Harmônicas Compensação - feis.unesp.br · Passo 3: definição da potência nominal e demais...

Prof. Origa

Harmônicas – Compensação

www.feis.unesp.br/laqee

• redução de harmônicas com a modificação da resposta em frequência do sistema.

• redução de harmônicas com alteração da sensibilidade à sequência de fase.

• robustos / baixo custo / volumosos / dinâmica pobre

• uso de chaves eletrônicas - injeção de corrente ou tensão sintetizada.

• eficientes / boa dinâmica / alto custo / sensíveis a distúrbios / limitados em potência

• Construídos a partir da combinação das vantagens das diferentes tecnologias.

Filtros Ativos ( compensadores de harmônicas ):

Dispositivos Híbridos:

Filtros Passivos:

Supressores de Harmônicas

Compensação de Harmônicas


Fundamentos :

Prover caminho de baixa impedância para determinadas ordens harmônicas;

Caminho de baixa impedância proporcionado pela ressonância série.

CLT jXjXX

CL XX

C.f/L.f rr 212

Ressonância série ( XT = 0 )

r

LfQ r.2

LCf

r2

1Frequência de sintonia: Fator de Qualidade:

Compensação de Harmônicas (Filtros Ressonantes)


Características operacionais:

I

V

E

J

Carga não linear Filtro

Sistema CA

Corrente harmônica associada a ( J)

Distorção na tensão

associada a (J)

Distorção na tensão

associada a (E)

Distorção devido carga remotas

Corrente harmônica remanescente

Corrente harmônica

associada a (E)

Harmônicas

Residuais

Corrente harmônica

filtrada

V



Requer inicialmente um grande número de informações: • conhecimento detalhado do sistema alimentador no PAC;

• distorções harmônicas produzidas pelas cargas não lineares;

• distorção harmônica na tensão de alimentação;

• potência reativa a ser compensada;

Dimensionamento e ajustes dos sistemas de filtragem passiva: • pode ser um processo muito exaustivo e lento

Diretrizes Para o Dimensionamento

O ajuste dos sistemas de filtragem pode ser realizado: • Metodologias no domínio do tempo

• Metodologias no domínio da frequência



Domínio do tempo: • não revela as causas da degradação do desempenho;

• condição operacional particularizada;

• grande esforço computacional;

• simulação lenta.

• cálculo de transmitâncias e da resposta em frequência;

• superposição de efeitos;

• investigar influência de cada parâmetro individualmente;

• revela possíveis causas da degradação de desempenho;

• simulação rápida e sistematizada.

Domínio da frequência:

Recomendação: • Uso combinado das duas metodologias


Diretrizes Para o Dimensionamento


Premissas: • na frequência fundamental o sistema deve ser capacitivo para corrigir o FD para cos ɸ;

• O filtro deve ser ressonante para ordem harmônica hr.

dadai tgtg.PQQQ

Passo 1: potência reativa líquida inicial do filtro ( potência nominal do filtro )

LCi QQQ

Qi


Procedimentos básicos para o dimensionamento


Passo 2: definição da ordem harmônica de sintonia hr e potência dos capacitores

i

ni

Q

VX

2

rr h

C

h

L XX Na ressonância em hr :

r

CLr

h

XXh

LCi XXX

2

r

CCi

h

XXX i

r

rC X.

h

hX

12

2

Potência equivalente dos capacitores:

C

nC

X

VQ

2

( Reatâncias na frequência fundamental )

( Reatâncias para a ordem harmônica hr )




Passo 3: definição da potência nominal e demais parâmetros do filtro

Considerando unidades capacitivas padronizadas: CCf QQ

2

r

Cf

Lfh

XX Determinação da reatância indutiva e indutância nominais:

Cf

nCf

Q

VX

2

f

XL

Lf

f2

Potencia reativa nominal: )XX(

VQ

LfCf

nf

2

Resistência de amortecimento:

FQ

h.XR

rLf

f FQ - Fator de qualidade

Dimensionamento

Cf

fX.f

C2

1

FQ: parâmetro de ajuste que representa uma indicação da máxima

quantidade de energia que é armazenada em comparação com

a máxima energia dissipada em um intervalo de tempo..



Passo 4: verificação das condições de funcionamento dos capacitores

Atendimento aos limites estabelecidos na norma IEEE 18-2012 ( regime permanente ).

Grandezas Limites (% valores nominais)

Tensão de pico 120

Tensão RMS 110

Corrente RMS 135

Potência reativa 135

Condições operacionais dos capacitores:

Vcap

• Avaliar Vcap e verificar se os níveis de tensão, corrente e

potência atendem os limites operacionais necessários para

garantir a expectativa de vida útil.

Vcap




Avaliação das condições operacionais dos capacitores ( requisitos mínimos na hr ):


r

Cf

rLf

t

rnt

h

Sh

h

Xh.X

S

h.V.x

VI r

r 2

2 3

rShI

rrr hShfh JII

r

Cf

fh

Y

Chh

XIV

hr

Y

ChCh rrV.V 3

22

1 rfhf

T

f III

22

1

Y

Ch

Y

C

TY

C rVVV

TY

C

T

C V.V 3

21 ).VV(V Y

Ch

Y

C

Ypico

C r

T

f

T

C

T

C I.V.Q 3

21 ).VV(VrChC

pico

C




Avaliação das condições operacionais dos capacitores ( abrangente ):

Zsh Ih Uh

Vcap

• Filtro:

• Sistema:


• Transformador :

• Medição / avaliação das fontes harmônicas: Eh Jh

SCC

Xt% St

Vn

Lfiltro Qfiltro Rfiltro

x/r

• Metodologia da reposta em frequência das transmitâncias harmônicas:


Definir um novo nível de isolamento para os capacitores;



Passo 5: condições de contorno para adequação do projeto

Definir “detuning“ na frequência de ressonância do filtro;

Definir novo fator de qualidade para o filtro;

Subdividir o filtro em novos braços sintonizados;

Mudar a topologia do filtro;

Outros procedimentos complementares.

Procedimentos complementares para o dimensionamento



• Nível de compensação reativa ( QT );

• Alocação da potencia reativa por braço ( Q1 + Q2 + Q3 + ... + Qn = QT );

• Dessintonização das ressonâncias dos braços ( fr1 , fr2 , fr3 ... frn ).

Otimização da filtragem ( ajustes na topologia dos ramos ressonantes ) :

Análise do Desempenho

Método convencional : aproximações sucessivas ( tentativa e erro )

+ ( simulações no domínio do tempo )

(*) Método alternativo : resposta em frequência das transmitâncias

+ ( técnicas de otimização )

Otimização (detuning, braços, fator de qualidade)


Procedimentos admissíveis: ajuste das variáveis L e C

f(x) = f ( L1, C1 , L2 , C2 , L3 , C3 , ... Ln , Cn ) n – braços ressonantes

Objetivos:

• minimizar a distorção da tensão no barramento da carga : u

• minimizar a distorção na corrente de alimentação : i • Função a ser minimizada : f(x) = PT. DTHT + PI . DIHT PT e PI - pesos

Otimização (detuning, braços, fator de qualidade)



psT ZZZ

psT XXX Desprezando-se R:

ccs LX .

Impedância total equivalente:

ps

a

ZZ

ZA

ps

xZZ

Y

1

ps

asY

ZZ

ZZZ

ps

a

ZZ

ZB

Transmitâncias

indutivoX p

capacitivoX p

Resposta em frequência das transmitâncias otimização



Redistribuição da potência reativa de compensação entre os braços

b1 (33.3%) b2 (33.3%) b3 (33.3%)

Resposta em frequência das transmitâncias ( potencia reativa capacitiva)

b1 (70%) b2 (20%) b3 (10%)



Ajustando-se os capacitores ou os indutores ( mais utilizada )

Sintonias: 5.f1 / 7.f1 / 11.f1 Sintonias: 5.f1 / 6.6.f1 / 11.f1

Resposta em frequência das transmitâncias ( detuning )



Ajustes dos Filtros Ressonantes

U

E

J

I

Tensão nominal do sistema (V) 220

Freqüência nominal ( Hz) 60

Relação X/R no PAC 5

(Scc no PAC) / (Pativa da carga) 40

Potência aparente da carga linear (kVA) 1,0

Fator de deslocamento na carga 0,71


Tensão (E) Corrente (J)

H % E1 Graus % J1 Graus

1 100,0 0,0 100,0 -44,8

3 2,0 -30,0 3,0 0,0

5 1,5 0,0 20,0 0,0

6 0,3 0,0 2,0 0,0

7 1,2 0,0 15,0 -20,0

9 1,5 0,0 5,0 0,0

11 1,0 0,0 9,0 0,0

13 1,0 0,0 8,0 -45,0

DHT(%) 3,47 - 28,43 -

Fonte harmônica - J

Fonte harmônica - E


Resultados sem otimização:


Dimensionamento dos filtros braço 1 braço 2 braço 3

Fator de qualidade 50 50 50

Contribuição para correção do Fd (%) 33,33 33,33 33,33

Ordem harmônica de sintonia original 5 7 11

-1,5

0

1,5

0

-1,5

0

1,5

0

(J) THD=28,4

(I) TDH=24,4%

(U) THD=7,1%

(E) THD=3,5%


Ajustes de Filtros Ressonantes ( redistribuição da potência reativa )

Dimensionamento dos filtros ( inicial ) braço 1 braço 2 braço 3



Ordem harmônica de sintonia original 5 7 11

-1,5

0

1,5

0

J(t) u(t)

-1,5

0

1,5

0

e(t) i(t)

-1,5

0

1,5

0

-1,5

0

1,5

0

Distribuição

uniforme da

potência reativa

(sem otimização)

0

5

10

15

20

25

3 5 6 7 9 11 13

J I

0

5

10

15

20

25

3 5 6 7 9 11 13

J I

Distribuição

otimizada da

potência reativa

(otimizado)

Critério de Otimização (PT=0,5 e PI=0,5)

Índice Uniforme Otimizado %

DIHT 24,4 15,2 37,9

DTHT 7,1 3,2 55,0


J I U E


Ajustes de Filtros Ressonantes ( dissintonia das ressonâncias )

Dimensionamento dos filtros ( inicial ) braço 1 braço 2 braço 3



Ordem harmônica de sintonia original 4,97 7,34 11,98

-1,5

0

1,5

0

-1,5

0

1,5

0

Ressonâncias

sintonizadas

(sem otimização)

0

5

10

15

20

25

3 5 6 7 9 11 13

J I

Ressonâncias

dessintonizadas

(otimizado)

Critério de Otimização (PT=0,5 e PI=0,5)

Índice Uniforme Otimizado %

DIHT 24,4 15,9 36,9

DTHT 7,1 3,7 48,2

-1,5

0

1,5

0

J(t) u(t)

-1,5

0

1,5

0

e(t) i(t)

0

5

10

15

20

25

3 5 6 7 9 11 13

J I

J U I E



Topologias usuais

Filtros Sintonizado ( passa banda ):

• Alternativa simples e econômica;

• Eficaz na frequência de sintonia, devido a baixa impedância;

• Baixa influencia para harmônicas distantes da sintonia

Filtros Amortecido simples ( passa alta ):

• Boa eficiência na frequência de sintonia e frequências harmônicas superiores;

• Tipicamente utilizado em frequências mais elevadas( a partir da 7 ordem)

• Altas perdas no resistor ( à frequência fundamental)

Filtros Amortecido Tipo C ( passa alta ):

• Alternativa simples e econômica;

• Eficaz na frequência de sintonia, devido a baixa impedância;

• Baixa influencia para harmônicas distantes da sintonia



Filtros Ressonantes ( arranjos usuais – resposta em frequência )

Sintonizados e amortecidos simples Amortecido Tipo C

Rp=200Ω

Rp=50Ω

Z(Ω) Z(Ω) Rp=150Ω

Rp=50Ω

C.L..jR)(Zf sS

1

1

111

ssp

AL..jR(RC..j

)(Zf

1

1

21

111

C..jL..jR

RC..j)(Zf

sp

C



• Bloqueio do fluxo das componentes de sequencia zero das correntes;

• Confinamento do fluxo das componentes de sequencia zero das correntes;

Fundamentos:

Aplicações:

• filtro para componentes harmônicas de sequencia zero (triplens);

• atenuação dos desequilíbrios devido a cargas monofásicas.

Vantagens:

• dispositivos robustos e confiáveis;

• custos relativamente reduzidos;

• não criam novas ressonâncias paralelas;

•Atuam sobre todo o espectro harmônico de sequencia zero.

Compensação de Harmônicas (Filtros de Sequencia)


ShARhPhRN VVV

)II(MILILhjVhThRhTmhRRhP

)II(MILILhjVhShRhSmhRShA

Filtro Eletromagnético de Sequência Zero

• baixa impedância para as componentes harmônicas de sequência zero;

• conexão paralela.

Arranjo eletromagnético: L – indutâncias próprias dos enrolamentos;

Lm – indutâncias mútuas entre enrolamentos de uma mesma coluna magnética;

M – indutâncias mútuas entre enrolamentos de colunas magnéticas adjacentes;

)2()(2hhhhhhh TSRSTmRRN IIIMIILILhjV



00 ]..[2 hmh ILLhjV L.kL im 00 ].1.[2 hih IkhLjV


Desempenho para Sequência Zero:

)2()(2 0000000

hhhhhmhh IIIMIILILhjV

0000

hThShRh IIII

Desempenho em Sequência Positiva e Negativa:

121 . hSh II 11 . hTh II 11

hRh II

)2()(2 212111 hhmhh IMILILhjV

)12()1(2 1111 hhmhh IMILILhjV 11 )12()1(2 hmh IMLLhjV

2,12,1 ].32.[ hmh IMLLhjV 2

LkM i


2121 502 ,

hi

,

h I].k,.[hLjV




iffhfh khLjrZ 1200

iif

,

fh

,

fh k,hLjrZ 5022121

Impedância de Sequência ( Zero) :

Impedâncias de Sequência (+) e (-):

Arranjo banco de monofásicos Arranjo com núcleo trifásico


Carga não Linear Distribuição por fase

Correntes de alimentação

Distribuição Sequencial

SEQUENCIA ORDENS HARMONICAS

Positiva h = 1,4,7 ... ou (3m+1)

Zero h = 3,6,9 ... ou (3m+3)

Negativa h = 2,5,8, ... ou (3m-1)

m = 0,1,2,3 ...



Filtro e Sequência Zero ( exemplo )

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

0 1 3 4 5 7 8 9 11 12 13 14 16

t e mpo ( ms)

V

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 1 3 4 5 7 8 9 11 12 13 14 16

t e mpos ( ms)

A

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 1 3 4 5 7 8 9 11 12 13 14 16

t e mpos ( ms)

A

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0 1 3 4 5 7 8 9 11 12 13 14 16

t e mpos ( ms)

A

componentes de fase – FASE R

DHT=11,4%

DHT:75,2%

DHT=29,5%



Atuação do Filtro e Sequência Zero ( exemplo )

componentes de sequencia

DHT=11,4%

DHT:75,2%

DHT=29,5%



hhh TmSmRRh ILILILhjV

Bloqueador Eletromagnético de Sequência Zero

• alta impedância para as componentes harmônicas de sequência zero;

• conexão série.

Arranjo eletromagnético: L – indutâncias próprias dos enrolamentos;

Lm – indutâncias mútuas entre enrolamentos;



00 2 hmh ILL.hjV L.Lm 00 21 hh I.hLjV


Desempenho para Sequência Zero:

0000

hThShRh IIII

Desempenho em Sequência Positiva e Negativa:

121 . hSh II 11 . hTh II 11

hRh II


0000

hmhmhh ILILILhjV

112121

hmhmh

,

h ILILILhjV

112121

hhh

,

h ILILILhjV

1221 1 h

,

h I)(hLjV 121 1 h

,

h IhLjV




2100 bbhbh hLjrZ

12121

b

,

bh

,

bh hLjrZ

Impedância série de Sequência ( Zero) :

Impedâncias série de Sequência (+) e (-):

Arranjo com núcleo envolvente Arranjo com núcleo envolvido

www.feis.unesp.br/laqee Compensação de Harmônicas

Filtro e Bloqueador de Sequência Zero

Prover um caminho de baixa impedância para as componentes de sequência zero;

Reduzir o fluxo de componentes de sequência zero;

Filtro para componentes harmônicas “triplens” ( forte concentração na sequência zero).

Objetivos:


Tensão de alimentação (V) 220

Frequência (Hz) 60

Relação X/R a 60 Hz 1,72

Scc / Pcarga 75

Potência da carga linear (kVA) 0,4

Fator de potência da carga linear 0,87

Nível de compensação do FD (%) 70

Correntes no PAC

CHAVES: S(aberta) S1 (fechada) S2 (aberta)

Espectro da Fase A

Ia Ib Ic

RMS (A) 1,630 1,627 1,624

DTI (%) 32 31 32

FP 0,87 0,87 0,87


Operação Conjunta Filtro e Bloqueador de Sequência Zero


Ia Ib Ic

RMS (A) 1,57 1,56 1,58

DTI (%) 34% 32% 36%

FP 0,92 0,93 0,92

Correntes no PAC

CHAVES: S(fechada) S1 (fechada) S2 (aberta)

Espectro da Fase A



Seq(+) Seq (-) Seq 0


Ia Ib Ic

RMS (A) 1,53 1,53 1,53

DTI (%) 21% 22% 23%

FP 0,96 0,95 0,95

Correntes no PAC

CHAVES: S(fechada) S1 (aberta) S2 (fechada)

Espectro da Fase A



Seq(+) Seq (-)

Seq 0



Ia Ib Ic

RMS (A) 1,50 1,50 1,50

DTI (%) 14% 15% 16%

FP 0,97 0,96 0,96

Correntes no PAC

CHAVES: S(fechada) S1 (aberta) S2 (fechada)

Espectro da Fase A


Seq(+) Seq (-)

Seq 0


Combinação de topologias ressonantes (sintonizados e amortecidos).

• redistribuição da potencia reativa por braço;

• dessintonia dos ramos ressonantes (detuning);

• alteração do nível de compensação reativa;

Combinação de tecnologias de filtragem (ressonantes / sequencia / ativos)

Diretrizes Para Sistemas Híbridos

Compensação de Harmônicas

Buscar arranjos que incorporem os aspectos técnicos e econômicos mais atrativos das diferentes tecnologias de filtragem e/ou atenuação de harmônicas.


Tensão nominal do sistema (V) 220

Freqüência nominal ( Hz) 60

Relação X/R no ponto de acoplamento (PAC) 1,72

Relação entre o Scc no PAC e a potência ativa da carga 14,2

Potência aparente nominal na carga linear (kVA) 1,0

Fator de deslocamento na carga 0,71

Condições na carga

Opções de filtragem de 3h

Desempenho somente com filtros ressonantes:

Compensação de Harmônicas (Híbridos)

Arranjo com Filtros Ressonantes e Filtros de Sequência


Condições: Ressonantes Carga Fonte

Tensão eficaz média (pu) 0,93 1

DHT média na tensão (%) 6,7 0

Corrente eficaz média (pu) 1,32 1,16

DHT média na corrente (%) 28,3 14,3

Fator de potência médio 0,87 0,987





O resíduo de 4a harmônica na corrente J excitando ressonâncias

hk

h

k EYJAΙ )..

hkh

k EBJZU ..


Causas e Efeitos

Desempenho somente com filtros ressonantes: Desempenho somente com filtros ressonantes:




DHT = 28,3% DHT = 14,3%

DHT = 6,7%

Correntes na carga (J) Correntes na fonte (I)

Tensões na carga (U) Tensões na fonte (E)

DHT = 0%

CAUSAS EFEITOS





44 ).. EYJAΙ

Amplificação da harmônica de ordem 4 :

Não tem excitação

X

Xs

X

Xs

Desempenho somente com filtros ressonantes: Desempenho somente com filtros ressonantes:




Condições: hibrido Carga Fonte

Tensão eficaz média (pu) 0,93 1

DHT média na tensão (%) 3,3 0

Corrente eficaz média (pu) 1,32 1,16

DHT média na corrente (%) 28,3 8,3

Fator de potência médio 0,87 0,99

Desempenho somente com arranjo híbrido:





hk

h

k EYJAΙ )..

hkh

k EBJZU ..


Causas e Efeitos

O resíduo de 4a harmônica na corrente J excitando ressonâncias




DHT = 28,3% DHT = 8,3%

DHT = 3,3%

Correntes na carga Correntes na fonte

Tensões na carga Tensões na fonte

DHT = 0%

CAUSAS EFEITOS






Xs

X

Condições para harmônica de ordem 4 :

X

Xs

44 ).. EYJAΙ

Não tem excitação Jh , Eh

40

4

0 ).. EYJAΙ




Índices ( médios ) Híbrido Ressonantes

Tensão eficaz média na carga 0,930 pu 0,931 pu

DHT média da tensão na carga 3,3 % 6,7 %

Corrente eficaz na fonte 1,161 pu 1,162 pu

DHT da corrente na fonte 8,3 % 14,3 %

Fator de potência na fonte 0,990 0,987

Resumo da Analise comparativa:



Tensões na Carga: U(t)

Correntes na fonte: I(t)



Arranjo com Filtros de Sequência e Filtro Ativo

Harmônicas Compensação - feis.unesp.br · Passo 3: definição da potência nominal e demais...

Documents

Transcript of Harmônicas Compensação - feis.unesp.br · Passo 3: definição da potência nominal e demais...