Analise de energia distorções harmônicas, Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia Elétrica

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

Matheus Eimael Rolim

ANÁLISE DA QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA:

DISTORÇÕES HARMÔNICAS EM UMA PLANTA

INDUSTRIAL

Porto Alegre 2015

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

ANÁLISE DA QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA:

DISTORÇÕES HARMÔNICAS EM UMA PLANTA

INDUSTRIAL

Estudo de caso em uma indústria de biodiesel

Projeto de Diplomação apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para Graduação em Engenharia Elétrica.

ORIENTADOR: Prof. Dr. Roberto Chouhy Leborgne

Porto Alegre 2015

AGRADECIMENTOS

Sou profundamente grato a todos os professores que indireta e diretamente contribuíram para a minha formação. Não poderia deixar de mencionar o contribuinte brasileiro por sustentar e permitir o ensino público, ao qual eu ingressei e construí diariamente a minha formação como Engenheiro Eletricista. Aos meus familiares: mãe, pai e irmã pelo suporte emocional em momentos desgastantes da graduação. À minha namorada e companheira pelo equilíbrio e observação positiva das agruras acadêmicas. Por fim, agradeço a receptividade e a confiança da diretoria da Bianchini S.A em disponibilizar as suas instalações para a realização do estudo de caso deste projeto de diplomação. Aos engenheiros e aos técnicos de manutenção, pelo compartilhamento do conhecimento e genuíno interesse em ensinar e contribuir durante as minhas visitas à companhia.

“Sorte é o que acontece quando a preparação encontra a oportunidade.”

Sêneca

ABSTRACT

A case study was made at Bianchini S.A company to analyze and quantify harmonic distortion at the 22kV industrial system voltage bus. This work presents the origin and problems associated with harmonic distortion and how it can be mitigated. The methodology used to measure and analyze is based in the eighth module for power quality released by the National Agency of Electrical Energy. An energy analyzer built by Embrasul Electronics Industry was installed. After all the information was collected by the instrument and properly downloaded, a valid period was selected to start the study of harmonic distortion. The maximum Total Harmonic Distortion identified for voltage AB and CB were respectively 1,54% and 1,49%. These values are below 6%. It means they are in compliance with the limits established by the National Agency of Electrical Energy. The operational frequency of the voltage bus indicated a balanced system for energy generation and demand. Within all the period studied the operational frequency kept in conformity with the limits; the maximum value found was 60,26Hz and the minimum valued found was 59,33Hz. The power factor of the industry operated inductive between 0,94 and 0,96. It is above the mandatory limit of 0,92.

Keywords: Power Quality. Measurement. Harmonic Distortion.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1: representação das variáveis de entrada e de saída de um sistema linear .................. 16 Figura 2: sinal resultante da superposição das harmônicas de ordem ímpares (h) .................. 16 Figura 3: comparativo entre a fundamental e uma tensão com DHT igual a 57,28% ............. 17 Figura 4: fonte de alimentação chaveada monofásica com entrada VAC e saída DC ............. 18 Figura 5: topologia de um retificador trifásico utilizado para o acionamento de máquinas de alimentação contínua e o gráfico da tensão de saída v(t) ............................................... 19 Figura 6: representação do sinal PWM em três momentos distintos. Em (a) DC = 20%, em (b) DC = 50% e (c) DC = 90% ........................................................................................... 20 Figura 7: topologia de acionamento CA com a técnica PWM e a tensão de saída v(t) ........... 21 Figura 8: topologias de acionamento CA com a técnica VSI em (a) e CSI em (b) e as respectivas tensões de saída v(t) ................................................................................... 21 Figura 9: efeito na distorção harmônica devido à variação da velocidade de um motor acionado pela técnica PWM ......................................................................................... 22 Figura 10: triângulo de potências para tensões puramente senoidais, sem harmônicas .......... 23 Figura 11: triângulo de potência tridimensional para instalações com distorção harmônica... 24 Figura 12: representação da soma de harmônicas de terceira ordem no condutor neutro ....... 26 Figura 13: curva de magnetização de um transformador com a região linear e a região de saturação, representada pelas setas à esquerda e à direita respectivamente .................... 27 Figura 14: topologia da instalação de filtros passivos para mitigação de harmônicas de 5º(300Hz), 7º(420Hz), 11º(660Hz) e 13º(780Hz) ordem ............................................... 30 Figura 15: esquemático de atuação do filtro ativo ................................................................. 31 Figura 16: configuração de aterramento com o sistema TN-S. Condutor neutro (N) e condutor de proteção elétrica (PE) separados ao longo de toda a instalação ................................. 32 Figura 17: visualização do painel frontal e inferior do analisador de energia RE7000 ........... 34 Figura 18: carregamento do arquivo (.emb) para o software ANL7000 ................................. 36 Figura 19: visualização da tela principal do software ANL7000 ........................................... 36 Figura 20: comparativo de uma tensão sem harmônica (DHT = 0%) e uma tensão com harmônica (DHT = 7,81%), isto é, dentro do limite regulado pela ANEEL ................... 40 Figura 21: comparativo de uma tensão sem harmônica (DHT = 0%) e uma tensão com harmônica (DHT = 8,53%), isto é, fora do limite regulado pela ANEEL ....................... 40 Figura 22: fluxograma do processo de produção do biodiesel ............................................... 42 Figura 23: diagrama de conexão do analisador de energia .................................................... 44

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: variação na resistência com a frequência para condutores de cobre 300 MCM ...... 25 Tabela 2: resumo dos efeitos associados à distorção harmônica ............................................ 29 Tabela 3: resumo dos sintomas, causa e mitigação para as distorções harmônicas ................ 32 Tabela 4: especificações técnicas do analisador de energia ................................................... 35 Tabela 5: terminologia ......................................................................................................... 37 Tabela 6: valores de referência das distorções harmônicas totais (em porcentagem da tensão fundamental) ................................................................................................................ 38 Tabela 7: níveis de referência para distorções harmônicas individuais de tensão (em porcentagem da tensão fundamental) ............................................................................ 39 Tabela 8: comparação da máxima distorção harmônica de tensão em cada fase com o limite regulamentado pela ANEEL ......................................................................................... 48 Tabela 9: registro de ocorrência e a máxima distorção harmônica na grandeza ..................... 51 Tabela 10: total de registros que ultrapassaram o limite regulamentado pela ANEEL ........... 52

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

QEE – Qualidade de Energia Elétrica ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica PRODIST – Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional RMS – Root Mean Square DHT - Distorção Harmônica Total DHI - Distorção Harmônica Individual VSI - Voltage Source Inverters CSI - Current Source Inverter PWM – Pulse Width Modulation IEC - International Electrotechnical Commission IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers CENELEC - Comitê Europeu de Normalização Eletrotécnica

1. Introdução

1.1 - Justificativa

De acordo com informações obtidas junto à empresa, a Bianchini S.A tem o interesse em realizar a expansão da planta industrial. A presença de cargas que demandam energia elétrica considerável, tais como motores de indução, inversores de frequência e fornos a altas temperaturas; justificam a necessidade de realizar uma análise prévia da qualidade de energia elétrica do local antes da conexão de novas cargas ao barramento de alimentação da indústria, no presente caso, os inversores de frequência.

1.2 - Objetivo

O foco principal deste estudo será medir e analisar as harmônicas de tensão e corrente no sistema industrial Bianchini S.A. Todavia, outros aspectos da qualidade de energia possíveis de ser avaliados com a amostra das medições realizadas também serão abordados. Com a conclusão deste estudo serão apresentados os resultados obtidos com a intenção de motivar a modelagem e o planejamento dos filtros a serem instalados para a efetiva conexão dos inversores de frequência ao barramento de projeto.

1.3 - Contextualização

A demanda por energia elétrica cresce substancialmente a cada ano. Novas cargas são diariamente conectadas ao sistema elétrico de potência. O termo carga é genérico; porém, o sentido em que aqui se aplica é relacionado a equipamentos eletro-eletrônicos que ocupam cada vez mais espaço em nossa sociedade, como exemplo no âmbito residencial, o ar- condicionado. E, no âmbito industrial, os inversores de frequência. A infra-estrutura de distribuição de energia elétrica, na grande maioria, não foi projetada para sustentar e entregar um serviço de qualidade neste cenário de demanda crescente por energia. Dessa forma, o termo Qualidade de Energia Elétrica, QEE, insere-se no contexto nacional com mais intensidade na medida em que há uma necessidade de garantir padrões e níveis de tensão e corrente adequados para suprir os mais diversos setores da economia. A indústria, por exemplo, a maior consumidora de energia, necessita de um serviço de qualidade e com garantias de atendimento estipulados via contrato. Isso se deve ao fato de que existem

processos de fabricação e beneficiamento de produtos cuja interrupção acarreta em perdas tanto financeiras quanto humanas; já que a disponibilidade de energia é mandatória durante toda a cadeia de produção e beneficiamento do produto tanto para a finalização da produção quanto para a segurança dos operadores e técnicos. Paradas de produção são sinônimos de perdas de matéria prima e, na grande maioria dos casos, essas perdas são irreversíveis e a matéria é descartada. É neste cenário e contexto que surgiu a necessidade de regulamentar a QEE. A Agência Nacional de Energia Elétrica, ANEEL, órgão regulador do funcionamento do setor elétrico no Brasil, criou para fins de fiscalização e regulação os Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional, PRODIST. O PRODIST é composto por nove módulos, sendo que o módulo oito referente à QEE é de fundamental importância para este estudo. A área de QEE é bastante ampla e interdisciplinar. Os principais distúrbios englobados pela QEE são: afundamento de tensão, elevação de tensão, flicker, interrupções temporárias e sustentadas, distorção harmônica. A oscilação da frequência em torno do valor fundamental (60Hz) também é classificada como um distúrbio, porém, a frequência é um indicativo de geração e demanda. Isto é, se a demanda por potência é alta, a frequência tende a cair abaixo do valor fundamental, mas com uma demanda baixa, a frequência tende a subir acima do valor fundamental. Neste projeto de diplomação - para fins de apreciação de estudo de caso - limita-se somente a um distúrbio da qualidade da energia, conhecido como harmônicas de tensão e corrente.

Figura 1: representação das variáveis de entrada e de saída de um sistema linear

A superposição é decorrência direta do conceito de linearidade. Na figura 1, também está representado a superposição, ou seja, o que está amostrado pela saída é uma superposição da resposta do sistema ao comportamento das duas variáveis de entrada. Estes conceitos são amplamente utilizados para a análise de diversas situações na Engenharia Elétrica. No caso das harmônicas, imagina-se que há uma contribuição de diversas fontes de tensão, não apenas X1(t) e X2(t), mas Xn(t), sendo n um número inteiro, multiplicador da frequência fundamental. A superposição dessas n fontes de tensão resulta em um sinal distorcido, totalmente indesejado nos sistemas de potência.

Figura 2: sinal resultante da superposição das harmônicas de ordem ímpares (h) [1]

Sinal Resultante

2.1.2 – Distorção Harmônica Total (DHT)

Quantificar o quanto um sinal de tensão ou corrente é distorcido é de extrema importância, pois a partir do cálculo do valor da DHT é possível comparar com os valores regulamentados pela ANEEL e inferir desvios em relação à QEE. Este indicador é expresso em porcentagem. Também se infere a Distorção Harmônica Individual (DHI), onde se quantifica a magnitude harmônica em relação ao sinal fundamental. As equações para o cálculo das grandezas DHT e DHI, conforme seção 4.3.2 do PRODIST módulo 8, são apresentadas em (3) e (4).

𝐷𝐻𝑇 =

ℎ 𝑚ℎ =2 á𝑥𝑉ℎ² 𝑉 1 ∗^100 (3) 𝐷𝐻𝐼ℎ % = 𝑉ℎ𝑉 1 ∗ 100 (4)

Onde h = ordem da harmônica, Vh = amplitude da harmônica de ordem h, e V1= amplitude da tensão portadora da frequência fundamental.

Figura 3: comparativo entre a fundamental e uma tensão com DHT igual a 57,28%

0 2 4 6 8 10 12

0

5

10

15

Tempo (ms)

Tensão (kV)

Sem HarmônicaCom Harmônica

terceira ordem (180 Hz) [1]. O crescimento acelerado de dispositivos que necessitam da utilização de fontes chaveadas é um desafio para os engenheiros, visto que as harmônicas produzidas e as distorções por elas resultantes no sistema de potência são indesejadas.

2.2.2 - Acionamentos CC

Motores de corrente contínua, embora tenham custo de aquisição e manutenção elevado, estão presentes nas indústrias. Em situações específicas durante o processo produtivo é necessária uma faixa maior de velocidade e conjugado de partida do motor que, em comparação com as máquinas rotativas de alimentação alternada, as máquinas CC estão em vantagem [2]. A retificação da tensão para o devido acionamento é mandatória; para esta finalidade, normalmente, emprega-se retificadores tiristorizados de 6 pulsos.

Figura 5: topologia de um retificador trifásico utilizado para o acionamento de máquinas de alimentação contínua e o gráfico da tensão de saída v(t) [1]

Durante o processo de acionamento por seis pulsos há a produção de harmônicas, principalmente as harmônicas de quinta (300 Hz) e sétima ordem (420 Hz) [2].

2.2.3 - Acionamentos CA

Motores de indução e motores síncronos exigem o acionamento CA. A tensão de saída do retificador também possui característica alternada, porém, com frequência variável. As máquinas rotativas não operam sempre sob o mesmo regime. A velocidade e o conjugado variam conforme a etapa de produção. É fundamental, portanto, existir um dispositivo de

controle em que possa ajustar essas duas grandezas, alterando o regime de operação das máquinas para satisfazer as especificações e as necessidades da etapa de produção e beneficiamento do produto. Esses ajustes necessitam ser precisos e confiáveis, pois qualquer variação não especificada de velocidade e conjugado podem alterar significativamente a qualidade do produto. Para essa finalidade são empregados os inversores de frequência que são classificados em dois tipos: Fonte de Tensão Inversora (VSI) ou Fonte de Corrente Inversora (CSI) [3]. Uma configuração amplamente reconhecida na indústria para se realizar o acionamento CA com controle de velocidade, utiliza a técnica de modulação por largura de pulso (PWM). A técnica PWM, de maneira objetiva, é constituída por um ciclo de trabalho, do inglês Duty Cycle (DC). Este ciclo é definido por uma porcentagem do período em que a tensão estará em nível alto. Na figura 6 são apresentados três sinais PWM com diferentes valores.

Figura 6: representação do sinal PWM em três momentos distintos. Em (a) DC = 20%, em (b) DC = 50% e (c) DC = 90%