Compensação de Reativos e Harmônicas O que é Potência Reativa Como compensar e o que compensar Como especificar um Banco de Capacitores O que são harmônicas O que é ressonância. Apresentação das medições Como simular a operação de um Banco de Capacitores Apresentação dos resultados do Estudo de Harmônicas
Conceitos Básicos A ELETRICIDADE PODE SER: Armazenada no Campo Elétrico Armazenada no Campo Magnético Dissipada em resistores
Circuito LC i C, Q +++++++++++++ - - - - - - - - - - - - - L
No início o capacitor C está com Carga Q A chave é fechada e o capacitor começa a descarregar através da corrente i A medida que Q diminui a corrente i aumenta A energia armazenada no capacitor diminui e a energia armazenada no indutor L aumenta Quando a carga no capacitor for zero, a corrente no indutor será máxima e consequentemente a energia armazenada no indutor também será máxima A seguir o indutor vai descarregar a energia magnética armazenada até i=0 e a carga Q for máxima Dessa forma, o circuito vai oscilar indefinidamente com a corrente defasada da tensão
Elemento Símbolo Impedância Fase Corrente Ângulo Fase Relação Resistor R R Em fase com Vr 0 Vr = R. I Capacitor C Xc Adiantada de Vc -90 Vc = Xc. I Indutor L Xl Atrasado de Vl +90 Vl = Xl. I
Energia Reativa É a energia solicitada por alguns equipamentos elétricos, necessária à manutenção dos fluxos magnéticos e que não produz trabalho A unidade de medida é o quilovar-hora (kvarh)
S = v.i v = v max.sen(2π.f.t) i = i max.sen(2π.f.t φ) S = v.i.cosφ. (1 cos (4π.f.t)) Defasagem causada pela carga P v.i.senφ. sen (4π.f.t) Q
2,5 P 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5 Q
E em um Datacenter? Onde existem capacitores e indutores?
Em um SEP existem capacitores e indutores distribuídos pelas cargas Por exemplo, a grande maioria dos equipamentos de uma central de Ar Condicionado são motores de indução, que se comportam como um conjunto de indutores
Circuito Equivalente de um Motor de Indução
O que é Fator de Potência?
É a relação entre a Potência Aparente, em VA e a Potência Ativa, em W. Fator de Potência P 2 P Q 2 Onde: - P é a potência ativa - W - Q é a potência reativa - VAr - 2 2 P Q é a potência aparente - VA
FATOR DE POTÊNCIA BAIXO CONSUMO DE REATIVOS ALTO
EFEITOS DE UM BAIXO FP Aumento das perdas, que são proporcionais ao quadrado da corrente total, corrente esta que aumenta com o aumento da potência reativa Aumento das quedas de tensão que ocorrem com o aumento da corrente; Superdimensionamento da capacidade instalada
Baixo Fator de Potência Indutivo: Instalação de cargas capacitivas: capacitores Baixo Fator de Potência Capacitivo: Instalação de cargas indutivas: indutores
Capacitores São equipamentos cujo objetivo é aumentar a capacitância no circuito. Devem ser introduzidos o mais próximo possível das cargas para: reduzir as perdas nos circuitos elétricos elevar a tensão aliviar a solicitação nos transformadores e alimentadores
Passos para definição da quantidade de capacitores a ser instalada: 1. Medição da(s) curva(s) de carga da instalação 2. Definição da quantidade de Reativos que satisfaça a seguinte igualdade: Q carga Q capacitores = 0
Exemplo de Curva de Carga 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Curva de carga de reativos - MVAr MVArs necessários para manter o fator de potência em 0,92 Capacitores instalados e não retirados Fator de potência na barra da concessionária
8:00 ás 18:00hs 18:00 ás 21:00hs 21:00 ás 8:00hs 2,6MVAr cai até 0,3MVAr 0,3MVAr No último intervalo, se forem mantidos os 2,6MVAr de capacitores o FP vai para 0,17 capacitivo! Ou seja devem ser chaveados 2,13MVAr de cap s
Cargas lineares Aquecedores Motores trifásicos Capacitores Lâmpadas de filamento Cargas não lineares Inversores de frequência Retificadores Fornos de indução e a arco Lâmpadas fluorescentes Equipamentos eletrônicos de um modo geral Transformadores
A principa característica dessas cargas é que as formas de onda da corrente e da tensão NÃO são senoidais.
t Série de fourier U U1 sen( t) U2 sen(2 t)... Un sen( n t) Onde: U(t) = onda deformada a ser decomposta f = sendo a freqüência base de decomposição n = inteiro variando de um a infinito e 2 f
1. Aumento das perdas nos estatores e rotores de maquinas rotativas, perdas que podem causar sobreaquecimento danoso às máquinas; 2. O fluxo de harmônicas nos elementos de ligação de uma rede leva a perdas adicionais causadas pelo aumento do valor rms da corrente, além do surgimento de quedas de tensões harmônicas nas várias impedâncias dos circuitos. No caso dos cabos há um aumento de fadiga dos dielétricos, diminuindo sua vida útil e aumentando custos de manutenção. O aumento das perdas e o desgaste precoce da isolação também podem afetar os transformadores do sistema elétrico, em especial os transformadores de retificadores e inversores, já que estes não são beneficiados com a presença de filtros;
3. Distorção das características de atuação de relés de proteção em especial os relés de distância; 4. Aumento do erro de instrumentos de medição de energia que estão calibrados para medir ondas senoidais puras. Este erro pode chegar a até 6 % acima do calor real; 5. Interferência em equipamentos de comunicação, aquecimento em reatores de lâmpadas fluorescentes, interferência na operação de computadores, interferência em equipamentos tiristorizados de variação de velocidade, etc.; 6. Perdas extras em capacitores para correção de fator de potência; 7. Aparecimento de ressonâncias entre os capacitores para correção do fator de potência e o restante do sistema, causando sobretensões e sobrecorrentes que podem causar sérios danos ao sistema.
Impedância e Corrente de um Capacitor X C 1 C I C U C
Para a existência de harmônica de ordem 11 com 10% da fundamental: I C11 (0,1 U 1 ) 11 C 1 1,1 U 1 C 1 I C11 1,1 I C1
Para a corrente total do capacitor: UM AUMENTO DE 45%! 1 2 1 2 1 2 2 3 2 2 2 1 1,45 1,1... C C C C C Cn C C C C I I I I I I I I I I
A ocorrência de ressonância em circuito elétrico se dá quando, através de uma excitação externa periódica, obtém-se amplitudes de corrente ou de tensão máximas. Definição de Halliday & Resnick, em Fundamentos da Física (volume III)
Circuito Série UL L U0 UC C i
Circuito Paralelo i il ic u L C
A frequência de oscilação do sistema é: f osc 2 1 L C
E a frequência de ressonância é: f ressonânci a 1 T f osc
Temos que: X L L 1 X C C
Para o circuito série: X r X L X C Para o circuito paralelo: X r X X L L X X C C
Para a ressonância ocorrer: L 1 C X L X C Ou seja: Xr = zero no circuito série Xr = infinito no circuito paralelo
Para o circuito série: I U Xr I = infinito Para o circuito paralelo: U Xr I U = infinito
ETAPAS DE ESTUDO DE HARMÔNICAS 1. Medições de componentes harmônicas; 2. Coleta de dados - topologia; 3. Modelagem do sistema elétrico; 4. Simulações e escolha de alternativas.
MEDIÇÃO Corrente na UPS BBY#2A - Forma de Onda de Tensão Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fundamental 250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0,0 1,000 101,000 201,000 301,000 401,000 501,000 601,000 701,000 801,000 901,000-50,0-100,0-150,0-200,0-250,0
B62 B85 B108 B16 B17 B20 B23 TRS1 TR1.1 TR2.1 TR3.1 DIgSILENT Fatores de Distorção Sem Banco de Capacitores 3,68 % 11.9kV 20,35 354,63 0,35466 79,39 1308,80 1,30865 258,47 4281,58 4,28114 CPFL 79,38 1308,73 1,30858 V o lta g e L e v e ls 79,42 1309,42 1,30926 1 1, 9 k V 0, 4 8 k V TRS1 BT 3,48 % QGBT 5.1 3,48 % 498,55 348,15 0,34817 498,55 347,98 0,34801 TR1.1 BT 7,47 % QGBT 1.1 7,50 % 1956,80 1291,78 1,29158 000 000 Cap 1 SF TR2.1 BT 7,52 % QGBT 2.1 7,55 % 1956,63 1291,71 1,29151 000 000 Cap 2 SF TR3.1 BT 7,52 % QGBT 3.1 7,55 % 1957,69 1292,38 1,29217 Cap 3 SF 000 000 Carga QGBT 5.1 UPS 1.1 7,85 % Carga UPS 1.1 QF-AC 1.1A 7,52 % 948,56-644,96-0,64454 948,56 644,96 0,64459 506,02-319,97-0,32003 506,02 319,97 B56 B61 QF-AC 3.1B 7,51 % 505,02-319,97-0,32003 505,02 319,97 0,32004 Cap 1 UPS 2.1 7,85 % QF-AC 2.1A 7,56 % 947,87-644,96-0,64455 947,87 644,96 0,64459 Carga UPS 2.1 505,25-319,97-0,32003 505,25 319,97 0,32004 B79 B84 QF-AC 1.1B 7,56 % 506,31-319,97-0,32003 506,31 319,97 0,32004 Cap 2 0,32004 Carga QF-AC 3.1B Carga QF-AC 2.1A Carga QF-AC 1.1B UPS 3.1 7,83 % QF-AC 3.1A 7,56 % 947,66-644,96-0,64456 947,66 644,96 0,64460 Carga UPS 3.1 506,27-319,97-0,32003 506,27 319,97 0,32004 Carga QF-AC 3.1A B102 B107 QF-AC 2.1B 7,56 % 506,56-319,97-0,32002 506,56 319,97 0,32004 Cap 3 Carga QF-AC 2.1B Carga QF-AC 1.1A PowerFactory 14.0.520 DATACENTER FATORES DE DISTORÇÃO CARGA NAS UPSs 750kVA Project: Graphic: Grid Date: 7/16/2013 Annex:
DIgSILENT Espectro Sem Banco de Capacitores 1 8,00 6,00 4,00 2,00 5,00 7,00 11,0 13,0 17,0 19,0 [-] UPS 1.1: Harmonic Distortion in % 11.9kV: Harmonic Distortion in % ESPECTRO DE HARMÔNICAS CORRENTE BARRA UPS E BARRA 11,9KV DIST V Date: 7/16/2013 Annex: /1
B62 B85 B108 B16 B17 B20 B23 TRS1 TR1.1 TR2.1 TR3.1 DIgSILENT Fatores de Distorção Com Banco de Capacitores 10,88 % 11.9kV 20,35 354,64 0,35521 65,82 1303,89 1,29838 217,11 4266,84 4,25097 CPFL 65,82 1303,83 1,29837 V o lta g e L e v e ls 65,86 1304,48 1,29902 1 1, 9 k V 0, 4 8 k V TRS1 BT 10,34 % QGBT 5.1 10,34 % 498,56 348,16 0,34870 498,56 347,99 0,34854 TR1.1 BT 21,45 % QGBT 1.1 21,54 % 1625,00 1291,23 1,28412 706,77-000 000 Cap 1 SF TR2.1 BT 21,71 % QGBT 2.1 21,80 % 1624,88 1291,17 1,28403 706,77-000 000 Cap 2 SF TR3.1 BT 21,70 % QGBT 3.1 21,80 % 1625,80 1291,80 1,28468 Cap 3 SF 706,76 000 000 Carga QGBT 5.1 UPS 1.1 21,58 % Carga UPS 1.1 QF-AC 1.1A 21,56 % 925,65-644,98-0,63458 925,65 644,98 0,63457 493,81-319,98-0,32154 493,81 319,98 B56 B61 QF-AC 3.1B 21,55 % 492,88-319,98-0,32155 492,88 319,98 0,32153 Cap 1 UPS 2.1 21,85 % QF-AC 2.1A 21,82 % 925,01-644,98-0,63449 925,01 644,98 0,63447 Carga UPS 2.1 493,09-319,98-0,32158 493,09 319,98 0,32157 B79 B84 QF-AC 1.1B 21,83 % 494,08-319,98-0,32158 494,08 319,98 0,32157 Cap 2 0,32153 Carga QF-AC 3.1B Carga QF-AC 2.1A Carga QF-AC 1.1B UPS 3.1 21,84 % QF-AC 3.1A 21,82 % 924,82-644,98-0,63450 924,82 644,98 0,63448 Carga UPS 3.1 494,03-319,98-0,32158 494,03 319,98 0,32157 Carga QF-AC 3.1A B102 B107 QF-AC 2.1B 21,83 % 494,31-319,98-0,32158 494,31 319,98 0,32157 Cap 3 Carga QF-AC 2.1B Carga QF-AC 1.1A PowerFactory 14.0.520 DATACENTER FATORES DE DISTORÇÃO CARGA NAS UPSs 750kVA Project: Graphic: Grid Date: 7/16/2013 Annex:
DIgSILENT Espectro Com Banco de Capacitores 3 2 1 5,00 7,00 11,0 13,0 17,0 19,0 [-] UPS 1.1: Harmonic Distortion in % 11.9kV: Harmonic Distortion in % ESPECTRO DE HARMÔNICAS CORRENTE BARRA UPS E BARRA 11,9KV DIST V Date: 7/16/2013 Annex: /1
B62 B85 B108 B16 B17 B20 B23 TRS1 TR1.1 TR2.1 TR3.1 DIgSILENT Fatores de Distorção Com BC e Filtros de 5ª Harm 1,70 % 11.9kV 20,35 354,64 0,35464 65,82 1303,89 1,30387 217,11 4266,84 4,26678 CPFL 65,82 1303,83 1,30381 V o lta g e L e v e ls 65,86 1304,48 1,30446 1 1, 9 k V 0, 4 8 k V TRS1 BT 1,60 % QGBT 5.1 1,60 % 498,56 348,16 0,34816 498,56 347,99 0,34800 TR1.1 BT 3,37 % QGBT 1.1 3,38 % 1625,00 1291,23 1,29120 000 706,77-000 Cap 1 SF TR2.1 BT 3,38 % QGBT 2.1 3,39 % 1624,88 1291,17 1,29114 000 706,77-000 Cap 2 SF TR3.1 BT 3,38 % QGBT 3.1 3,39 % 1625,80 1291,80 1,29177 Cap 3 SF 000 706,76-000 Carga QGBT 5.1 UPS 1.1 3,68 % Carga UPS 1.1 QF-AC 1.1A 3,39 % 925,65-644,98-0,64489 925,65 644,98 0,64487 493,81-319,98-0,32002 493,81 319,98 B56 B61 QF-AC 3.1B 3,38 % 492,88-319,98-0,32002 492,88 319,98 0,32000 Cap 1 UPS 2.1 3,65 % QF-AC 2.1A 3,40 % 925,01-644,98-0,64490 925,01 644,98 0,64488 Carga UPS 2.1 493,09-319,98-0,32002 493,09 319,98 0,32000 B79 B84 QF-AC 1.1B 3,40 % 494,08-319,98-0,32002 494,08 319,98 0,32000 Cap 2 0,32000 Carga QF-AC 3.1B Carga QF-AC 2.1A Carga QF-AC 1.1B UPS 3.1 3,64 % QF-AC 3.1A 3,40 % 924,82-644,98-0,64490 924,82 644,98 0,64488 Carga UPS 3.1 494,03-319,98-0,32002 494,03 319,98 0,32000 Carga QF-AC 3.1A B102 B107 QF-AC 2.1B 3,40 % 494,31-319,98-0,32002 494,31 319,98 0,32000 Cap 3 Carga QF-AC 2.1B Carga QF-AC 1.1A PowerFactory 14.0.520 DATACENTER FATORES DE DISTORÇÃO CARGA NAS UPSs 750kVA Project: Graphic: Grid Date: 7/16/2013 Annex:
DIgSILENT Espectro Com BC e Filtros de 5ª Harm 1 8,00 6,00 4,00 2,00 5,00 7,00 11,0 13,0 17,0 19,0 [-] UPS 1.1: Harmonic Distortion in % 11.9kV: Harmonic Distortion in % ESPECTRO DE HARMÔNICAS CORRENTE BARRA UPS E BARRA 11,9KV DIST V Date: 7/16/2013 Annex: /1
Fatores de Distorção - %
Impedância vs Frequência - Ohms
Perdas kw Perdas em R$ por Ano Qt hs R$/KWh Energia adicional kwh por ano Gasto Adicional R$ por ano Sit 1 2,39 24 0,329 20.936 6.888, Sit 2 80,06 24 0,329 701.326 230.736, Sit 3 0,48 24 0,329 4.205 1.383,