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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

A ELETRICIDADE PODE SER:

Armazenada no Campo Elétrico

Armazenada no Campo Magnético

Dissipada em resistores

Conceitos Básicos

C, Q +++++++++++++ - - - - - - - - - - - - -

Circuito LC

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 = vmax.sen(2π.f.t)

i = imax.sen(2π.f.t – φ)

S = v.i.cosφ . (1 – cos (4π.f.t))

– v.i.senφ . sen (4π.f.t)

Defasagem causada pela carga

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.

- P é a potência ativa - W

- Q é a potência reativa - VAr

- é a potência aparente - VA

PPotênciadeFator

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:

Qcarga – Qcapacitores = 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

Exemplo de Curva de Carga

8:00 ás 18:00hs 2,6MVAr

18:00 ás 21:00hs cai até 0,3MVAr

21:00 ás 8:00hs 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.

Série de fourier

U(t) = onda deformada a ser decomposta

f = sendo a freqüência base de decomposição

n = inteiro variando de um a infinito e

)(...)2()( 21 tnsenUtsenUtsenUtU n

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

Para a existência de harmônica de ordem 11 com 10% da fundamental:

111111

1,111)1,0(

Para a corrente total do capacitor:

UM AUMENTO DE 45%!

CnCCCC

“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

Circuito Paralelo

A frequência de oscilação do sistema é:

CLfosc

E a frequência de ressonância é:

oscaressonânci fT

Temos que:

LX L C

Para o circuito série:

Para o circuito paralelo:

CLr XXX

Para a ressonância ocorrer:

Ou seja:

Xr = zero no circuito série

Xr = infinito no circuito paralelo

• Para o circuito série:

I = infinito

• Para o circuito paralelo:

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

-250,0

-200,0

-150,0

-100,0

1,000 101,000 201,000 301,000 401,000 501,000 601,000 701,000 801,000 901,000

Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fundamental

Fatores de Distorção Sem Banco de Capacitores

V o lta g e L e v e ls

1 1 , 9 k V0 , 4 8 k V

PowerFactory 14.0.520

DATACENTER

FATORES DE DISTORÇÃO CARGA NAS UPSs 750kVA

Project:

Graphic: Grid

Date: 7/16/2013

Annex:

QGBT 1.1

7,50 %

UPS 3.1

7,83 %

TR3.1 BT

7,52 %

QF-AC 2.1B

7,56 %

QGBT 3.1

7,55 %

QGBT 2.1

7,55 %

UPS 2.1

7,85 %

QF-AC 3.1A

7,56 %

QF-AC 1.1B

7,56 %

QF-AC 2.1A

7,56 %

QF-AC 3.1B

7,51 %

QF-AC 1.1A

7,52 %

UPS 1.1

7,85 %

QGBT 5.1

3,48 %

TR2.1 BT

7,52 %

TR1.1 BT

7,47 %

TRS1 BT

3,48 %

11.9kV

3,68 %

Cap 3 SF

0,000,00

0,00000

Cap 2 SF

0,000,00

0,00000

Cap 1 SF

0,000,00

0,00000

258,474281,584,28114

498,55348,15

0,34817

20,35354,63

0,35466

79,421309,421,30926

79,381308,731,30858

79,391308,801,30865

71956,801291,781,29158

1956,631291,711,29151

0,000,00

0,00000

Carga QF-AC 2.1B

506,56319,97

0,32004

506,56-319,97

-0,32002

B107B107

506,27-319,97

-0,32003

Carga QF-AC 3.1A

506,27319,97

0,32004

B102B102947,66-644,96

-0,64456

0,000,00

0,00000

0,000,00

0,00000

Carga QGBT 5.1

498,55347,98

0,34801

Carga QF-AC 3.1B

505,02319,97

0,32004

505,02-319,97

-0,32003

B61B61

506,02-319,97

-0,32003

Carga QF-AC 1.1A

506,02319,97

0,32004 Carga QF-AC 1.1B

506,31319,97

0,32004

Carga QF-AC 2.1A

505,25319,97

0,32004

506,31-319,97

-0,32003

Carga UPS 3.1

947,66644,96

0,64460

B84B84

505,25-319,97

-0,32003

Carga UPS 2.1

947,87644,96

0,64459

Carga UPS 1.1

948,56644,96

0,64459

B56B56

948,56-644,96

-0,64454

1957,691292,381,29217

B79B79947,87-644,96

-0,64455

5,00 7,00 11,0 13,0 17,0 19,0 [-]

UPS 1.1: Harmonic Distortion in %

11.9kV: Harmonic Distortion in %

DIST V

ESPECTRO DE HARMÔNICAS CORRENTE BARRA UPS E BARRA 11,9KV

Date: 7/16/2013

Annex: /1

Espectro Sem Banco de Capacitores

Fatores de Distorção Com Banco de Capacitores

1 1 , 9 k V0 , 4 8 k V

DATACENTER

Project:

Graphic: Grid

Date: 7/16/2013

Annex:

QGBT 1.1

21,54 %

UPS 3.1

21,84 %

TR3.1 BT

21,70 %

QF-AC 2.1B

21,83 %

QGBT 3.1

21,80 %

QGBT 2.1

21,80 %

UPS 2.1

21,85 %

QF-AC 3.1A

21,82 %

QF-AC 1.1B

21,83 %

QF-AC 2.1A

21,82 %

QF-AC 3.1B

21,55 %

QF-AC 1.1A

21,56 %

UPS 1.1

21,58 %

QGBT 5.1

10,34 %

TR2.1 BT

21,71 %

TR1.1 BT

21,45 %

TRS1 BT

10,34 %

11.9kV

10,88 %

Cap 3 SF

706,760,00

0,00000

Cap 2 SF

706,77-0,00

0,00000

Cap 1 SF

706,770,00

-0,00000

217,114266,844,25097

498,56348,16

0,34870

20,35354,64

0,35521

65,861304,481,29902

65,821303,831,29837

65,821303,891,29838

71625,001291,231,28412

1624,881291,171,28403

0,000,00

0,00000

Carga QF-AC 2.1B

494,31319,98

0,32157

494,31-319,98

-0,32158

B107B107

494,03-319,98

-0,32158

Carga QF-AC 3.1A

494,03319,98

0,32157

B102B102924,82-644,98

-0,63450

0,000,00

0,00000

0,000,00

0,00000

Carga QGBT 5.1

498,56347,99

0,34854

Carga QF-AC 3.1B

492,88319,98

0,32153

492,88-319,98

-0,32155

B61B61

493,81-319,98

-0,32154

Carga QF-AC 1.1A

493,81319,98

494,08319,98

0,32157

Carga QF-AC 2.1A

493,09319,98

0,32157

494,08-319,98

-0,32158

Carga UPS 3.1

924,82644,98

0,63448

B84B84

493,09-319,98

-0,32158

Carga UPS 2.1

925,01644,98

0,63447

Carga UPS 1.1

925,65644,98

0,63457

B56B56

925,65-644,98

-0,63458

1625,801291,801,28468

B79B79925,01-644,98

-0,63449

Espectro Com Banco de Capacitores

5,00 7,00 11,0 13,0 17,0 19,0 [-]

DIST V

Date: 7/16/2013

Annex: /1

Fatores de Distorção Com BC e Filtros de 5ª Harm

1 1 , 9 k V0 , 4 8 k V

DATACENTER

Project:

Graphic: Grid

Date: 7/16/2013

Annex:

QGBT 1.1

3,38 %

UPS 3.1

3,64 %

TR3.1 BT

3,38 %

QF-AC 2.1B

3,40 %

QGBT 3.1

3,39 %

QGBT 2.1

3,39 %

UPS 2.1

3,65 %

QF-AC 3.1A

3,40 %

QF-AC 1.1B

3,40 %

QF-AC 2.1A

3,40 %

QF-AC 3.1B

3,38 %

QF-AC 1.1A

3,39 %

UPS 1.1

3,68 %

QGBT 5.1

1,60 %

TR2.1 BT

3,38 %

TR1.1 BT

3,37 %

TRS1 BT

1,60 %

11.9kV

1,70 %

Cap 3 SF

0,000,00

0,00000

Cap 2 SF

0,000,00

0,00000

Cap 1 SF

0,000,00

0,00000

217,114266,844,26678

498,56348,16

0,34816

20,35354,64

0,35464

65,861304,481,30446

65,821303,831,30381

65,821303,891,30387

71625,001291,231,29120

1624,881291,171,29114

706,76-0,00

0,00000

Carga QF-AC 2.1B

494,31319,98

0,32000

494,31-319,98

-0,32002

B107B107

494,03-319,98

-0,32002

Carga QF-AC 3.1A

494,03319,98

0,32000

B102B102924,82-644,98

-0,64490

706,770,00

-0,00000

706,770,00

-0,00000

Carga QGBT 5.1

498,56347,99

0,34800

Carga QF-AC 3.1B

492,88319,98

0,32000

492,88-319,98

-0,32002

B61B61

493,81-319,98

-0,32002

Carga QF-AC 1.1A

493,81319,98

494,08319,98

0,32000

Carga QF-AC 2.1A

493,09319,98

0,32000

494,08-319,98

-0,32002

Carga UPS 3.1

924,82644,98

0,64488

B84B84

493,09-319,98

-0,32002

Carga UPS 2.1

925,01644,98

0,64488

Carga UPS 1.1

925,65644,98

0,64487

B56B56

925,65-644,98

-0,64489

1625,801291,801,29177

B79B79925,01-644,98

-0,64490

Espectro Com BC e Filtros de 5ª Harm

5,00 7,00 11,0 13,0 17,0 19,0 [-]

DIST V

Date: 7/16/2013

Annex: /1

Fatores de Distorção - %

Impedância vs Frequência - Ohms

Perdas

kW Qt hs R$/KWh

Energia adicional

Gasto Adicional

kWh por ano

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,

Perdas em R$ por Ano

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