Correção do Fator de Potência

Correção do Fator de Potência
Prof. Marcello Mezaroba
[email protected]
@
Material elaborado e cedido pelo Prof
Prof. Cassiano Rech
Prof. Cassiano Rech
1
C ít l 1
Capítulo
• Com o avanço dos dispositivos semicondutores, o
número de cargas não-lineares tem crescido
significativamente
• Esta classe de cargas
g tem afetado significativamente
g
a
qualidade da energia elétrica nos últimos anos
• Cargas não lineares mudam a natureza senoidal das
correntes drenadas pela carga
• E
Este
t capítulo
ít l visa
i demonstrar
d
t
a relação
l ã existente
i t t entre
t
as cargas não lineares e o fator de potência
Prof. Cassiano Rech
2
C ít l 1
Capítulo
• Conceitos fundamentais de fator de potência e
distorção harmônica
ƒ Definição de fator de potência
ƒ Definição de fator de deslocamento
ƒ Definição de taxa de distorção harmônica
ƒ Normas
N
relativas
l ti
ah
harmônicos
ô i
e ffator
t d
de potência
tê i
Prof. Cassiano Rech
3
D fi i ã de
Definição
d fator
f t de
d potência
tê i
• Utilizaremos o circuito abaixo para as definições
a seguir:
iin(t)
vin(t)
Prof. Cassiano Rech
Carga
4
D fi i ã de
Definição
d fator
f t de
d potência
tê i
•
Fator de potência é definido como a razão entre a potência ativa
(P) e a potência aparente (S) consumidas por um dispositivo ou
equipamento independentemente das formas que as ondas de
equipamento,
tensão e corrente apresentem.
P
FP =
S
onde:
1 T
P = ∫ v in (t )i in (t ) dt
T 0
S = VRMS IRMS
Observação: Os sinais variantes no tempo devem ser periódicos e
de mesma freqüência.
Prof. Cassiano Rech
5
D fi i ã de
Definição
d fator
f t de
d potência
tê i
• Impactos de um baixo fator de potência
ƒ Para um mesmo valor de potência ativa, os
níveis de corrente são maiores
ƒ Maiores níveis de corrente causam um
aumento das perdas no sistema e podem
tornar necessário um redimensionamento
do sistema de fornecimento de energia
ƒ Capacidade de fornecimento de
energia do sistema (geração,
transmissão e distribuição) é reduzida
ƒ Multa
M l por energia
i reativa
i excedente
d
Prof. Cassiano Rech
6
T
Tensão
ã e corrente
t senoidais
id i
•
Supondo uma rede monofásica com fonte de tensão senoidal e
carga linear:
v in (t ) = 2VRMS sen ( ωt )
i in (t ) = 2IRMS sen ( ωt + φ )
P = VRMS IRMS cos φ
S = VRMS IRMS
S
φ
Prof. Cassiano Rech
P
Q = Potência
P ê i R
Reativa
i (VA R )
Q
Q = VRMS IRMS senφ
Q = S2 − P 2
7
T
Tensão
ã e corrente
t senoidais
id i
• Carga resistiva
Vin = 220 V, Iin = 1,36 A
P = 300 W, S = 300 VA
FP = 1
• Carga RL (φ = 30°)
Vin = 220 V, Iin = 1,57 A
P = 300 W, S = 346,4 VA
FP = 0,866
Prof. Cassiano Rech
8
T
Tensão
ã e corrente
t senoidais
id i
• Carga RL (φ = 60°)
Vin = 220 V, Iin = 2,73 A
P = 300 W, S = 600 VA
FP = 0,5
• Carga indutiva
Vin = 220 V, Iin = 2,73 A
P = 0 W, S = 600 VA
FP = 0
Prof. Cassiano Rech
9
Tensão senoidal e corrente
distorcida
ƒ Cargas lineares: as correntes solicitadas são proporcionais à tensão
aplicada. Exemplos: resistores, capacitores e indutores.
ƒ Cargas não lineares: não conservam a proporcionalidade entre a tensão
aplicada e a corrente resultante. Exemplo: retificador com filtro capacitivo.
Prof. Cassiano Rech
10
Tensão senoidal e corrente
distorcida
Qual o FP de entrada???
Prof. Cassiano Rech
11
Tensão senoidal e corrente
distorcida
Série de Fourier: qualquer sinal periódico pode ser decomposto em uma soma de
sinais senoidais.
i in (t ) = Imed +
∞
∑
h =1,2,...
2Ih sen ( hωt + φh )
HARMÔNICOS:
HARMÔNICOS:
São formas de onda senoidais com freqüências múltiplas
(h = 2, 3, ...) da freqüência em que o sistema opera
normalmente (freqüência fundamental).
Prof. Cassiano Rech
12
Tensão senoidal e corrente
distorcida
Corrente de entrada
iin(t)
+
Fundamental
Prof. Cassiano Rech
+
3º harmônico
+
+...
5º harmônico
13
Tensão senoidal e corrente
distorcida
Potência instantânea
p(t) = vin(t)*iin(t)
+
Fundamental (P = 198 W)
Prof. Cassiano Rech
+
3º harmônico (P = 0)
+
+...
5º harmônico (P = 0)
14
Tensão senoidal e corrente
distorcida
FP =
1
1 + THD
2
i
cos φ1
Fator de
distorção (kd)
Fator de
deslocamento (kφ)
Como o fator de potência é afetado pela
defasagem entre as componentes fundamentais
de tensão e corrente, e pela distorção harmônica
d corrente,
de
t é comum di
dividir
idi a potência
tê i reativa
ti
em duas parcelas:
S
Q Æ devido à defasagem entre as
fundamentais de tensão e corrente
H Æ produzida pela distorção harmônica
S = P 2 + Q2 + H 2
Prof. Cassiano Rech
Q
H
P
Tetraedro de potências
15
T
Tensão
ã e corrente
t di
distorcidas
t
id
“Nada está tão ruim que não possa piorar!”
Somente é transferida potência
ativa para a carga quando a tensão
e a corrente possuem termos
(harmônicos) na mesma freqüência.
∞
P = ∑VnIn cos φn
n =1
1
Fonte: Cortizo, P. C.
Prof. Cassiano Rech
16
Normas relativas a harmônicos e
fator de potência: Resolução 456
RESOLUÇÃO 456 – ANEEL
Condições Gerais de Fornecimento de Energia Elétrica
FATOR DE POTÊNCIA ( FP ): razão entre a energia elétrica ativa e a raiz
quadrada da soma dos quadrados das energias elétricas ativa e reativa,
consumidas
id num mesmo período
í d especificado.
ifi d
FP =
kWh
kWh 2 + kVAr 2
P Æ potência ativa;
Q Æ potência reativa;
SÆp
potência total ou aparente.
p
Prof. Cassiano Rech
17
Normas relativas a harmônicos e
fator de potência: IEC 61000-3-2
• NORMA IEC 61000-3-2 (2005)
ƒ Equipamentos com correntes de entrada menores que 16 A por
fase
ƒ Tensão nominal fase-neutro entre 220 V e 240 V, operando em
50 Hz ou 60 Hz
ƒ Válida desde Janeiro/2001 na Europa
ƒ Equipamentos são divididos em 4 categorias:
• Classe A: Equipamentos trifásicos equilibrados e todos os demais
não inclusos nas classes seguintes
• Classe B: Ferramentas portáteis
• Classe
Cl
C
C: Iluminação
Il i
ã
• Classe D:
– Até 2005: Equipamentos
q p
com forma de onda especial
p
da
corrente de entrada (75 W < P < 600 W)
– Após 2005: TV, PC e monitor de PC (75 W < P < 600 W)
Prof. Cassiano Rech
18
Normas relativas a harmônicos e
fator de potência: IEC 61000-3-2
• 95% do semi-período no
interior da envoltória
• A linha central coincide com
o valor de pico da corrente
Prof. Cassiano Rech
19
Normas relativas a harmônicos e
fator de potência: IEC 61000-3-2
•
As tabelas a seguir indicam os valores máximos para os harmônicos
de corrente, com o equipamento operando em regime permanente
1 5 vezes
• Limites são 1,5
maiores que os da Classe A
Harmôn.
pares
Harmô
ônicos
ímp
pares
• Classe menos restritiva
Limites absolutos
Prof. Cassiano Rech
Limites absolutos
20
Normas relativas a harmônicos e
fator de potência: IEC 61000-3-2
• Classe mais restritiva,, pois
p
grande parte das cargas é
para iluminação
Harmôn
n.
pares
Harrmônicos
s
ím
mpares
FP
Limites absolutos
Limites relativos
(% da fundamental)
Limites relativos
FP: fator de potência
Prof. Cassiano Rech
21
Normas relativas a harmônicos e
fator de potência: IEEE 519-1992
• IEEE 519
519-1992
1992
ƒ “IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic
Control in Electrical Power Systems
Systems”
ƒ Descreve os principais fenômenos causadores de distorção
harmônica, indica métodos de medição e limites de distorção
ƒ Limita harmônicos de tensão produzidos pelas concessionárias
ƒ Para os consumidores, limita os harmônicos de corrente em
regime permanente no ponto de acoplamento comum (PAC) com
a rede
ƒ As recomendações não se aplicam para equipamentos
individuais
ƒ Os limites para harmônicos pares são 25% dos limites para
harmônicos ímpares
ƒ Distorções de corrente que resultem em nível cc não são
Prof. Cassiano Rech admissíveis
22
Normas relativas a harmônicos e
fator de potência: IEEE 519-1992
•
Os limites
O
li i
dif
diferem d
de acordo
d com o nível
í ld
de tensão e com o nível
í ld
de
curto-circuito do PAC
•
A amplitude da corrente de curto-circuito,
curto circuito, em relação à corrente de
carga, depende da impedância do sistema
•
Quanto maior for a corrente de curto-circuito (menor impedância),
maiores
i
são
ã as di
distorções
t õ d
de corrente
t admissíveis,
d i í i uma vez que elas
l
distorcerão em menor intensidade a tensão no PAC
•
À medida q
que se eleva o nível de tensão,, menores são os limites
aceitáveis
Prof. Cassiano Rech
23
Normas relativas a harmônicos e
fator de potência: IEEE 519-1992
Limites de Distorção da Corrente para Sistemas de Distribuição (120V a 69kV)
Valores máximos dos harmônicos de corrente em percentual de IL
Ordem dos harmônicos (harmônicos ímpares)
ICC/IL
< 11
11≤h<17
17≤h<23
23≤h<35
35≤h
TDD
< 20*
4,0
2,0
1,5
0,6
0,3
5,0
20 < 50
7,0
3,5
2,5
1,0
0,5
8,0
50 < 100
10,0
4,5
4,0
1,5
0,7
12,0
100 < 1000
100 < 1000
12,0
5,5
5,0
2,0
1,0
15,0
> 1000
15,0
7,0
6,0
2,5
1,4
20,0
onde:
ICC = máxima corrente de curto-circuito no PAC
IL
= componente fundamental da máxima corrente de demanda na carga
TDD = distorção harmônica da corrente em % da máxima demanda da corrente na carga
* Todos equipamentos de geração são limitados a estes valores de distorção de corrente,
independentemente da relação ICC/IL.
Prof. Cassiano Rech
24
Normas relativas a harmônicos e
fator de potência: IEEE 519-1992
Limites de Distorção da Corrente para Sistemas de Sub-distribuição (69001 V a 161 kV)
Valores máximos dos harmônicos de corrente em percentual de IL
Ordem dos harmônicos (harmônicos ímpares)
ICC/IL
< 11
11≤h<17
17≤h<23
23≤h<35
35≤h
TDD
< 20
< 20
2,0
1,0
0,75
0,3
0,15
2,5
20 < 50
3,5
1,75
1,25
0,5
0,25
4,0
50 < 100
5,0
2,25
2,0
0,75
0,35
6,0
100 < 1000
100 < 1000
60
6,0
2 75
2,75
25
2,5
10
1,0
05
0,5
75
7,5
> 1000
7,5
3,5
3,0
1,25
0,7
10,0
Os limites foram reduzidos pela metade em relação aos limites estabelecidos
para os sistemas de distribuição!
Prof. Cassiano Rech
25
Normas relativas a harmônicos e
fator de potência: IEEE 519-1992
Limites de Distorção da Corrente para Sistemas de Transmissão (> 161 kV),
Sistemas de Geração Isolados e Sistemas de Co-geração
Valores máximos dos harmônicos de corrente em percentual de IL
Ordem dos harmônicos (harmônicos ímpares)
ICC//IL
< 11
11≤h<17
17≤h<23
23≤h<35
35≤h
TDD
< 50
2,0
1,0
0,75
0,3
0,15
2,5
≥ 50
3,0
1,5
1,15
0,45
0,22
3,75
Prof. Cassiano Rech
26
Normas relativas a harmônicos e
fator de potência: IEEE 519-1992
•
Os objetivos de limitar os harmônicos de corrente injetados na rede é
reduzir os harmônicos de tensão.
•
A tabela abaixo apresenta os valores limites dos harmônicos
individuais e da distorção total de tensão no PAC em regime
permanente.
•
Em situações transitórias, estes limites podem ser excedidos em 50%.
Limites de Distorção de Tensão
Prof. Cassiano Rech
Nível de tensão no PAC
Distorção individual
Distorção total
69 kV e abaixo
69 kV e abaixo
30%
3,0 %
50%
5,0 %
69.001 V até 161 kV
1,5 %
2,5 %
161.001 V e acima
1,0 %
1,5 %
27
Bibli
Bibliografia
fi
• José A. Pomilio, “Harmônicos e Fator de Potência: Um
Curso de Extensão”, UNICAMP. Disponível em:
<http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/>.
• R. W. Erickson,, D. Maksimovic,, “Fundamentals of Power
Electronics”, Second edition.
• Oscar Garcia
Garcia, “Power
Power Factor Correction in Single Phase
Switching Converters”, IEEE Applied Power Electronics
Conference
Prof. Cassiano Rech
28