-excitação do gerador curva de capabilidade com limitação de alimentação de carga capacitiva. Mudança da impedância da rede, com possibilidades de ressonância, mesmo que não ocorra quando da alimentação pelo trafo. ( efeito apagão ). Trafo/Gerador de 1000 kva com 200 kvar: Mudança da frequência de ressonância da 10ª harmônica para a 5ª harmônica!!!! O capacitor é uma das partes mais sensíveis do sistema, e não suporta desaforos. Quando ele queima, a impedância do sistema muda. Quando bem tratados, duram 15 anos. Injeção de reativo pode não ser adequada ao tempo da carga Culpabilidade

44 Sistemas de compensação de reativos Alguns aspectos de decisão solução

45 Métodos da compensação da Energia Reativa

46 Capacitores, Vnom e V serviço Z cte= 1/WC Q cap =U 2 /Z Se: U serv < U nom ; Q = (U serv / U nom ) 2 (220/380) 2= 0,33 (380/440 ) 2 = 0,75 30 kvar/220, ligado em 380; 0,33 x 30 = 10 kvar Inserção de L em série com C U^~ ZL/ZC ; Nem sempre se pode aproveitar os capacitores existentes na inserção de indutores Se ZL/Zc=7% Ucap = Un/0,93; Se Un=220V; Ucap~237V (além das sobretensões da rede)

47 Manobra: Estática vs. Eletro-Mecânica Vantagens da manobra estática: Isenção de Transientes Prevenção de desgaste de contato Ilimitado número de Conexões e Desconexões Tempo da manobra Manobra Eletro-Mecânica Manobra Estática

48 COMPENSAÇÃO EM TEMPO REAL resumo de características Tempo de resposta Isenção de transientes de manobra Qualidade de energia assegurada Compatibilidade a cargas não lineares Confiabilidade Flexibilidade kw=kva

49 Santos Port, Brazil 12 systems, 3.8 MVAr total

50 1 9 : 3 9 : : 3 8 : : 3 7 : : 3 7 : : 3 6 : : 3 5 : : 3 5 : : 3 4 : : 3 3 : : 3 2 : : 3 1 : : 3 0 : : 3 0 : : 2 9 : : 2 8 : : 2 8 : 0 5 Guindastes T E C O N - P T 3 - S T A R T - U P Ação Engenharia e Instalações Ltda L1 L2 L3 A vg/tot V p t p [ V ] I [ A ] Q [ k V A r ] Tim e [H H :M M :S S ]

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53 Componentes do Sistema Chave estática O Controlador Módulo Capacitor e Indutor

54 1 6 : : : : : : : : : : : : : : : 2 1 C O S I P A -D N % -S C /C C Case-compensação reativa e THDV AÇ AO ENGENHAR IA E INS TALAC OES LTDA 2 L1 L2 L3 A vg /To t V p t p [ V ]P. F P [ k W ] Q [ k V A r ] T H D [ % ] V p t p T im e [H H :M M ]