1 - Eficiência Energética:

1

1 - Eficiência Energética: Otimização da Compra de Energia; Utilização Eficiente dos Recursos Energéticos - Usos Finais; Estudos de Fontes Alternativas de Energia; Viabilidade Técnico-Econômica. Energia Térmica Energia Elétrica EF. ENERGÉTICA Outras Energias Energia Mecânica 2

1.1 - Eficiência em Energia Elétrica: Medidas para Eficiêntização Elétrica Implantação de Controladores de Velocidade em Motores Elétricos (Bombas, Ventiladores, Exaustores,...); Motores Elétricos de Alto Rendimento; Redimensionamento de Motores Elétricos; Iluminação Eficiente de Alto Rendimento; Geração Própria ou Co-geração; Correção Fator de Potência; Qualidade e Continuidade de Energia Elétrica. 3

1.2 - Principais Equipamentos Elétricos Envolvidos na Eficiência Energética: Motores Elétricos Alto Rendimento; Controladores de Velocidade; Softstarters; Luminárias de Alto Rendimento; Lâmpadas e Reatores Eletrônicos; Equipamentos de Compensação Reativa; Geradores de Energia Elétrica, etc... 4

1.3 - Exemplo da EE em Sistemas de Bombeamento: Rendimento: 31 % Alimentação em Energia: 100 ( Unidades Arbitrárias) Motor Válvula Bomba (90 %) ( 66 %) ( 77 %) Tubulação (69 %) Acoplamento Trabalho Útil 31 ( 98 %) ( Unidades Arbitrárias) Alimentação em Energia: 51 ( Unidades Arbitrárias) Motor Variador de Bomba Eficiente (90 %) velocidade ( 83 %) Rendimento : 61 % (95 %) Acoplamento ( 99 %) Alimentação em Energia: 43 ( Unidades Arbitrárias) Bomba Alta Eficiência Variador de Motor Eficiente ( 88 %) velocidade (96 %) (95 %) Tubulação Eficiente com atrito interno reduzido (87 %) Trabalho Útil 31 ( Unidades Arbitrárias) Tubulação Eficiente com atrito interno reduzido (90 %) Rendimento: 72 % Acoplamento ( 99 %) Trabalho Útil 31 ( Unidades Arbitrárias) Problemas de Qualidade de Energia 5

2 - Qualidade de Energia Elétrica QEE 2.1 - Fenômenos Elétricos tricos: Interrupção Harmônicos Surtos 6

2.2 Evolução das Cargas Eletrônicas nos EUA: Revista BUSINES WEEK 7

2.3 Evolução das Cargas Eletrônicas no Brasil: Gráfico estimado a partir de informações da ELETROBRÁS, MME, ABRACE, outros. 8

2.4 - Custo da QEE por Evento nas Indústrias strias: Fonte: EPRI October 29, 1999 9

2.5 Custo Total Anula Estimado da QEE: Problemas relacionados à Qualidade da Energia Elétrica custam anualmente aos Estados Unidos cerca de US$ 100 Bilhões em danos e atitudes preventivas. No Brasil = US$????? / Ano => FT Cigre CE C4.4 (Força Tarefa de Impactos Econômicos da QEE) Aumento das Cargas Eletrônicas Aumento do Custo da QEE 10

2.6 Principais Fenômenos Elétricos da QEE: Fator de Potência Variações da Tensão de Curta Duração (AMTs ou Sags, SMTs ou Swells) Harmônicos ( foco deste trabalho) Efeito Flicker Desequilíbrios da tensão 11

2.7 - Exemplos de Custos da QEE (AMT): 12h48 Exemplo real de ocorrência de AMT 02 horas para retomada de produção 64.000 kwh não fornecidos 12

2.8 - Exemplos de Custos da QEE (Harmônicos): Perdas devido a harmônicas em sistemas de distribuição Fonte: Alexander E. Emanuel Trans. on Power Systems. Vol. 06, No. 03, August 1991 13

3 - Eficiência Energética x Harmônicos: Controladores de Velocidade; Softstarters; Luminárias de Alto Rendimento; Lâmpadas e Reatores Eletrônicos; Compensação Reativa; Geradores de Energia Elétrica; Nobreak s. Geração ou Amplificação de Harmônicos 14

3.1 HARMÔNICOS: CARGAS NÃO LINEARES DISTORÇÕES NA FORMA DE ONDA HARMÔNICOS PROBLEMAS NA REDE ELÉTRICA 15

3.2 - DISTORÇÃO HARMÔNICA: Total Fundamental 5a. Harmônica 16

3.3 - Principais Cargas Geradoras de Harmônicas: - Conversores; - Fornos à Arco / Máquina de Solda - Transformadores Operando à vazio ou em saturação. 17

3.3.1 - Harmônicas Geradas por Retificadores CA - CC Graph0 4000.0 (A ) 3000.0 2000.0 1000.0 0.0 Forma de Onda do Retificador -1000.0-2000.0-3000.0-4000.0 2.976 2.978 2.98 2.982 2.984 2.986 2.988 2.99 2.992 2.994 2.996 2.998 3.0 t(s) 25.00 20.00 Espectro Harmônico da Forma De Onda do Retificador In% 15.00 10.00 Ia Ib Ic 5.00 0.00 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Ordem Harmônica 18

3.3.2 - Harmônicas Geradas por Nobreak s: Forma de Onda da Corrente de um Nobreak DII (%) 120 100 100 80 Espectro Harmônico da Forma De Onda de Corrente de um Nobreak 60 40 20 0 26,2 5,33 8,21 3,14 4,89 2,53 28,68 1 5 7 11 13 17 19 DTI Ordem harmônica - n e DTI (%) 19

3.3.3 - Harmônicas Geradas por Inversores de Frequência: Espectro Harmônico da Forma De Onda de Corrente de um Inversor de Frequencia DII (%) 120 100 100 Forma de Onda da Corrente de um Inversor de Frequencia 80 60 40 20 0 78,92 65,33 28,47 20,44 15,33 11,68 6,57 10,58 5,84 7,66 5,11 8,03 4,74 1 3 5 7 9 1113151719212325DTI Ordem harmônica - n e DTI (%) 20

3.3.4 - Harmônicas Geradas por Soft-Starter Starters: Forma de onda da corrente de alimentação 0,5 seg após s a partida Forma de onda da corrente de alimentação 1,5 seg após s a partida Forma de onda da corrente de alimentação em regime 21

3.3.5 - Harmônicas por Lâmpadas Fluorescentes Compactas LFC s: CORRENTE TENSÃO ESPECTRO HARMÔNICO DA CORRENTE Tensão RMS = 128 Volts Corrente RMS = 0,42 Amperes Potência Ativa = 27 Watts Potência Reativa = 46,3 VAr DHTi (%) = 165,75 % DHTv (%) = 0,69 % 22

3.3.6 - Harmônicas Geradas por Computadores: Fonte: ENERSUL Tensão RMS = 127 Volts Corrente RMS = 0,74 Amperes Potência Ativa = 49 Watts Potência Reativa = 85 VAr DHTi (%) = 167,7 % DHTv (%) = 0,62 % 23

3.3.7 - Distorção Harmônica Gerada pela Operação de Fornos à arco: 50 Distoção Harmônica Total de Corrente 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 24 08:30:00 08:35:00 08:40:00 08:45:00 08:50:00 08:55:00 09:00:00 09:05:00 09:10:00 09:15:00 09:20:00 09:25:00 09:30:00 09:35:00 09:40:00 09:45:00 09:50:00 09:55:00 10:00:00 10:05:00 10:10:00 10:15:00 10:20:00 10:25:00 10:30:00 10:35:00 10:40:00 10:45:00 10:50:00 10:55:00 11:00:00 11:05:00 11:10:00 11:15:00 [%] 11:20:00 11:25:00 Ia Tempo Ib Ic

3.3.8 - Transformadores: Trafo em condições normais de operação Não há geração harmônica Trafo operando na região de saturação ou a vazio Corrente não varia linearmente com a tensão Surgimento de Corrente harmônicas 25

3.3.8.1 - Transformador operando à vazio DII (%) 140 120 100 100 80 60 48,5 53,0 40 20 0 20,0 5,7 3,03 1 3 5 7 9 11 13 DTI Ordem harmônica - n e DTI (%) 26

3.4 Efeitos dos Harmônicos nos Equipamentos Elétricos tricos: - Má operação de Equipamentos: Ex.: Relés (Atuação Indevida) Medidores (A/D do Disco) Falha de operação nos controles eletrônicos - Sobretensão Harmônica: Danos à Isolação Elétrica e queima de equipamentos elétricos. - Sobrecorrente Aumento da temperatura de operação (Efeito Joule) e perda de vida util de equipamentos elétricos. - Interferências em Sistemas de Comunicação Ex..: Sistema Carrier em LT s - Ressonâncias Paralelas 27

3.4.1 Efeitos dos Harmônicos em Capacitores: 3.4.1.1 - Variação da Reatância com a Frequência: Gráfico Xc x f (Banco de 3600 kvar / 13,8 kv) X = 1 1 C ω. C = 2. π. f. C 60 50 40 Xc 30 20 10 0 X C = f 60 140 220 300 380 460 540 620 700 780 860 940 Frequência 28

3.4.1.2 Perda de Vida Útil em Bancos de Capacitores por Sobretensão: Expectativa de vida - Capacitores Tempo (anos) 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 1,35 1,4 1,45 1,5 1,55 1,6 Sobretensão (pu) 29

3.4.2 - Ressonância Paralela: fs => XL = XC Barra BTR8 - Com Correção do FP Z(w) 2500 2000 1500 1000 500 0 Seqüência1 1 5 9 13 17 21 25 29 Ordem Harmônica - h Z = X X L L X X C C Sobretensão dv/dt Sobrecorrente di/dt 30

3.4.2 - Ressonância Paralela (continuação): FORMA DE ONDA DE TENSÃO - CAPACITOR H % FASE 1 100% 0 5 15% 0 9 6% 0 13 4% 0 Ressonância Paralela 31

3.4.2 - Ressonância Paralela (continuação): FORMA DE ONDA DE CORRENTE CAPACITOR H % FASE 1 100% 90 5 75% 90 9 54% 90 13 52% 90 Ressonância Paralela 32

3.4.3 - Efeitos de Harmônicos em Motores de Indução: -As perdas dentro de um motor de indução são compostas pelas perdas por Histerese e Foucault e também de perdas Joule. Perdas Elétricas [%] 14 12 10 8 6 4 2 0 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Distorção Harmônica Total de Tensão - (%) Perdas no Ferro são pouco influenciadas Perdas Joule são consideráveis devido à variações na resistência e aumento da Corrente Eficaz 33

3.4.4 - Efeitos dos Harmônicos em Transformadores: Tempo de Vida Útil (horas) Redução da vida útil de transformadores submetidos à distorção harmônica 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 0 6 12 18 24 30 36 Distorçao Harmônica Total de Corrente (%) 34

3.4.5 - Efeitos dos Harmônicos no FP das Instalações: Fator de Potência em Condições Senoidais: FP = P S = V I cos( θ ) = V I cos( θ ) Fator de Potência em Condições Não-Senoidais Senoidais: FP = P S = h 1 V h n 1. I.cos( θ ) h V 2 h. h 1 I h 2 h 35

3.4.5 - Efeitos dos Harmônicos no FP das Instalações (continuação): 36

3.4.5 - Efeitos dos Harmônicos no FP das Instalações (continuação): 37

3.4.6 - Efeitos dos Harmônicos sobre a Geração Própria: 300 KVA PF=0,8 Scc=490 kva LV = 380V G Power Supply HV = 13,8 kv TR Scc = 100 MVA 1500 kva X=3,8% Geração Própria instalada para o fornecimento de energia no horário de ponta. Sistema Elétrico de uma impressora de jornal. Explosão do banco de capacitores instalado para correção do FP. Distribution System Inverters MIT MIT MIT MIT 6,05 MVar 180 kvar 38

3.4.6 - Efeitos dos Harmônicos sobre a Geração Própria (continuação): A) Resultado Concessionária Alimentando a Instalação: Forma de Onda da Tensão no 380 V Espectro Harmônico da Tensão no 380 V Forma de Onda da Corrente no Banco de Capacitores Forma de Onda da Corrente no Banco de Capacitores DHTv = 0,22% no 380 V DHTi = 15,0% no BCA 39

B) Resultado Geração Própria Alimentando a Instalação (Entrando no Horário rio de Ponta) : Forma de Onda da Tensão no 380 V Espectro Harmônico da Tensão no 380 V Forma de Onda da Corrente no Banco de Capacitores Espectro Harmônico da Corrente no Banco de Capacitores DHTv = 11,0% no 380 V DHTi = 60,0% no BCA 40

4 - Solução para os Problemas de Harmônicos: 4.1 Dimensionamento de capacitores - harmônicos: Dimensionamento Recomendado: a) Tensão: Subtensionar o Banco de Capacitores => Q ~ V 2 b) Corrente: Corrente nominal = Soma Quadrática => Efeito Joule Obs: Exceto quando da ocorrência de ressonâncias harmônicas em frequências existentes no sistema elétrico em estudo. 4.2 Evitar a ocorrência de ressonâncias harmônicas: - Mudança a da Freqüência de Ressonância; - Instalação de um Indutor em Série S com o Capacitor; - Porém m não elimina os harmônicos existentes. Filtros de Dessintonia 41

4.3 Necessidade de filtragem das harmônicas para redução dos níveis de distorção existentes: -Instalação de filtros de harmônicos, sintonizados e/ou amortecidos, de preferência próximos às principais cargas geradoras de harmônicos. - Elimina os principais harmônicos existentes. Tipos: Filtros Sintonizados (uma frequência) Filtros Amortecidos: - 2a Ordem - 3a Ordem - Modificado - Tipo C 42

5 - Soluções Comerciais para Correção do FP em Sistemas com a Presença de Harmônicos: 5.1 - Capacitores Reforçados para Suportabilidade dos Componentes Harmônicos de Tensão e Corrente: Substituir por: Tecnologia PPM DHV máx = 3% DHI máx = 12% Tecnologia All Film (Impregnado á Oleo) DHV máx = 6 % DHI máx = 31 % 43

5.2 Filtros de Dessintonia: Capacitores tipo PPM Reatores a núcleo de ferro 44

5.3 Filtros Passivos Sintonizados: Capacitores tipo Impregnado a Óleo; Reatores a núcleo de ar. 45

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 5.3 Filtros Passivos Sintonizados (Resultados no 2ario do Transformador): Corrente de Linha Fator de Potência Trifásico Entrada em operação Saída de Operação dos Filtros de dos Filtros de harmônicos Harmônicos Entrada em operação dos Filtros de harmônicos Saída de Operação dos Filtros de Harmônicos - 0,92 Ia +1 Ib + 0,92 Ic 46 22/08/06-11:25:22 22/08/06-11:27:00 22/08/06-11:28:00 22/08/06-11:26:00 22/08/06-11:29:00 22/08/06-11:30:00 22/08/06-11:31:00 22/08/06-11:32:00 22/08/06-11:33:00 22/08/06-11:34:00 22/08/06-11:35:00 22/08/06-11:36:00 22/08/06-11:37:00 22/08/06-11:38:00 22/08/06-11:39:00 22/08/06-11:40:00 22/08/06-11:41:00 22/08/06-11:42:00 22/08/06-11:43:00 22/08/06-11:44:00 22/08/06-11:45:00 22/08/06-11:46:00 22/08/06-11:47:00 22/08/06-11:48:00 22/08/06-11:49:00 22/08/06-11:50:00 22/08/06-11:51:00 22/08/06-11:52:00 22/08/06-11:53:00 22/08/06-11:54:00 22/08/06-11:55:00 22/08/06-11:56:00 22/08/06-11:57:00 22/08/06-11:58:00 22/08/06-11:59:00 22/08/06-12:00:00 22/08/06-12:01:00 22/08/06-12:02:00 22/08/06-12:03:00 22/08/06-12:04:00 22/08/06-12:05:00 22/08/06-12:06:00 22/08/06-12:07:00 22/08/06-12:08:00 22/08/06-12:09:00 22/08/06-12:10:00 22/08/06-12:11:00 22/08/06-12:12:00 22/08/06-12:13:00 22/08/06-12:14:00 22/08/06-12:15:00 22/08/06-12:16:00 22/08/06-12:17:00 22/08/06-12:18:00 22/08/06-12:19:00 22/08/06-12:20:00 22/08/06-12:21:00 22/08/06-12:22:00 22/08/06-12:23:00 22/08/06-12:24:00 Data e Hora da Amostra Amperes (A) 22/08/06-11:25:22 22/08/06-11:26:30 22/08/06-11:28:00 22/08/06-11:29:30 22/08/06-11:31:00 22/08/06-11:32:30 22/08/06-11:34:00 22/08/06-11:35:30 22/08/06-11:37:00 22/08/06-11:38:30 22/08/06-11:40:00 22/08/06-11:41:30 22/08/06-11:43:00 22/08/06-11:44:30 22/08/06-11:46:00 22/08/06-11:47:30 22/08/06-11:49:00 22/08/06-11:50:30 22/08/06-11:52:00 22/08/06-11:53:30 22/08/06-11:55:00 22/08/06-11:56:30 22/08/06-11:58:00 22/08/06-11:59:30 22/08/06-12:01:00 22/08/06-12:02:30 22/08/06-12:04:00 22/08/06-12:05:30 22/08/06-12:07:00 22/08/06-12:08:30 22/08/06-12:10:00 22/08/06-12:11:30 22/08/06-12:13:00 22/08/06-12:14:30 22/08/06-12:16:00 22/08/06-12:17:30 22/08/06-12:19:00 22/08/06-12:20:30 22/08/06-12:22:00 22/08/06-12:23:30 8 7 6 5 4 3 2 1 0 - CAP + IND Data e Hora da Amostra Corrente no 2ario do Trafo em Amperes Fator de Potência no 2ario do Trafo Distorção Total de Tensão Distorção Total de Corrente 30 Entrada em operação dos Filtros de Entrada em operação Saída de Operação harmônicos Saída de Operação 25 dos Filtros de dos Filtros de harmônicos Harmônicos dos Filtros de Harmônicos 20 DHV - Fase A DHV - Fase B DHV - Fase C 15 10 5 0 22/08/06-11:25:22 22/08/06-11:26:30 22/08/06-11:28:00 22/08/06-11:29:30 22/08/06-11:31:00 22/08/06-11:32:30 22/08/06-11:34:00 22/08/06-11:35:30 22/08/06-11:37:00 22/08/06-11:38:30 22/08/06-11:40:00 22/08/06-11:41:30 22/08/06-11:43:00 22/08/06-11:44:30 22/08/06-11:46:00 22/08/06-11:47:30 22/08/06-11:49:00 22/08/06-11:50:30 22/08/06-11:52:00 22/08/06-11:53:30 22/08/06-11:55:00 22/08/06-11:56:30 22/08/06-11:58:00 22/08/06-11:59:30 22/08/06-12:01:00 22/08/06-12:02:30 22/08/06-12:04:00 22/08/06-12:05:30 22/08/06-12:07:00 22/08/06-12:08:30 22/08/06-12:10:00 22/08/06-12:11:30 22/08/06-12:13:00 22/08/06-12:14:30 22/08/06-12:16:00 22/08/06-12:17:30 22/08/06-12:19:00 22/08/06-12:20:30 22/08/06-12:22:00 22/08/06-12:23:30 Data e Hora da Amostra (%) 22/08/06-11:25:22 22/08/06-11:26:30 22/08/06-11:28:00 22/08/06-11:29:30 22/08/06-11:31:00 22/08/06-11:32:30 22/08/06-11:34:00 22/08/06-11:35:30 22/08/06-11:37:00 22/08/06-11:38:30 22/08/06-11:40:00 22/08/06-11:41:30 22/08/06-11:43:00 22/08/06-11:44:30 22/08/06-11:46:00 22/08/06-11:47:30 22/08/06-11:49:00 22/08/06-11:50:30 22/08/06-11:52:00 22/08/06-11:53:30 22/08/06-11:55:00 22/08/06-11:56:30 22/08/06-11:58:00 22/08/06-11:59:30 22/08/06-12:01:00 22/08/06-12:02:30 22/08/06-12:04:00 22/08/06-12:05:30 22/08/06-12:07:00 22/08/06-12:08:30 22/08/06-12:10:00 22/08/06-12:11:30 22/08/06-12:13:00 22/08/06-12:14:30 22/08/06-12:16:00 22/08/06-12:17:30 22/08/06-12:19:00 22/08/06-12:20:30 22/08/06-12:22:00 22/08/06-12:23:30 ( % ) Data e Hora da Amostra DHTv(%) no 2ario do Trafo DHTi(%) no 2ario do Trafo DHI - Fase A DHI - Fase B DHI - Fase C

5.4 Filtros Ativos: Sem Capacitores e sem reatores. Principios da Filtragem Ativa 47

6 Estudos de Harmônicos: Instalação de capacitores Cargas geradoras de harmônicos Possíveis Ressonâncias em frequências críticas Estudos de Fluxo Harmônico 48

6.1 Estudos de Harmônicos: Caso 01 Sem Correção do FP: 49

6.1 Estudos de Harmônicos: Caso 01 Sem Correção do FP (continuação): DHV(%) 6% (pr( próximo ao limite IEEE-519/1992) 50

6.2 Estudos de Harmônicos: Caso 02 Com Correção do FP através de Bancos de Capacitores Comuns : 51

6.2 Estudos de Harmônicos: Caso 02 Com Correção do FP através de Bancos de Capacitores Comuns (continuação): DHV(%) 6% (superior ao limite IEEE-519/1992) 52

6.3 Estudos de Harmônicos: Caso 03 Com Correção do FP através de Filtros de Dessintonia: 53

6.3 Estudos de Harmônicos: Caso 03 Com Correção do FP através de Filtros de Dessintonia (continua( continuação): DHV(%) 6% (inferior ao limite IEEE-519/1992) 54

7 PRODIST (Procedimentos da Distribuição): Módulo 8 PRODIST - QEE Tema: Harmônicos Proposta de DHTv(%) 10% para BT (inferior a 1000 V) Capacitores Tecnologia PPM não atende Atualmente DHTv(%) 5 % (IEEE 519-1992) 1992) Filtros de Dessintonia para Proteger os Capacitores 55

8 Efeitos dos Harmônicos na Conta de Energia: ALTO CONTEÚDO HARMÔNICO PRESENTE EFEITO 01 Redução do FP Real EFEITO 02 Perda de Vida Útil dos Capacitores Acelerada CONSEQUÊNCIA: Aumento da Multa por Baixo FP EFEITO 03 Má Operação de Equipamentos (Ex: Inversores) EFEITO 04 Aumento das Perdas Elétricas em Cabos, Transformadores, Motores,, etc. CONSEQUÊNCIA - Perda de EE e Maior Consumo de kwh SOLUÇÃO FILTRAGEM DOS HARMÔNICOS 56

F I M Agradecemos a todos a participação! Estamos a disposição para esclarecimentos através do telefone e e-mail abaixo: Eng. Flávio Resende Garcia Consultor Técnico ++55 16 2109-2925 flavio.garcia@sadefem.com.br SADEFEM EQUIPAMENTOS E MONTAGENS S/A GT de Capacitores Industriais da ABINEE (ABB, EPCOS, INDELT, LORENZETTI, SADEFEM, SIEMENS, SCHNEIDER e WEG)