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Casos Reais sobre o Impacto harmônico da CoGeração em Equipamentos de Correção de Fator de Potência em Plantas Industriais Resumo Este artigo mostra o impacto da instalação de geração própria (cogeração) em plantas industriais sobre os equipamentos de correção do fator de potência do ponto de vista de componentes harmônicos. I. NOMENCLATURA: THD V Distorção Harmônica Total Tensão THD I Distorção Harmônica Total Corrente Z() Impedância Harmônica II. INTRODUÇÃO: Durante a maior parte do ano de 2001 e início do ano de 2002, o Sistema Elétrico Brasileiro teve que reduzir em 20% o consumo de energia elétrica. O governo federal o adotou essa política como única forma de se evitar um colapso de todo o sistema causado pelo baixo nível de chuvas e o atraso nos investimentos em linhas de transmissão e sistemas de geração de energia. A geração própria de energia elétrica foi uma das soluções mais utilizadas para se manter o funcionamento das industrias na totalidade de sua capacidade e ainda obedecendo à determinação de economia de 20% no consumo de energia por parte das concessionárias. Esse documento apresenta um caso exemplo de problemas com harmônicos em equipamentos de compensação reativa existente causados pela instalação de cogeração e geração própria. Os equipamentos de compensação reativa existentes nessas plantas começaram a ser afetados justamente após a instalação dos sistemas de geração própria. A IESA INEPAR (fornecedora dos bancos de capacitores) foi chamado a dar um esclarecimento sobre o que esta ocorrendo com o equipamento e quais os motivos das falhas. O procedimento para a investigação dos problemas causados pelos harmônicos foi o seguinte: 1 Análise dos capacitores falhados em laboratório; 2 Medições de Harmônicos no Campo; 3 Estudos de Penetração Harmônica e Relatórios Técnicos. Todas as análises feitas pelo fabricante de capacitores indicaram que as falhas ocorreram por sobretensão. Na seção seguinte serão mostrados os resultados dos estudos e análises realizadas para um caso em baixa tensão. III. ESTUDO DE CASO EM BAIXA TENSÃO: Este caso apresenta um estudo harmônico realizado numa instalação elétrica de um jornal de circulação diária, dotado de impressora de grande porte. O sistema elétrico avaliado é o mais importante de toda a planta. Baseado nesse fato, nobreaks são utilizados para o mantenimento da tensão dentro de limites controláveis, porque existem vários equipamentos eletrônicos sensíveis na impressora principal. Para promover a correção do fator de potência, na instalação da impressora foi instalado em baixa tensão um banco de capacitores automático de 250 kvar em 380V. Pouco tempo depois da instalação desse banco de capacitores, devido ao racionamento compulsório aplicado a todos os consumidores de energia elétrica, um grupo motorgerador diesel foi adquirido e instalado no alimentador principal da planta para suprir a energia em condições de emergência. Um mês após a instalação do gerador, o fabricante do banco de capacitores foi chamado para analisar o que havia ocorrido, em um dos estágios do banco de capacitores. A figura 1 mostra a foto das unidades capacitivas após a falha. 300 KVA PF=0,8 Scc=490 kva 250kvar 6,05 MVar Figura 1 Células Capacitivas Falhadas Eng. Alexandre Carvalho Naves e Eng. MSc. Flávio Resende Garcia IESA Projetos Equipamentos e Montagens 1 Contato: reativos@iesa.com.br (16) 33031423 / 33031118 LV = 380V G MIT Power Supply HV = 13,8 kv TR Distribution System Inverters MIT MIT Scc = 100 MVA 1500 kva X=3,8% MIT Figura 2 Diagrama Unifilar do Sistema Elétrico do Jornal Nesta planta os motores e inversores são alimentados através de transformador abaixador. As características do sistema elétrico supridor e da planta industrial são apresentados na tabela 1 a seguir: TABELA I CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO SISTEMA ELÉTRICO DO JORNAL Característica Valor Unidade Tensão Suprimento 13,8 kv Frequência do Sistema 60 Hz Potência de CurtoCircuito AT 100 MVA Potência do Transformador 1,5 MVA Reatância do Transformador 3,8 % Potência do gerador 0,35 MVA Potência de CurtoCircuito do 0,49 MVA Gerador Fator de Potência do Gerador 0,8 Demanda Ativa da Planta 240 kw Demanda Reativa da Planta 180 KVAr
A impressora de papel é a parte mais importante da empresa. O banco de capacitor corrige o fator de potência enquanto o sistema é alimentado pela concessionária, como também, nas situações com contingências (gerador operando), porque alivia o gerador em termos de potência reativa, liberandoo para fornecer apenas potência ativa. Na tentativa de buscar uma solução para o problema, o sistema foi modelado e as seguintes condições foram analisadas: Figura 8 THD V e Espectro Harmônico da Tensão no Banco de Capacitores A Somente a Concessionária alimentando o Jornal: Figura 9 Forma de Onda de Corrente no Banco de Capacitores Figura 3 Forma de Onda da Tensão no Banco de Capacitores Figura 4 THD V Espectro Harmônico da Tensão no Banco de Capacitores Figura 5 Forma de Onda de Corrente no Banco de Capacitores Figura 6 THD I Espectro Harmônico da Corrente do Banco de Capacitores A análise dessa situação mostra que existe uma ressonância acima da 30a. Harmônica, e isso não afeta de maneira alguma a vida útil dos capacitores do banco.o THD V situouse em 0,22% e THD I em torno de 15%. A solução inicialmente ofertada pelo fabricante (quando não existia geração própria) estava correta. B Concessionária e Geração Própria em Paralelo: Para essa situação os resultados obtidos são semelhantes aos mostrados no caso A. Isso demonstra que o a contribuição para o curtocircuito no PAC pela geração própria neste caso é muito pequena, não afetando os equipamentos instalados. C Somente a Geração Própria: Figura 7 Forma de Onda da Tensão no Banco de Capacitores Figura 10 THD I Espectro Harmônico da Corrente do Banco de Capacitores A analise dos resultados desse caso, mostra que para essa situação, ocorre uma ressonância harmônica entre a 2 a e a 3 a harmônica, afetando a vida útil dos capacitores. O THD V ficou próximo de 11% e o THD I em 60%. Os resultados mostrados nas figuras de 7 a 10 justificam os problemas e falhas ocorridas com os capacitores nesta planta. Quando a planta é alimentada pela concessionária apenas ou pela concessionária em paralelo com o grupo motorgerador, o ponto de ressonância entre o banco de capacitores e o equivalente do sistema ocorre em freqüências elevadas, devido à alta potência de curtocircuito da concessionária. Quando o mesmo sistema é alimentado apenas pelo sistema de geração própria, a ressonância se situa perigosamente em torno das freqüências mais baixas, em torno da 3 a e 5 a harmônica. Para resolver os problemas mencionados neste caso, foram comprados e instalados filtros harmônicos fixos sintonizados nas frequencias de 300Hz, 420Hz e 4 estágios automáticos de bancos com reatores de dessintonia (Filtros Dessintonizados). IV. CONCLUSÕES: Foi observado que normalmente durante a instalação de geração própria, o critério de análise das freqüências harmônicas existentes não é levado em conta e problemas de ressonância ocorrem por causa da operação entre geradores próprios e bancos de capacitores para correção do fator de potência. Os problemas mostrados neste trabalho poderiam ser evitados caso um completo estudo de fluxo harmônica tivesse sido realizado antes da instalação dos geradores próprios. Após a detecção e identificação do problema pelo estudo realizado pelo fabricante, o cliente comprou os equipamentos adequados e desde então o sistema, com e sem geração própria, vem operando sem problemas e com o fator de potência corrigido. Eng. Alexandre Carvalho Naves e Eng. MSc. Flávio Resende Garcia IESA Projetos Equipamentos e Montagens 2 Contato: reativos@iesa.com.br (16) 33031423 / 33031118
Disjuntores DWG para proteção de geradores A corrente estabelecida em caso de curtocircuito numa instalação alimentada por um gerador, pode ser tão baixa quanto a 3 ou 5 vezes a sua corrente a plena carga, logo, os disjuntores em caixa moldada DWG possuem seus disparadores ajustados para atuação nestas condições. Tabela de seleção Disjuntores DWG para proteção de geradores Modelo DW 125N G DW 125N G In (A) 30 55 Gerador WEG Modelo kva em regime (60Hz, 4 pólos) 220V 380V 440V GTA 200 PI05 20kVA GTA 200 PI05 21kVA GTA 200 PI05 21kVA GTA 200 PI08 35kVA GTA 200 PI08 38kVA Im 1) (A) 120 220 Modelo DW 800NA G DW 800NA G In (A) 375 420 Gerador WEG Modelo kva em regime (60Hz, 4 pólos) 220V 380V 440V Im 1) (A) GTA250 SI14 140kVA GTA 250 MI38 285kVA 900/1800 GTA 250 MI38 265kVA GTA 250 SI17 165kVA GTA 315 SI23 320kVA 1000/2000 GTA 315 SI23 270kVA DW 125N G DW 125N G DW 125N G 75 85 105 GTA 200 PI08 38kVA GTA 200 SI12 50kVA GTA 200 SI15 56kVA GTA 200 SI17 70kVA GTA 200 SI12 55kVA GTA 200 SI15 65kVA GTA 200 SI17 80kVA 300 340 420 DW 800NA G DW 800NA G DW 800NA G DW 800NA G 515 550 620 680 GTA 250 MI25 200kVA GTA 250 MI33 230kVA GTA 315 SI25 340kVA GTA 315 SI31 360kVA GTA 315 MI38 450kVA GTA 315 SI25 370kVA GTA 315 SI31 405kVA GTA 315 MI38 480kVA GTA 315 MI46 515kVA 1300/2600 1400/2800 1600/3200 1700/3400 DW 160N G DW 250NA G DW 250NA G 140 170 185 GTA 200 SI12 55kVA GTA 200 SI15 65kVA GTA 200 MI26 90kVA GTA 200 MI30 112kVA GTA 250 SI14 122kVA GTA 200 MI 26 105kVA GTA 200 MI30 122kVA GTA 250 SI14 140kVA 560 400/800 450/900 DW 800NA G DW 800NA G DW 1600A G DW 1600A G 730 790 840 960 GTA 250 MI38 285kVA GTA 315 SI23 320kVA GTA 315 SI25 370kVA GTA 315 MI46 465kVA GTA 315 MI48 520kVA GTA 315 MI48 600kVA GTA 400 SI10 725kVA 1800/3600 2000/4000 2100/4200 2400/4800 DW 250NA G DW 800NA G DW 800NA G 215 265 320 GTA 200 SI 17 80kVA GTA 200 MI30 122kVA GTA250 SI17 139kVA GTA 250 MI25 170kVA GTA 250 MI33 210kVA GTA 250 SI17 165kVA GTA 250 MI25 200kVA GTA 250 MI33 230kVA 500/1000 650/1300 800/1600 DW 1600A G DW 1600A G DW 1600A G DW 1600A G 1100 1250 1380 1560 GTA 315 SI31 405kVA GTA 315 MI38 480kVA GTA 315 MI46 515kVA GTA 315 MI48 600kVA GTA 400 SI10 725 kva GTA 400 MI15 830kVA GTA 400 MI15 830kVA GTA 400 MI17 910kVA 2800/5600 3200/6400 GTA 400 MI17 910kVA GTA 400 LI20 1025kVA 3500/7000 GTA 400 LI20 1025kVA 3900/7800 1) Corrente de disparo magnético (valor fixo) nos modelos DW 125 e DW 160, e ajustável nos demais 2) Outras correntes de disparo podem ser fornecidas sob consulta. 3) Acessórios, dimensões e demais dados técnicos: ver catálogo da linha de disjuntores em caixa moldada modelo 975. Chaves de transferências motorizadas CTM Chaves de transferência com proteção da distribuição e do grupo gerador composto por dois disjuntores linha DW, motorizados, intertravados mecanicamente e com 4 contatos auxiliares. O intertravamento elétrico é realizado no circuito de comando, conforme instruções de montagem. Modelo CTM 400 CTM 630 CTM 1250 CTM 1600 In (A) 200 a 400A 400 a 630A 630 a 1250A 1250 a 1600A Composição (Fornecido somente montado) 02 Disjuntores tipo 2 Acionamentos motorizados DW 630HA ou DW 800NA DW 630HA ou DW 800NA DW 1600A Código para encomenda: CTM 400 / DW 800 NA... DW 800 NA G... /...Vcc ou ca Modelo Proteção da distribuição Proteção do gerador Tensão da motorização AM DW 630 1600 Dimensões: CTM 400630 CTM 12501600 Nota: Modelos para correntes nominais inferiores podem ser fornecidos sob consulta, porém, em correntes inferiores, a alternativa de tranferências através de contatores intertravados mecanicamente e proteções com disjuntores individuais para a distribuição e gerador, normalmente apresentamse como solução mais econômica. WEG ACIONAMENTOS Av. Pref. Waldemar Grubba, 3.000 89256900 Jaraguá do Sul SC Tel.: (47) 3724000 Fax: (47) 3724050 www.weg.com.br email: wamkt@weg.com.br SÃO PAULO/SP: Tel.: (11) 50532300 Fax: (11) 50524212 Mod. 978
DT5 Características e Especificações de Geradores QUEDA DE TENSÃO (DU) EM GERADORES SÍNCRONOS QUEDA DE TENSÃO (DU) PARA cos φ = 0 [pu] X*d Ip/In [pu] 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000 2.200 2.400 2.600 2.800 3.000 0.050 0.010 0.020 0.029 0.038 0.048 0.057 0.065 0.074 0.083 0.091 0.099 0.107 0.115 0.123 0.130 0.060 0.012 0.023 0.035 0.046 0.057 0.067 0.077 0.088 0.097 0.107 0.117 0.126 0.135 0.144 0.153 0.070 0.014 0.027 0.040 0.053 0.065 0.077 0.089 0.101 0.112 0.123 0.133 0.144 0.154 0.164 0.174 0.080 0.016 0.031 0.046 0.060 0.074 0.088 0.101 0.113 0.126 0.138 0.150 0.161 0.172 0.183 0.194 0.090 0.018 0.035 0.051 0.067 0.083 0.097 0.112 0.126 0.139 0.153 0.165 0.178 0.190 0.201 0.213 0.100 0.020 0.038 0.057 0.074 0.091 0.107 0.123 0.138 0.153 0.167 0.180 0.194 0.206 0.219 0.231 0.110 0.022 0.042 0.062 0.081 0.099 0.117 0.133 0.150 0.165 0.180 0.195 0.209 0.222 0.235 0.248 0.120 0.023 0.046 0.067 0.088 0.107 0.126 0.144 0.161 0.178 0.194 0.209 0.224 0.238 0.251 0.265 0.130 0.025 0.049 0.072 0.094 0.115 0.135 0.154 0.172 0.190 0.206 0.222 0.238 0.253 0.267 0.281 0.140 0.027 0.053 0.077 0.101 0.123 0.144 0.164 0.183 0.201 0.219 0.235 0.251 0.267 0.282 0.296 0.150 0.029 0.057 0.083 0.107 0.130 0.153 0.174 0.194 0.213 0.231 0.248 0.265 0.281 0.296 0.310 0.160 0.031 0.060 0.088 0.113 0.138 0.161 0.183 0.204 0.224 0.242 0.260 0.277 0.294 0.309 0.324 0.170 0.033 0.064 0.093 0.120 0.145 0.169 0.192 0.214 0.234 0.254 0.272 0.290 0.307 0.322 0.338 0.180 0.035 0.067 0.097 0.126 0.153 0.178 0.201 0.224 0.245 0.265 0.284 0.302 0.319 0.335 0.351 0.190 0.037 0.071 0.102 0.132 0.160 0.186 0.210 0.233 0.255 0.275 0.295 0.313 0.331 0.347 0.363 0.200 0.038 0.074 0.107 0.138 0.167 0.194 0.219 0.242 0.265 0.286 0.306 0.324 0.342 0.359 0.375 0.210 0.040 0.077 0.112 0.144 0.174 0.201 0.227 0.251 0.274 0.296 0.316 0.335 0.353 0.370 0.387 0.220 0.042 0.081 0.117 0.150 0.180 0.209 0.235 0.260 0.284 0.306 0.326 0.346 0.364 0.381 0.398 0.230 0.044 0.084 0.121 0.155 0.187 0.216 0.244 0.269 0.293 0.315 0.336 0.356 0.374 0.392 0.408 0.240 0.046 0.088 0.126 0.161 0.194 0.224 0.251 0.277 0.302 0.324 0.346 0.365 0.384 0.402 0.419 0.250 0.048 0.091 0.130 0.167 0.200 0.231 0.259 0.286 0.310 0.333 0.355 0.375 0.394 0.412 0.429 0.260 0.049 0.094 0.135 0.172 0.206 0.238 0.267 0.294 0.319 0.342 0.364 0.384 0.403 0.421 0.438 0.270 0.051 0.097 0.139 0.178 0.213 0.245 0.274 0.302 0.327 0.351 0.373 0.393 0.412 0.431 0.448 0.280 0.053 0.101 0.144 0.183 0.219 0.251 0.282 0.309 0.335 0.359 0.381 0.402 0.421 0.439 0.457 0.290 0.055 0.104 0.148 0.188 0.225 0.258 0.289 0.317 0.343 0.367 0.389 0.410 0.430 0.448 0.465 0.300 0.057 0.107 0.153 0.194 0.231 0.265 0.296 0.324 0.351 0.375 0.398 0.419 0.438 0.457 0.474 0.310 0.058 0.110 0.157 0.199 0.237 0.271 0.303 0.332 0.358 0.383 0.405 0.427 0.446 0.465 0.482 0.320 0.060 0.113 0.161 0.204 0.242 0.277 0.309 0.339 0.365 0.390 0.413 0.434 0.454 0.473 0.490 0.330 0.062 0.117 0.165 0.209 0.248 0.284 0.316 0.346 0.373 0.398 0.421 0.442 0.462 0.480 0.497 0.340 0,064 0.120 0.169 0.214 0.254 0.290 0.322 0.352 0.380 0.405 0.428 0.449 0.469 0.488 0.505 0.350 0.065 0.123 0.174 0.219 0.259 0.296 0.329 0.359 0.387 0.412 0.435 0.457 0.476 0.495 0.512 0.360 0.067 0.126 0.178 0.224 0.265 0.302 0.335 0.365 0.393 0.419 0.442 0.464 0.483 0.502 0.519 0.370 0.069 0.129 0.182 0.228 0.270 0.307 0.341 0.372 0.400 0.425 0.449 0.470 0.490 0.509 0.526 0.380 0.071 0.132 0.186 0.233 0.275 0.313 0.347 0.378 0.406 0.432 0.455 0.477 0.497 0.516 0.533 0.390 0.072 0.135 0.190 0.238 0.281 0.319 0.353 0.384 0.412 0.438 0.462 0.483 0.503 0.522 0.539 0.400 0.074 0.138 0.194 0.242 0.286 0.324 0.359 0.390 0.419 0.444 0.468 0.490 0.510 0.528 0.545 Tabela 5.3.1 Queda de Tensão em Geradores Síncronos. Onde: Ip = Corrente de Partida do Motor (em ampères) In = Corrente Nominal do Gerador (em ampères) X*d = Xd' para máquinas com excitatriz e regulador eletrônico de tensão (geradores brushless) ou Xd" para máquinas com excitatriz estática (geradores com escovas).
Exercício: Dado o diagrama simplificado abaixo, dimensione e especifique um grupo motorgerador para atender a planta industrial. Xd"=18% 0,94 1 Informações adicionais: O GMG deve atender a planta em horário de ponta e na falta de energia, neste caso limitado a um período contínuo de 8 horas
A planta possui um regime de trabalho máximo de dois turnos diários. No terceiro turno apenas cargas de iluminação e tomadas permanecem ligadas (limitado a uma potência de 15 kva) Os motores não possuem partida simultânea. Os motores de 55 kw e 75 kw possuem softstarter (corrente de partida 3 x In). Os motores de 37 kw possuem chave estrelatriângulo (corrente de partida 2 x In). A indústria prevê uma ampliação de cargas (não motoras) de 100 kva / FP=0,92 nos próximos três anos. Limite de queda de tensão nos terminais do gerador = 20%