Cortes de tensão, harmônicas e fator de potência em

Cortes de tensão, harmônicas e fator de potência
em sistema com cargas dinâmicas
O artigo relata o caso de uma plataforma de petróleo marítima em que se
conseguiu a diminuição de perturbações (cortes transitórios de tensão e
harmônicos) e a correção do fator de potência com o emprego de uma solução
dinâmica. Precede a apresentação uma análise sobre as causas das
perturbações em instalações com cargas de variação rápida e como elas
deterioram a qualidade da energia.
Cesar Chavez,
da Arteche (México)
Cargas dinâmicas são comuns em diversas
aplicações industriais, como motores, máquinas
de solda, elevadores, britadores, trituradores,
etc. A maioria dos motores dessas aplicações
utilizam retificadores CA/CC ou acionamentos de
freqüência variável, para atingir a eficiência
necessária ou controlar com precisão a
velocidade do motor. A utilização desses
conversores produz distorções harmônicas nas
formas de onda de tensão e corrente, assim
como deterioração do fator de potência. Devido à
condição dinâmica (variação rápida) das cargas,
a demanda de quilovolt-ampères (kVA) implicará
a necessidade de maior capacidade do sistema
(incluindo a geração) e resposta rápida, ainda
que a capacidade total em kVA só vá ser utilizada
para atender aos picos de demanda da potência
reativa.
Portanto, essas modernas cargas de eletrônica
de potência encontradas em grandes instalações
industriais geralmente não são amigáveis à
qualidade de energia. Elas têm várias
características operacionais que, se não tratadas
apropriadamente,
podem
prejudicar
a
produtividade. Profissionais de instalações e
gerentes que trabalham nesses ambientes
devem estar atentos para esses problemas
potenciais e conhecer as formas de identificá-los
no processo produtivo.
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A plataforma operava com dois grupos geradores 24
horas por dia e, ocasionalmente, ainda era necessário
ligar um terceiro equipamento. Quando da instalação do
compensador dinâmico (foto do meio), ocorreram
problemas causados por retificadores das cargas,
sanados com a adição de reatores.
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para o qual a potência aparente é maior do que a
potência ativa.
Atualmente, porém, diversos sistemas elétricos
possuem correntes harmônicas circulando em suas
linhas. As harmônicas são originadas por cargas
pulsantes ou não-lineares e suas correntes podem
fazer com que a potência aparente exceda
substancialmente a potência ativa.
A potência aparente para uma carga não-linear pode
ser calculada com a equação:
Fig. 1 – Relação entre os fatores de potência para cargas
não-lineares: fator de potência verdadeiro = (fator de
potência de deslocamento) x (fator de potência de
distorção)
onde H = potência (VA) de distorção.
Fig. 5 – Cortes transitórios de tensão
Fig. 2 – Perfil de corrente e tensão de uma carga
dinâmica
I.
Fator de potência e harmônicos
Para muitas aplicações, o clássico triângulo do fator
de potência é demasiado simples, pois não leva em
consideração os efeitos das tensões e correntes
harmônicas encontradas nos atuais sistemas de
distribuição de energia. As harmônicas adicionam
uma terceira dimensão ao triângulo clássico do fator
de potência, aumentando, assim, a potência
aparente requerida para executar uma determinada
quantidade do trabalho. A presença dos harmônicas
exige que se mude a maneira de pensar e de medir
o fator de potência (FP).
A presença de harmônicos aumenta a potência
aparente que deve ser fornecida para se executar
um determinado trabalho, portanto diminuindo o fator
de potência. Nessas situações, o fator de potência
presente é chamado de fator de potência de
distorção. Em um sistema contendo cargas lineares
e não-lineares, o fator de potência verdadeiro (FPV)
é a soma dos co-senos dos ângulos de
deslocamento e de distorção (figura 1). Se correntes
harmônicas são introduzidas em um sistema, o FPV
será sempre menor que o FP de deslocamento.
Para um sistema alimentando apenas cargas
lineares, o FP é chamado de fator de potência de
deslocamento. A menos que as cargas sejam
puramente resistivas, este fator de potência será
menor do que a unidade — caso do motor elétrico,
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Fig. 6 – Diagrama unifilar simplificado do sistema elétrico
da plataforma de petróleo
II.
Harmônicas
As cargas não-lineares absorvem correntes nãosenoidais na fonte de alimentação. A corrente de
fase CA absorvida é basicamente uma onda
quadrada ou em degraus, de - pendendo do projeto
do equipamento alimentado. Essas correntes
harmônicas causam quedas de tensão harmônicas
na impedância interna da fonte de alimentação. Isso
resulta em distorção da tensão da fonte e na
circulação
de
correntes
harmônicas
nos
componentes e cargas do sistema elétrico.
Correntes e tensões harmônicas resultantes de
cargas não-lineares causam inúmeros problemas
operacionais, falhas de equipamento e incêndios. As
harmônicas provocam elevação do aquecimento,
baixo fator de potência, alteração dos fatores de
crista, aumento do número de pontos de passagem
por zero, realimentação de ruídos e influenciam
reatâncias indutivas e capacitivas.
Fig. 7 – Configuração básica do compensador de reativos
smARTvar
III.
Cargas dinâmicas
Uma das principais questões associadas com as
cargas dinâmicas é a alta demanda de corrente de
inrush. Estes tipos de cargas exigem altos níveis de
corrente de inrush durante seu ciclo de operação,
que com freqüência tem duração apenas de
segundos. Tais correntes ciclo-a-ciclo podem levar à
saturação do fluxo (corrente de magnetização) do
transformador a montante. A saturação causa queda
precipitada da tensão do secundário do
transformador (figura 2), resultando em falhas ou
mau desempenho das cargas, assim como na
geração de harmônicos de ordem par.
Além disso, quando diminui a tensão no secundário
do transformador, a fonte enxerga essa queda e
tenta compensar, fornecendo a corrente necessária
para manter a relação de tensão do transformador,
criando assim uma componente adicional para o
surto de corrente no sistema elétrico. Este surto de
corrente acentua a queda de tensão da fonte em uma
base intermitente (devido à variação rápida da
carga). Se o ciclo de tensão for repetitivo, pode
acontecer cintilação de lâmpadas (light flicker) —
figura 3.
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Adicionalmente, quando cargas dinâmicas, por
exemplo motores com variações rápidas de torque,
são ligadas, exigem uma corrente muito alta por uns
poucos ciclos. Durante esse período, a fonte de
alimentação não poderá fornecer toda a corrente
necessária. Como resultado, ha verá afundamento
de tensão no motor (figura 4), e a amplitude desse
afundamento dependerá da corrente de curtocircuito disponível e da impedância da rede.
IV.
Cortes transitórios de tensão
Quando são utilizados tiristores em controles
elétricos, é possível haver distorções da tensão sob
a forma de cortes transitórios da forma de onda.
Esses cortes transitórios aparecem como fendas na
forma de onda de tensão (daí sua denominação
inglesa, notches), conforme ilustrado na figura 5.
Eles estão tipicamente presentes durante a
comutação de tiristores. A comutação ocorre quando
o tiristor de uma fase é ligado para bloquear um
tiristor em outra fase. Durante este pequeníssimo
intervalo de tempo, é criado um curto-circuito entre
as duas fases. Com o curto-circuito, a corrente
aumenta e a tensão diminui, resultando no distúrbio
definido como corte transitório da tensão de rede.
Quando os cortes transitórios estão presentes,
particularmente em
equipamentos trifásicos,
ocorrem passagens adicionais pelo zero. Ao invés
das duas passagens de cada ciclo de tensão, na
realidade podem ocorrer quatro passagens. Essas
passagens extras por zero podem fazer com que
outros equipamentos sejam acionados no tempo
errado, resultando em operação errônea e/ou danos.
Fig. 8 – Operação dos tiristores do compensador: com
base em medições da forma de onda da tensão de linha
(tensão A-B), os tiristores comutam as sessões L-C na
passagem pelo zero da forma de onda da tensão
(conexão fase A e conexão fase C)
Fig. 10 – Esquema de ligação dos reatores
Fig. 9 – Formas de onda da tensão (com sérios
problemas de cortes transitórios) e de corrente (antes da
instalação do compensador) na plataforma de petróleo
Fig. 11 – Diagrama unifilar simplificado do sistema
elétrico da plataforma com os reatores de linha e o
compensador dinâmico de reativos
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V.
Estudo de caso: harmônicas, fator
de potência e carga dinâmica
As fontes do caso estudado consistiam de três
grupos geradores diesel, trifásicos, 60 Hz, 2190 kW,
2738 kVA, 600 V, que alimentavam o sistema elétrico
de uma plataforma marítima de petróleo situada no
Golfo do México. Essa configuração é típica e
utilizada mundialmente.
A carga consiste de quatro retificadores a tiristores
de 696 kW, os quais representam 80% da carga total
do sistema. Esses retificadores operavam com fator
de potência de 0,6 indutivo, resultando em demanda
excessiva de kVA ao sistema. A demanda típica total
dos retificadores é de 1800 kW, o que, com fator de
potência de 0,6, resultava em 3000 kVA. Dois dos
grupos geradores, totalizando em 2738 kVA de
potência, operavam sete dias por semana/24 horas
por dia; ocasionalmente o terceiro grupo gerador,
mantido como reserva, era acionado para suprir o
consumo de reativos.
A carga de cada um dos quatro conversores a SCR
são motores (de equipamento de perfuração de
poços, bombeamento de óleo, guindastes), todos
operando com variações rápidas de torque. A
demanda varia de 40% a 100% em 1 segundo
(conforme o tipo de processo da plataforma). A
variação da demanda também depende do tipo de
subsolo marinho.
onda da tensão, e estes provocaram disparos
errôneos
dos
tiristores
do
compensador.
Ocasionalmente ocorreram falhas nos tiristores
devido às comutações provocadas pelas falsas
passagens por zero. O usuário não estava prevenido
quanto a esta condição do sistema e informou ao
fabricante que a instalação estava de acordo com a
norma IEEE 519-1992, a qual, em sua tabela 10.2,
permite DHTV máxima de 10%.
Se a impedância do sistema de distribuição for baixa,
em geral os tiristores não gerarão um corte
transitório de tensão severo que afete outros
equipamentos. No entanto, neste caso, a impedância
do sistema de distribuição era alta (linha fraca), de
forma que os cortes ocorreram e impactaram os
tiristores do compensador.
A solução foi a instalação de reatores de linha para
reduzir os cortes transitórios de tensão e propiciar a
operação adequada dos tiristores do compensador.
A redução dos cortes de tensão foi conseguida
através da criação de uma simples rede de divisão
de tensão. Acrescentou-se impedância, na forma de
reatância indutiva, em série com o controlador do
retificador (ponto A na figura 10), e entre o
controlador e o ponto de conexão do compensador
(ponto B da mesma figura). Então os cortes
transitórios de tensão distribuíram-se entre a nova
impedância e a impedância preexistente entre a linha
e a fonte.
Com o objetivo de melhorar o fator de potência e
reduzir harmônicas, foi instalado um compensador
tiristorizado de reativos (800 kvar, 600 V, 60 Hz,
trifásico), sintonizado para a 5ª e a 7ª harmônicas. O
compensador fornece automaticamente os vars
necessários, inserindo e removendo reatância
capacitiva do sistema conforme demandem as
cargas dinâmicas. O equipamento utiliza dispositivos
rápidos de comutação e tecnologia suave de
chaveamento, de forma a inserir ou remover
rapidamente reatância capacitiva sem causar
transitórios de chaveamento.
Podemos calcular a redução dos cortes transitórios
conforme abaixo:
O compensador consiste de seções de filtros
passivos de harmônicas — indutância (L) e
capacitância (ºC) conectadas em série — chaveadas
a tiristores, utilizando técnica de comutação por
passagem pelo zero (tensão) — figuras 7 e 8.
Consegue chavear capacitores de maneira livre de
transitórios e com tempo de resposta médio de 8
milissegundos.
Os seguintes resultados foram obtidos com o
compensador de reativos após a instalação dos
reatores de linha:
Durante o comissionamento do compensador,
ocorreram severos cortes transitórios de tensão e
distorção harmônica total de tensão (DHTV) de
aproximadamente 15%. Os cortes transitórios
causaram múltiplas passagens por zero na forma de
 A distorção harmônica total de cor rente foi
reduzida para menos de 10%;
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Observe que se a nova impedância for inserida em
qualquer ponto que não seja entre o controlador do
retificador e o equipamento sensível, terá efeito
mínimo sobre os cortes transitórios de tensão. E que
se a reatância for posicionada no lado oposto ao
ponto B da figura 10, não haverá qualquer melhora
do problema dos cortes de tensão.
 A profundidade dos cortes transitórios de
tensão foi reduzida em 50%;
 A distorção harmônica total de tensão foi
diminuída para menos de 5%;
 O fator de potência verdadeiro foi melhorado
para 1, constante;
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 A potência aparente demandada foi reduzida de
3000 para 1800 kVA; e
 Foi criado um ambiente de melhor qualidade de
energia para os outros equipamentos.
VI.
Conclusão
A demanda e as distorções de tensão e corrente da
plataforma marítima foram reduzidas a níveis
aceitáveis, e o fator de potência foi mantido unitário.
Isto permitiu ao usuário alimentar todas as cargas
utilizando apenas um único grupo gerador.
Além da economia óbvia de energia e da melhoria do
desempenho do equipamento, a operação com
apenas um grupo gerador evitou a emissão de
muitas toneladas de dióxido de carbono para o meio
ambiente.
Fig. 12 – Formas de onda de tensão e corrente (após a
instalação dos reatores de linha e do compensador)
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