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Correção de fator de potência em ambientes de harmônicas
Tipologia: Teses (TCC)
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Compartilhado em 05/05/2017
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Leandro Souza dos Santos
Trabalho de Conclusão de Curso de Bacharelado em Engenharia Elétrica, orientado pelo MSc. Prof. Jonas Rubini Júnior
ETEP Faculdades São José dos Campos
Leandro Souza dos Santos
MSc. Prof. Jonas Rubini Júnior Orientador Acadêmico
ETEP Faculdades São José dos Campos
Agradeço a Deus, que possibilita a realização de todas as coisas. Aos meus pais, José e Silvia, pelo apoio e motivação para que concretizasse meus sonhos e aspirações. Aos meus irmãos, Carolina e Gabriel, pela compreensão nesses anos de estudo. À minha namorada, Natalí, pelo apoio em todos os momentos e pela motivação. Aos meus amigos e colegas, sejam eles de longa data, da Polis Engenharia ou da ETEP Faculdades, pelos momentos de confraternização e pelas dificuldades também. Ao meu orientador acadêmico Professor Jonas por me acompanhar neste trabalho, auxiliando e realizando importantes apontamentos para o andamento deste.
Muito Obrigado a todos!
Este trabalho consiste em um estudo específico de filtros dessintonizados aplicados na eliminação dos efeitos das harmônicas em bancos de capacitores para correção do fator de potencia através do estudo de caso de um sistema em uma indústria alimentícia em São José dos Campos. Inicialmente, apresentou-se o comportamento do sistema trifásico em um sistema elétrico de potência e de seu principal componente, o transformador, sem considerar os efeitos de harmônicas no sistema. O conceito de fator de potência foi explanado, visando juntamente com as causas do baixo valor deste fator, sobretudo em relação aos valores normativos. Abordou-se, também, aspectos para a correção do fator de potência, destacando- se o uso de banco de capacitores controlados, o qual é utilizado no estudo de caso do sistema. Em relação à qualidade de energia, foram abordadas questões sobre o fenômeno de harmônicas em instalações com banco de capacitores. A partir desse comparativo, constatou- se a necessidade do uso de filtros dessintonizados em série com os estágios capacitivos do banco de capacitores, criando um caminho que escoe as harmônicas que podem causar ressonância no sistema, comprometendo o funcionamento e integridade do banco de capacitores. A metodologia empregada, de estudo de caso, abordou as etapas necessárias para aplicar o estudo visto às necessidades do cliente, a partir de coletas de dados, verificação da necessidade do sistema de correção do fator de potência, análise das harmônicas e desenvolvimento do filtro. Com este filtro, o sistema foi modelado para simulação onde foi constatada a eficácia do sistema, o qual dessintonizou o banco de capacitores, além de contribuir para a diminuição das harmônicas. Esses resultados foram evidenciados principalmente quando comparados com o sistema sem a presença dos filtros.
Palavras Chave: fator de potência; banco de capacitores; qualidade de energia; harmônicas; filtro.
Devido ao advento da tecnologia a utilização sistemas microprocessados tornou-se grande. Entretanto, esses sistemas são sensíveis às variações da forma de onda dos sinais de tensão e corrente, denunciando a qualidade de energia das instalações (MORÁN et al. , 1999). Essas variações são causadas por cargas não lineares, as quais produzem sinais de correntes ou tensões harmônicas no sistema, alterando a forma de onda destes, piorando a qualidade de energia (TEIXEIRA, 2009). Muitos sistemas e equipamentos são sensíveis a esse tipo de variação, tal como os bancos de capacitores os quais possuem por finalidade o acréscimo de energia reativa no sistema a fim de que o fator de potência seja corrigido de forma a ficar dentro dos valores normativos (FRAGOAS, 2008). O valor mínimo de fator de potência é de 0,92 (ANEEL, 2012) sendo que, valores abaixo a este acarretam em multa para o usuário. Logo, a função do banco de capacitores é elevar esse valor nos horários em que a produtividade é maior, horários esses que exigem maior demanda de potência. O banco de capacitores é um elemento sensível a essas distorções harmônicas, de acordo com Teixeira (2009), Em sua presença ocorre a queima de células e o mau funcionamento sistema controlador do banco. Por conta disso, e não havendo um elemento que realize essa correção ou atenuação, mesmo que de modo secundário, o fator de potência não será corrigido, ocasionando na continuação da cobrança de multas e num mau aproveitamento da utilização do transformador de serviço, uma vez que o baixo fator de potência diminui o rendimento do mesmo. (CREDER, 2007). Consequentemente, uma solução complementar faz-se imprescindível para a correção desses distúrbios, a fim de que não venha a ocorrer o efeito de ressonância entre a carga capacitiva e as harmônicas presentes no banco de capacitores (CREDER, 2007). Essa solução consiste no projeto de um filtro, dessintonizado, o qual eliminará a ocorrência das ressonâncias.
Neste trabalho objetiva-se, através de estudos e simulações teóricas, a elaboração de um filtro para correção dos efeitos das harmônicas nos bancos de capacitores, levando em consideração a ocorrência do fenômeno de ressonância. A simulação será realizada através do software PSPICE Schematics v 9.1 e Smart Meter T (Analisador P600).
1.2 JUSTIFICATIVA
Para objeto de estudo, tomou-se como base uma empresa do ramo alimentício, instalada em São José dos Campos, que utiliza uma topologia de banco de capacitores para correção do fator de potência. Esse banco encontra-se inoperante, uma vez que foi danificado em decorrência do fenômeno de ressonância, causado pelas harmônicas gerados no sistema. Assim, por causa das harmônicas, o banco não é acionado, fazendo com que essa empresa tornasse a pagar multas por baixo fator de potência.
1.3 DESCRIÇÃO DOS TÓPICOS ABORDADOS
Este trabalho foi desenvolvido de acordo com as seguintes etapas: fundamentação teórica (referenciando os sistemas trifásicos, transformadores, fator de potência, métodos para correção do fator de potência, qualidade de energia, distorções harmônicas e métodos para mitigação dos efeitos das harmônicas); metodologia (na qual será abordada, de forma metódica, a sequência para realização do estudo em questão, realizando: coletas de dados, análise da necessidade de banco de capacitores, análise dos dados de distorções harmônicas levantados em campo, desenvolvimento da solução, modelagem simplificada do sistema com simulação e levantamento do custo do sistema); resultados (que irão evidenciar os dados obtidos a partir da sistemática apresentada na metodologia); conclusão (encerrando e tecendo comentários referente aos resultados obtidos quando comparados aos dados estudados e apresentados).
v⤖⡩䙦ᡲ䙧 = ᡈ〇〗. cos䙦″ᡲ䙧 [2.1] v⤖⡰䙦ᡲ䙧 = ᡈ〇〗. cos䙦″ᡲ − 23 ․ 䙧 [2.2]
v⤖⡱䙦ᡲ䙧^ = ᡈ〇〗. cos䙦″ᡲ + 23 ․ 䙧 [2.3] Onde: vf1: Tensão na fase 1 [V]; vf2: Tensão na fase 2 [V]; vf1: Tensão na fase 1 [V]; ᡈ〇〗: Tensão de pico na fase [V]; ″: velocidade angular [rad/s]; t: Tempo [s].
Os componentes magnéticos dos geradores, as bobinas, podem ser ligadas através de duas configurações: estrela ou triângulo. Na configuração em estrela os três enrolamentos possuem um ponto comum, o qual geralmente é equipotencializado (CAPELLI, 2007). Nesta junção também há a geração do neutro como sendo o terminal com corrente nula (IN=0), em condições de equilíbrio (MARKUS, 2004). Além disso, as correntes de linha (IL) e de fase (IF) são iguais. Já a tensão de fase (VF) equivale à tensão de linha (VL) multiplicada por (^) √3. A figura 2.2 representa o esquemático da configuração em estrela.
Figura 2. 2 - Sistema trifásico em estrela Fonte: MARKUS, A configuração triângulo (ou delta) possui três terminais disponíveis (três fases sem a presença do neutro). Além disso, as tensões de linha (VL) e de fase (VF) são iguais. Já a corrente de fase (IF) equivale à corrente de linha (IL) multiplicada por (^) √3, conforme figura 2.3.
Figura 2. 3 - Sistema trifásico em triângulo Fonte: MARKUS,
Essas relações são utilizadas, sobretudo para transformadores, um dos objetos de estudo deste. Através dele, a energia elétrica gerada pode ser convertida para diversas faixas de tensão, conforme a necessidade de transmissão ou utilização. Grande parte da energia gerada e distribuída no Brasil passa, obrigatoriamente, por um ou mais transformadores (SANTOS et al. , 2006). O funcionamento do transformador baseia-se, a partir da indução eletromagnética, ou seja, mantendo a frequência e potência do sistema e, assim, possuindo dois enrolamentos, denominados primário e secundário, conforme demonstrado na figura 2.4 (BARROS, 2012). Nesta figura, observa-se que N 1 e N 2 são referências aos enrolamentos no primário (1) e secundário (2) respectivamente. Por sua vez, u 1 (t) e u 2 (t) descrevem a tensão associada a uma corrente i 1 (t) e i 2 (t) , de acordo com o enrolamento, primário (1) ou secundário (2). Todo esse sistema está submetido ao mesmo fluxo magnético, expresso por ‰ (t).
Figura 2. 4 – Esquemático de um transformador de dois enrolamentos Fonte: COTRIM, 2003
averiguação da qualidade do óleo, a Associação Brasileira de Normas Técnicas
Além desses fatores, outra fonte importante de dados para identificar as características deste equipamento é através de sua placa, onde constarão dados como correntes de curto circuito, que é utilizada nos cálculos de harmônicas, através do método de potência de curto circuito (SEIVER, 1999).
2.2 FATOR DE POTÊNCIA
Neste tópico, serão explanados os conceitos de fator de potência, a causa do baixo valor desse fator, a legislação referente aos valores normativos e formas de correção do mesmo.
2.2.1 CONCEITOS
O conceito matemático para fator de potência é a relação entre potência ativa e aparente, em um sistema elétrico (FILHO, 2002). Além disso, o fator de potência é um dos indicadores da qualidade de energia, em um sistema elétrico de potência (PRODIST, 2008). Numericamente, em sua forma fundamental, é expresso por [2.7], conforme Vasconcelos (2006):
⡩ 〡.^ ᔖ^ 㐵ᡴ䙦ᡲ䙧.^ ᡡ䙦ᡲ䙧㐹ᡖᡲ
ぇㄖ⡸〡 ぇㄖ ᡈ〙〔〠. ᠵ〙〔〠
Sendo: fp: fator de potência do sistema; T: período, em [s];
t 0 : tempo inicial da análise [s]; v(t), i(t): valores de onda instantânea de tensão e corrente [V, A]; ᡈ〙〔〠, ᠵ〙〔〠: valores eficazes de tensão e de corrente [V, A].
Entretanto, se considerarmos um sistema senoidal, sem a presença de harmônicas, a expressão pode ser simplificada , conforme Tavares (2008), de acordo com [2.8]:
ᡘᡨ = cos ‰ = P S = ᡂ 㒓䙦ᡂ⡰^ + ᡃ⡰䙧 [2.8] Onde: P: potência ativa [Watt, W]; S: potência aparente [Volt Ampère, VA]; Q: potência reativa [Volt Ampère reativo, var]; fp: fator de potência, unitário.
A potência responsável pelo trabalho útil realizado, o qual gera calor, luz, movimento é denominado Potência Ativa (P). Em termos de equação é parte real da potência complexa. A representação Q é a potência reativa do sistema. Essa potência é a responsável por criar trabalho de uma forma indireta. Em termos práticas é a parcela da potência que é a responsável por criar e manter os campos eletromagnéticos das cargas indutiva sendo, numericamente, a parte imaginária da potência complexa (BORDIM, 2011). Somando, vetorialmente, essas duas grandezas, obteremos a Potência Aparente. Essa potência é a que, verdadeiramente, é absorvida pela rede elétrica (BORDIM, 2011). Analogamente, podem-se representar essas relações através de um triângulo retângulo, no qual os catetos serão as potências ativa e reativa e, a hipotenusa, a potência aparente (WEG, 2010). A figura 2. ilustra uma representação do triângulo das potências baseado nestas condições. Observa-se que nela as grandezas estão acompanhadas do prefixo “k” (quilo).
