Low Voltage Products Uma melhoria activa da qualidade Os filtros activos PQF da ABB melhoram o rendimento e a eficiência dos sistemas. Kurt Schipman, François Delincé A crescente utilização de cargas não lineares em todo o tipo de aplicações industriais e comerciais deu lugar à presença de harmónicos que podem ser prejudiciais para a rede eléctrica e provocar o sobreaquecimento dos cabos, motores e transformadores, provocar danos nos equipamentos sensíveis, desligar disjuntores e fundir fusíveis, assim como envelhecer prematuramente a instalação. Os filtros activos e modulares PQF da ABB representam uma solução fiável e rentável para este problema, dados que supervisionam continuamente a intensidade em tempo real para determinar a presença de harmónicos e então injectar correntes harmónicas na rede em fase exactamente oposta à dos componentes que vão ser filtrados. Os dois harmónicos anulam-se entre si para que o transformador de alimentação veja uma onda sinusoidal limpa. As redes com energia eléctrica de má qualidade ocasionam perdas económicas, um impacto negativo no meio ambiente ou problemas de segurança. Existem três causas importantes da qualidade deficiente da energia eléctrica: Poluição harmónica; Desequilíbrio de cargas que provocam desequilíbrios de tensão; Energia reactiva. Quando estas condições ocorrem em excesso, produzem-se falhas frequentes nos equipamentos ou a redução da vida destes, perdas de produção, menores níveis de segurança nas instalações, maior pegada de carbono, incumprimento das normativas do serviço de fornecimento e outros efeitos não desejados. Além das perdas económicas, ocorrem outros custos pelas perdas acrescidas de kwh em componentes típicos da rede, como transformadores, cabos e motores.
Os filtros activos e modulares PQF da ABB são usados para compensar o efeito potencialmente prejudicial dos harmónicos na rede eléctrica. Tais perdas recaem nas centrais eléctricas do serviço de fornecimento público e, dependendo do processo e da fonte da energia eléctrica, aumentam as emissões de CO2. As centrais nucleares, por exemplo, não deixam pegada de CO2 por kwh, enquanto as centrais eléctricas de carbono geram entre 900 e 1.000 g/kwh. Se devido à qualidade deficiente da energia eléctrica a produção deve parar, os custos nos quais se incorre são enormes. Isto fica ilustrado em -1, onde se apresenta uma visão geral das perdas económicas típicas que se produzem por um incidente de qualidade da energia (paragem) em instalações eléctricas de vários sectores industriais [1]. Os dados assinalados com asterisco (*) procedem de um estudo à escala europeia sobre este tema realizado pelo Instituto Europeu do Cobre em 2002. A restante informação é baseada em dados da ABB. Um possível método para quantificar teoricamente as perdas acrescidas que provocam os harmónicos nos transformadores é utilizar a norma IEEE C57.110 [2]. O impacto calculado dependerá das circunstâncias locais, mas o que acontece é que as perdas se acumulam com rapidez. Actualmente, a maior parte da poluição harmónica é criada em forma de corrente harmónica produzida pelas cargas nas instalações individuais. Esta corrente harmónica, injectada na impedância da rede, é convertida em tensão harmónica (lei de Ohm) e de seguida aplicada a todas as cargas das instalações do utilizador. Além disso, a corrente harmónica que se produz numa instalação, se não for filtrada, flui também pelos transformadores de alimentação até à fonte do fornecedor de energia e provoca uma distorção harmónica de tensão na rede pública. Em consequência, qualquer utilizador do serviço que esteja ligado ao mesmo fornecimento será afectado pela contaminação produzida por outro cliente do serviço. Isto pode ocasionar problemas de funcionamento em outras instalações. A maioria das centrais eléctricas adoptaram e cumprem as normas e os regulamentos de qualidade relativos à energia para limitar este tipo de problemas. O incumprimento destas normas conduz à impossibilidade de acesso à ligação de uma nova instalação. 1 Exemplos de perdas económicas devidas a incidentes de qualidade de energia Como abordar a poluição harmónica e o desequilíbrio de carga. Tradicionalmente, foram propostos os filtros passivos como método para reduzir poluição harmónica. Nas instalações de baixa tensão, esta solução aplica-se cada vez menos quando: As instalações de baixa tensão são muito dinâmicas, o que produz uma sobrecarga do filtro passivo relativa mente rápida; As cargas modernas (por exemplo, accionamentos de velocidade variável, modernos sistemas de iluminação) têm já um excelente factor de potência (cosφ) (possivelmente, mesmo capacitivo) que produz um excesso de compensação quando existe um filtro passivo instalado. Se a isto se acrescenta a limitada capacidade dos geradores de reserva para funcionar com factores cosφ capacitivos, a fiabilidade da instalação é reduzida; Os filtros passivos instalados em instalações de baixa tensão devem ser usados para os harmónicos de menor ordem. Actualmente, no entanto, os harmónicos das frequências mais altas são os que apresentam mais problemas nas instalações; A eficiência dos filtros passivos fica definida pela proporção da impedância do filtro passivo e a impedância da rede e, por isso, não pode ser garantida. Em consequência, é praticamente impossível garantir o cumprimento das normas com a utilização de filtros passivos. Estas razões explicam a tendência mundial em abandonar as soluções de filtragem passiva a favor de soluções de filtragem activa em aplicações de baixa e média tensão. Os filtros activos mais comuns são equipamentos eléctricos baseados na electrónica de potência e estão instalados em paralelo com as cargas poluentes -2. O controlador de um filtro de qualidade da energia (PQF) da ABB analisa os harmónicos de corrente na linha, assim como as necessidades do cliente. Deste modo, pode gerar para cada frequência harmónica uma corrente harmónica (corrente de compensação) em oposição de fase à da corrente poluente medida. Dado que o PQF não funciona conforme o princípio convencional de baixa impedância de harmónicos utilizado pelos filtros passivos, permanece inalterável perante as mudanças nos parâmetros da rede e não pode sofrer sobrecarga. Além disso, em comparação com as unidades de filtros passivos, os filtros activos podem ser ampliados com facilidade. Para que o rendimento seja eficaz em toda a largura de banda do filtro, existem dois aspectos de controlo essenciais: o uso de um sistema de controlo em ciclo fechado (closed-loop); a abordagem no domínio das frequências para o processa mento e controlo da corrente poluente. A tendência actual é abandonar as soluções de filtragem passiva em favor das de filtragem activa em aplicações de baixa e média tensão. 2 Uma melhoria activa da qualidade Low Voltage Products
Para os filtros activos, a questão do ciclo fechado (closed loop) e do ciclo aberto (open loop) tem a ver com o local onde serão instalados os transformadores de intensidade (CT) de medida do filtro activo -3. Nos sistemas de ciclo fechado (closed loop), mede-se a corrente anterior à carga e de conexão do filtro e adoptam-se medidas correctivas. Qualquer medida ou outras imprecisões podem ser canceladas automaticamente e compensadas no conceito de ciclo fechado (closed loop). Nos sistemas em ciclo aberto (open loop), a corrente de carga é medida e processada, e o sinal invertido resultante acciona a ponte do transístor bipolar de porta isolada (IGBT). Uma vez que não há feedback, a corrente de linha resultante pode conter normalmente componentes errados que o sistema de controlo não detecta. Em resumo, as vantagens de utilizar um sistema em ciclo fechado (closed loop) em vez de aberto (open loop) são [3]: os sistemas em ciclo fechado (closed loop) permitem cancelar os erros no ciclo de controlo e no comportamento em resposta a perturbações exteriores; os sistemas em ciclo aberto não têm esta possibilidade; os sistemas de controlo em ciclo fechado (closed loop) podem reagir com tanta rapidez como os de ciclo aberto (open loop), desde que os parâmetros do ciclo de controlo sejam ajustados para agirem deste modo. É preferível utilizar a abordagem do domínio de frequências que o do domínio de tempo, de seguida é explicado o motivo. Na abordagem do domínio de tempo, o componente da frequência fundamental é eliminado do sinal de corrente medida. A forma de onda restante é invertida e o sinal resultante acciona a ponte do transístor bipolar de porta isolada (IGBT) do filtro activo. (CT) de medida e do sistema de controlo. O rendimento dos filtros activos com esta abordagem de controlo diminui à medida que aumenta a frequência. Na abordagem do domínio de frequências, cada harmónico e as características correspondentes do sistema são tratadas de forma individual, podendo o rendimento ser optimizado para os componentes harmónicos na largura de banda da filtragem. Consequentemente, é possível manter o mesmo rendimento filtrado (alto) em toda a largura de banda. O princípio em que se baseia a abordagem do domínio de frequências para a filtragem é apresentado em -4. O melhor rendimento de filtragem é conseguido utilizando um filtro activo com sistema de controlo em ciclo fechado (closed loop) e uma abordagem de domínio de frequências individual. Entre outras vantagens destes filtros incluem-se as seguintes: Podem predefinir-se os requisitos do utilizador para cada harmónico (por exemplo, requisito de conformidade normativa). O melhor rendimento de filtragem é conseguido utilizando um filtro activo com sistema de controlo em ciclo fechado (closed loop) e uma abordagem de domínio de frequências individual. 4 Princípio do método de filtragem do domínio de frequências Esta abordagem não considera o facto das características da rede serem diferentes para as distintas frequências, assim como as características dos transformadores de intensidade 2 Diagrama de ligação dos filtros activos mais comuns. 3 Princípio de filtro activo de ciclo fechado(closed loop) e de ciclo aberto (open loop) Low Voltage Products Uma melhoria activa da qualidade 3
Podem seleccionar-se harmónicos individuais para permitir um uso óptimo dos recursos do filtro (por exemplo, não é necessário filtrar o quinto harmónico se este já tiver sido filtrado por outro dispositivo). É possível estabelecer e conservar objectivos precisos para cosφ. Isto permite que os filtros activos funcionem em aplicações nas quais é necessário controlar com precisão o factor cos φ para evitar perturbações na instalação (por exemplo, desconexão de um gerador). As unidades de filtragem activa da ABB podem compensar tanto as cargas indutivas como as capacitivas. Pode aplicar-se uma equilibragem precisa de cargas permitindo a descarga dos sistemas neutros e evitando que a tensão do neutro à terra se mantenha nos níveis mínimos. Além disso, pode garantir-se que a equilibragem da carga de, por exemplo, uma UPS está equilibrada. Em -5 é apresentado um exemplo de aplicação de equilibragem mediante um filtro activo PQF da ABB com controlo de ciclo fechado (closed loop). Além dos aspectos funcionais, os filtros activos mais avançados, como são as unidades da ABB, têm características que permitem minimizar as perdas operativas do equipamento e proporcionar mais fiabilidade à instalação. Isto deve-se às valiosas funções secundárias (por exemplo, a redução automática da temperatura, entre outras). Resultados práticos Os filtros activos PQF da ABB e outros equipamentos de qualidade da energia da ABB aplicam-se em diversos campos. Por exemplo, as instalações de exploração de um jazigo petrolífero compreendem uma central eléctrica que alimenta numerosos grupos de bombagem. A grande maioria das cargas são controladas por accionamentos de CA. Existem 40 grupos aproximadamente, cada um com uma carga na ordem de 2 MW. Sem filtros activos, a distorção harmónica total de tensão (THDV) no lado da baixa tensão do grupo 5 Exemplo de aplicação de equilibragem com um filtro activo de ciclo fechado seria igual a 12% e a distorção harmónica total de corrente (THDI) seria de 27% -6. Com filtros activos, a THDV foi reduzida para 2% e a THDI para 3% -7. Na generalidade, melhorou-se notavelmente a qualidade da energia dos grupos, o que permite que a instalação funcione dentro dos limites da norma IEEE 519 e garanta um funcionamento sem problemas dos diferentes grupos. Num segundo exemplo examina-se a qualidade da energia a bordo de um navio -8. O navio em questão tem uma central eléctrica que funciona com dois geradores de 600 kva cada. As cargas principais são duas unidades de propulsão com accionamento de CC. Antes da compensação, a THDI estava a cerca de 25% e THDV correspondente era de aproximadamente 22%. O cos φ da instalação estava em cerca de 0,76. O consumo de combustível do navio estava entre 14.000 e 15.000 litros por mês. Os requisitos do cliente eram os seguintes: Reduzir a poluição harmónica para níveis aceitáveis para evitar problemas com as unidades de propulsão. Realizar a compensação da energia reactiva sem risco de sobrecompensação. Por este motivo, foram seleccionados e instalados filtros activos da ABB. A opinião do cliente foi muito incentivadora, dado que os problemas técnicos foram solucionados ficando uma margem de poupança de cerca de 10% dos custos de combustível. Em termos anuais, o cliente tem a possibilidade de poupar cerca de 18.000 litros de combustível. A razão principal é que um dos geradores podia desactivar-se com maior frequência graças à melhor qualidade da rede. Como foi demonstrado nos exemplos anteriores, as questões relativas à qualidade da energia ocorrem com frequência nas redes industriais devido à presença de um número considerável de (grandes) cargas poluentes. Em todo o caso, a qualidade da energia é também motivo de preocupação nas aplicações comerciais. Nestas aplicações a presença de muitas cargas poluentes monofásicas criam problemas como os seguintes: Aumento do stress harmónico a que estão submetidos os equipamentos que são mais vulneráveis que os equipamentos industriais. Excitação de ressonância devida à presença do terceiro harmónico em combinação com baterias de condensadores com uma reactância de dessintonização incorrectamente seleccionada ou sem nenhuma reactância em absoluto. Correntes no neutro com valores superiores à capacidade dos condutores de neutro e aos barramentos de neutro. Tensões do neutro à terra demasiado alta, que podem não ser aceites para o funcionamento do produto e/ou sob o ponto de vista de segurança. Presença de cos φ capacitivo devido ao moderno hardware do servidor, que pode exigir com o tempo a diminuição dos valores do sistema UPS, etc. 4 Uma melhoria activa da qualidade Low Voltage Products
6 Formas de onda de tensão (acima) e de intensidade (abaixo) antes da filtragem no lado da baixa tensão do grupo de bombagem 7 Formas de onda de tensão (acima) e de corrente (abaixo) antes da filtragem no lado da baixa tensão do grupo de bombagem Um exemplo de aplicação comercial é a qualidade da energia num prestigiado hotel de várias estrelas. Este hotel dispõe de habitações, suites, salas especiais e área de negócios. As cargas típicas que se podem encontrar são ascensores de alta velocidade, dimmers para regulação da luminosidade e outro sofisticado equipamento de iluminação, bem como outros equipamentos habituais de escritório, como computadores, impressoras, etc. Devido a todas estas cargas, a qualidade da energia eléctrica tem-se deteriorado na medida em que a tensão é instável. A simples mudança do ponto de trabalho das cargas num dos lados do edifício afectaria o funcionamento de outras cargas situadas em outras dependências. Isto era claramente inaceitável, já que poderia provocar a perda de clientes pela baixa qualidade do serviço. O equipamento de filtragem da ABB solucionou estes problemas. Os filtros activos PQF da ABB oferecem outras funçõesque minimizam as perdas operacionais do equipamento e proporcionam mais fiabilidade à instalação. Para mais informações: ABB, S.A. Low Voltage Products Quinta da Fonte, Edifício Plaza I Tel: +(351) 214 256 000 Fax: +(351) 214 256 290 marketing.pt@pt.abb.com Notas: 1 European Copper Institute (2002). European power quality survey. 2 IEEE, C57.110-2008: prática recomendada pelo IEEE para o estabelecimento da capacidade dos transformadores ao fornecer correntes de carga não sinusoidais. 2008. 3 Kuo, B.C. Automatic Control Systems. John Wiley & Sons, Inc. New York, NY, The United States. www.abb.pt