Aula_pratica (Energia Reativa)

AULA PR TICAFotos divulgao: CBR-Ciber

Por dentro da

reativaParte 1Texto original: Eng. Gustavo Alejandro Risi, CIRCUTOR - Espanha Traduo: Eng. Ricardo Vasques, CBR-CIBER DO BRASIL

energia

faturamentosadicionaisnascontasdeenergia(excedentedeenergiareativa),eintimamenteligadoqualidade deenergiadasinstalaese,portantoaoprocessoprodutivo.Ainjeodeenergiareativaemsistemascomcargas distorcidas(quecontmharmnicas)eanecessriaisenodetransientesdemanobrasoumdesafioqueos profissionaisdareadeaplicaodeequipamentosdevemconhecer. Aenergiareativaindutiva,utilizadapordeterminadascargasparaacriaodoscamposeltricosemagnticos, circulapelaredeeltricaaumentandoapotnciatotaltransportadaedistribudapelasconcessionriasdeenergiaeltrica semseconverteremtrabalhotil.Paraevitaressetrfegodepotnciareativanarede,necessriomontarsistemasde capacitoresnasinstalaes.

O

controledaenergiareativaconsumidapelasindstriaseprdioscomerciaisestvinculadoisenodos

Medio do cosj existente Paramediroconsumodepotnciareativanumainstalao,utiliza-secomoFigura 1

magnitudebsicaocosj,quenosdarelaoexistenteentreapotnciaativaea potnciaaparente.

Compensao da energia reativa Aformadediminuirapotnciareativademandadaconcessionriapormeioda Nafigura1observamosonveldepotnciaS1naredeeltricadevidoaocosj1O SETOR ELTRICO Julho 2006

S1 Q1

instalaodeumbancodecapacitores. existente.

j1P1

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Figura 2

Nafigura2,umavezinstaladoobancodecapacitores(Qbat),Com banco de capacitores S2 Qbat

observamosadiminuiodapotnciaaparenteS2demandada rede.Portanto,ocosj2final,maiorqueocosj1inicial.

Consumidores de energia reativa Comoexemplosdeequipamentosconsumidoresdeenergia reativa,temostodasascargasquenecessitamdecamposmagnticos paraseufuncionamento: Motoresassncronos Transformadores Lmpadasdedescarga Mquinasdesolda Fornosdeinduo

j1P1

Q2

Por que compensar? Acompensaodaenergiareativasebaseiaemdoisaspectos:

Otimizaotcnicadasinstalaes Reduodafaturadeenergiaeltrica

Otimizao tcnica das instalaes Ainstalaodebancosdecapacitoresreduzoconsumodepotnciareativana Comoconseqnciaimediataseobtmosseguintesbenefcios: redededistribuio. Manutenodapotnciaativasolicitada(P) Reduodapotnciaaparente(S)naredededistribuio Porm,comoareduodapotnciaaparentenaredepodeotimizarainstalao? Resumoesquemtico:

O SETOR ELTRICO Julho 2006

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AULA PR TICACompensao de energia reativa

Reduo de corrente e potncia aparente

Aumento da capacidade da instalao Baixar o carregamento de transformadores Baixar o carregamento de cabos Possibilidade de aumentar a potncia til na instalao

Diminuio das perdas Diminuio das perdas por efeito

Melhoria da tenso da rede Diminuio das quedas de tenso Aumento da tenso no barramento geral

Comoconseqnciageral,acompensaodaenergiareativapermiteumaotimizaodasinstalaesexistentes,aumentandoorendimento dasmesmassemanecessidadederealizarinvestimentosadicionais. Reduo do custo econmico da instalao Acompensaodaenergiareativapermiteareduodacontadeenergia,umavezqueseuconsumoencareceocustodaenergia.Esse custopoderepercutirdediferentesformas: Comoenergiareativaconsumida Comoumamultasobreacobranadapotnciaeenergiaativa Asconcessionriasaplicam,conformealegislaovigente,ocritriodeformadecobrana

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Exemplo de uma instalao: Noexemploseguinteseobservaadiferenaexistenteempotnciaativaafornecer,quedadetensoeperdasporefeitoJouleentreuma Consideramosumainstalaotpicaconstitudade:

instalaocomesembancodecapacitores. TransformadorMT/BT800kVA Umacarganoquadrogeralde630kW,cosjde0,6 Umalinhadeinterconexode100metrosdecabodecobre,4x(3x240mm2)(resistnciamdiadocabo0,075W/km) Serconectadonainstalaoumbancodecapacitoresde360kVArx400Vque,umavezintroduzido,garantirumcosjde0,98.Instalao sem banco de capacitores Cosj 1 Inicial 0,6 Potncia ativa 630 kW Queda de tenso para 100m 19,69V (-5%) Perdas efeito Joule 17 kW KVA solicitados ao trafo 1050 kVA Cosj 2 Inicial 0,98 Instalao com banco de capacitores Potncia ativa 630 kW Queda de tenso para 100m 12V (-3%) Perdas efeito Joule 6,4 kW KVA solicitados ao trafo 642 kVA

Reduo do custo econmico da instalao: Resumindoosclculosrealizadosobservamosaseguintetabela:Sem o banco Cosj = 0,6 5% 17 kW 1050 kVA Sem o banco Cosj = 0,98 3% 6,4 kW 642 kVA Diminuio percentual 60% 62% 38%

Queda de tenso Perdas por efeito Joule Potncia fornecida pelo transformador


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AULA PR TICA Deduzimosque,almdeumadiminuiononveldeperdasnoscaboseumaumentodastenses,diminuiua Apotnciaaparenteinicialqueera1050kVApassouaser642kVA,Portanto,sendoapotnciadotransformador potnciafornecidapelotransformadorprincipal. principal800kVA,passa-sedeestadodesobrecargade31%paraumestadodecargade80%danominal.Como concluso,teremos20%decapacidadedisponveldotransformador

Critrios de clculo: Queda de tenso em uma rede trifsica.............. DUC =

ZC P U cosj l gS P ()2 U cos

Perdas por efeito Joule em uma linha trifsica..... DP =

Onde compensar? Olocaldeinstalaodeumequipamentodecompensaodeenergiareativadependede

vriosfatores,porm,basicamentepodemosresumiremdoisimportantes: Dimensodainstalao Existnciadegrandescargasconsumidorasdeenergia

SE 1390

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SE 1395

Dimenso da instalao Soduasasinfluncias: Nos casos de uma instalao com um quadro geral de distribuio e com distncia dos quadros secundrios relativamentepequena. Ou,aocontrrio,porserumagrandeinstalao,estardivididaeletricamenteemzonasdiferentescomdistnciaentre elas,tendoassim,distribuiointernadeenergiaequadrossecundriosimportantes.

Existncia de grandes cargas consumidoras de energia Aexistnciadessascargasfazcomquemereamumaatenoespecialaoseefetuarumestudodecompensao Em funo desses critrios, de uma maneira resumida, a tabela seguinte apresenta uma comparao entre as deenergiareativaouaaplicaodosfiltrosdeharmnicos. possibilidadesexistentes.

Local da compensao N de equipamentos Objetivo principal

Quadro geral BT 1 Aliviar carga do transformador Reduo dos gastos com energia No alivia carga nas linhas de distribuio No diminui queda de tenso

Comentrios

Quadros secundrios Conforme n de quadros Reduo dos gastos com energia Aliviar carga nas linhas Diminuir queda de tenso Ajuda a manter os nveis de tenso

Nas cargas Conforme n de grandes cargas Aliviar carga nas linhas Diminuir queda de tenso Ponto confivel para aliviar potncia reativa

Continua na prxima edio

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Por dentro da

AULA PR TICA

Texto original: Eng. Gustavo Alejandro Risi, CIRCUTOR - Espanha Traduo: Eng. Ricardo Vasques, CBR-CIBER DO BRASIL

energia reativaParte 2Como determinar um equipamento de compensao? Paraescolherumequipamentodecompensaodeenergia

necessrioseguiralgunspassos: Seleodaformadecompensao Determinaodapotnciadoequipamento Determinaodotipodeequipamento

Formas de compensao: fixa Osistemadecompensaofixaseutilizaemcargas ouinstalaesonde: Osnveisdecargassobastanteconstantes Existemmnimosdepotnciareativaacompensaremestados baixosdecarga Existemcargasdeimportnciaqueaoseremcompensadas individualmenteajudamareduziraspotnciastransportadaspela instalao EssetipodecompensaonormalmenteutilizadaemmotoresPotncia motor Rotaes por minuto (RPM) 3660 2,5 3 4 5 6 7,5 10 12,5 17,5 22,5 27,5 32,5 35 40 50 60 65 1800 2,5 3 4 5 6 7,5 10 12,5 17,5 22,5 27,5 30 35 37,5 45 55 60 1200 3 3,5 5 6,5 7,5 10 12,5 12,5 20 25 30 35 40 42,5 52,5 60 67,5 900 4 5 6,5 7,5 10 10 12,5 15 22,5 27,5 32,5 37,5 42,5 47,5 57,5 65 75

assncronosetransformadores.

Motores assncronos Amquinaassncronaumagrandeconsumidoradeenergia Dependendodavelocidadedamquina,ovalorda reativaindutiva. potnciareativaconsumidadaordemdeuns30%da potncianominaldomotor. Oclculodapotnciadocapacitoraserinstaladoserealiza tendoemcontaovalordapotnciaemvaziodamquina.Quedizer, comoregrageral,sedimensionaocapacitorpara90%dovalor dessapotncia.Aproximadamente,ofatordepotnciaficaemtorno de0,91a0,92. Paracompensarparavaloresmaioresdecosjsernecessrioum contactordemanobraparaadesconexodocapacitorquandopara omotor. Especialatenomereceocasodehavermotorescompartida soft-starterouvariadoresdevelocidade,umavezqueocapacitor deverestarprotegidoporumfiltroderejeio.

CV 7,5 10 15 20 25 30 40 50 75 100 125 150 175 200 250 300 350

Compensao a 90% da potncia em vazio do motor

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O SETOR ELTRICO Agosto 2006

Transformadores Ostransformadoressomquinasquenormalmentesempreestoconectadas.Essasituaofazcomquesempretenhamum consumodeenergiareativa.Almdisso,comoconseqnciadesuanaturezaindutiva,seuconsumodeenergiareativaaumenta quandootransformadorestcarregado. Paraestimaroconsumodeenergiareativa,podemosutilizarasseguintesexpresses:Frmula de clculo Q consumida em vazio Q consumida em carga Q Total Qvazio= Sn.Io (%) Qcarga= I. Sn. Vcc (%) Qtotal= Qvazio+ Qcarga Ex.: Transformador 630 kVA Vcc = 6%, Ivazio = 1% Qvazio= 630.1%= 6,3 kVAr Qcarga=0,9.630.6%=31 kVAr Qtotal=6,3+31= 37,3 kVAr Quer dizer: 5,9% de Sn

Como regras prticas: aconselhvelacolocaodeumcapacitorfixoda ordemde6%dapotncianominaldotransformador. recomendvelnoinstalarcapacitorfixocom potnciasuperiora10%dapotnciadotransformador paraevitaroriscodepossveisressonncias.

Formas de compensao:AIGUES .A5I (P. Activa: III +)

MultigrficaAIGUES .A5I (P. Inductiva: III +) 70000 W Var 65000 60000 55000

Automtica Osconsumosdeenergiareativa,damesmaformaqueosde energiaativa,nosonormalmenteconstantes.Porisso,obanco decapacitoresdevesercapazdeseguiraevoluodacurvade cargadainstalao.Paraefetuaresseprocedimento,obancode capacitoresdeveserdivididoemdiferentesescalasdepotncia inseridasporumcontroladordepotnciareativatipocomputer. Emfunodarapidezdevariaodaspotnciasdainstalao, sernecessriaamontagemdeumequipamentoquepossuauma velocidadederespostadeconexodeestgiosmaisoumenosrpida.

45000 40000 35000 9:00 29 May 2002 12:00 15:00 18:00 21:00 Jue 30 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Vie 31 3:00 6:00 9:00

Act: 29/05/2002 10:40:44 Act: 51641 (W)

SAMPLE DATE / TIME Variable Seleccionada: AIGUES .A5I (P. Activa: III +) Desde: 29/05/2002 10:40:44 Mx: 70133 (W)

Hasta: 31/05/2002 08:45:00 Mn: 51641 (W)

Possveis solues:Bancosdecapacitoresacionadosporcontactoreseletromecnicos:Quandoas variaesdapotnciareativasorelativamentelentas,daordemdesegundos. Bancosdecapacitoresmanobradosportiristores:Sorecomendadosquandose necessitaumseguimentoinstantneodepotnciareativacomoconseqnciada rpidavariaodecargas.Casostpicossoelevadores,pontesrolantes,mquinas desolda.

Figura 3

Regulation mode

STATIC (REAL TIME) REGULATION

TRADITINAL REGULATION

20 ms

4s

TIME (s)


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SE 1695

AULA PR TICAAs principais vantagens desse sistema de compensao so: Eliminaodotransitriodearranqueproduzidopelaconexodoscapacitores.Aconexoocorrenoexatomomentoqueatenso daredecoincidedatensodocapacitor,estandoeletotalou parcialmentecarregado.(Fig3). Aausnciadetransitriosnaconexonospermiteaeliminao deafundamentos,flickerequalqueroutraperturbaogeradano momentodaconexo. Cadnciailimitadademanobras. Respostaimediatademandadecompensao.Otempode respostanacompensaodereativapodechegarasomente umciclodafreqnciadarede,conseguindodestaformauma compensaoquaseinstantnea. Menordesgastedoscapacitoresedosinterruptoresdemanobra,devidoeliminaodetransitriosedetotalausnciadepartes mecnicasmveis.Dessamaneiraincrementamosnotavelmenteadurabilidadedoequipamentocomparadoaosequipamentos convencionaiscomcontactoreseletromecnicos.-200A 0s toff 20ms 40ms ton 60ms toff 80ms - 600V 600V

UC U

UC USystem

/C200A

SOLUO EM BANCOS DE CAPACITORES

No necessita de correo instantnea

Bancos com contactores Baixa manuteno pela ausncia de partes mveis Banco com tiristores

Correo instantnea como conseqncia da rpida variao da carga

SE 1700

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Determinao da potncia do banco de capacitoresCalculo Tcnico Partindodocosjinicialefinal,assimcomo dapotnciaativaconsumidapelainstalao, possvelrealizaroclculodobancode capacitoresnecessrio.

Expresses de Calculo

S1

Qbat

DQ = Qbat (kvar) = P(kW) (tanjini -tanjfinal) DQ = Qbat = P(kW) (Q1 - Q2 ) = P (kW) KCOS j1

S2

j1P1

Q2

Tabela do fator K AtabelaseguintefacilitaoclculodofatorK. Mediante o fator de potncia inicial e o fator de potnciadesejado,sedeterminaofatorK.

cos j10,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80

tan j11,73 1,52 1,33 1,17 1,02 0,88 0,75 0,62 0,59 0,57 0,54 0,51 0,48 0,45 0,42 0,39 0,36 0,33 0,29 0,25

cos j2 tan j21,112 0,898 0,713 0,549 0,400 0,262 0,130 ---------------------------

0,85 0,621,248 1,034 0,849 0,685 0,536 0,398 0,266 0,135 0,109 0,082 0,055 0,028 -----------------

0,90 0,481,276 1,063 0,878 0,713 0,564 0,426 0,294 0,164 0,138 0,111 0,084 0,057 0,028 ---------------

0,91 0,451,306 1,092 0,907 0,743 0,594 0,456 0,324 0,194 0,167 0,141 0,114 0,086 0,058 0,030 -------------

0,93 0,421,337 1,123 0,938 0,774 0,625 0,487 0,355 0,225 0,198 0,172 0,144 0,117 0,089 0,060 0,030 -----------

0,94 0,391,369 1,156 0,971 0,806 0,657 0,519 0,387 0,257 0,230 0,204 0,177 0,149 0,121 0,092 0,063 0,032 ---------

0,95 0,361,403 1,190 1,005 0,840 0,691 0,553 0,421 0,291 0,264 0,238 0,211 0,183 0,155 0,127 0,097 0,066 0,034 -------

0,96 0,331,441 1,227 1,042 0,877 0,728 0,590 0,458 0,320 0,301 0,275 0,248 0,220 0,192 0,164 0,134 0,103 0,071 0,037 -----

0,97 0,291,481 1,268 1,083 0,918 0,769 0,613 0,499 0,369 0,343 0,316 0,289 0,262 0,234 0,205 0,175 0,144 0,112 0,078 0,041 ---

0,98 0,201,529 1,315 1,130 0,966 0,817 0,679 0,547 0,417 0,390 0,364 0,336 0,309 0,281 0,252 0,223 0,192 0,160 0,125 0,088 0,047

0,99 0,141,590 1,376 1,191 1,026 0,878 0,740 0,608 0,477 0,451 0,424 0,397 0,370 0,341 0,313 0,283 0,253 0,220 0,186 0,149 0,108

1,0 0,01,732 1,518 1,334 1,169 1,020 0,882 0,750 0,620 0,593 0,567 0,539 0,512 0,484 0,455 0,426 0,395 0,363 0,328 0,292 0,251

Exemplo:Potnciaativa=150kW Valorcosj1inicial=0,55 Valordecosj2desejado=0,97 Dadodatabela:coeficienteK=1,268 Potnciadobanco: Qbat = 150 x 1,268 = 190 kVAr

0,85 0,86 0,87 0,88 0,89 0,90 0,91 0,92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97


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SE 1705

AULA PR TICAMedies Amedioaformamaiseficazdeprojetarobanconecessrioemumainstalao,tantoparaadeterminaodesuapotnciacomoparao Paraissorecomendvelarealizaodemediesatravsdeumanalisadorporttilderedes,quepermitaoregistrotemporaldemagnitudes tipodeequipamentoasermontadoemfunodosnveisdeharmnicasexistentes. bsicascomopotncias,tenses,etc.,assimcomooregistrodecorrentesetensesharmnicas.

Determinao da potncia reativa Dogrficodeevoluotemporaldepotnciaativaetrafo1 .A5I (P. Activa: III +) 550 kW 540 530 170 Kvar 160 150 9:00 Act: 13/06/2003 09:00:00 Act: 548 (kW) 9:30

Multigrficatrafo1 .A5I (P. Inductiva: III +)

reativasedetermina: Potnciadobanco Tipoderegulao Necessidadedeumreguladoresttico Almdisso,permiteestimarofatordepotnciafinalaps aInstalaodobancodecapacitores.

12 Jun 2003

10:00 SAMPLE DATE / TIME

10:30 Hasta: 13/06/2003 10:45:00 Mn: 528 (kW)

Determinao do tipo de banco Emfunodaleituradeharmnicasrealizada,tantoem tensocomoemcorrente,pode-sedeterminar: Obancodevesernopadrodatensodarede Obancodeveestarequipadoporfiltrosdesintonizadosdeharmnicas SernecessrioodesenvolvimentodeumfiltrosintonizadodeVar W 70000 65000 60000 55000

Variable Seleccionada: trafo .a5i (P. Activa: III +) Desde: 13/06/2003 09:00:00 Mx: 555 (kW)

MultigrficaAIGUES .A5I (P. Activa: III +) AIGUES .A5I (P. Inductiva: III +)

harmnicas.

45000 40000 35000 9:00 29 May 2002 12:00 15:00 18:00 21:00 Jue 30 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Vie 31 3:00 6:00 9:00

Mediante contas de energia da concessionria Umaanlisedetalhadadascontasdeenergiaeltricapossibilita umaaproximaodanecessidadedepotnciareativanainstalao.

Act: 29/05/2002 10:40:44 Act: 51641 (W)

SAMPLE DATE / TIME Variable Seleccionada: AIGUES .A5I (P. Activa: III +) Desde: 29/05/2002 10:40:44 Mx: 70133 (W)

Hasta: 31/05/2002 08:45:00 Mn: 51641 (W)

Partindodapotnciacontratadaedoclculodocosj,possvelestimarobanco.

Obs. Essa opo no levar em conta as variaes momentneas e as harmnicas na instalao.

Determinao do tipo de equipamento Como ltimo passo, uma vez determinada a forma e a potncia do banco a ser instalado,faltadefinirotipodeequipamento. Basicamenteexistemduaspossibilidades: Bancodecapacitoresstandard Bancosequipadoscomcapacitorescomtensoepotnciaadequadosrede. Bancodecapacitorescomfiltros Bancosequipadoscomcapacitoresdimensionadosemtensoepotnciacomreatncias sintonizadasemsriecomcadaestgio.Afreqnciadesintoniaemredesde60Hzde 227Hzapresentandodoisobjetivosemcasodeexistnciadeharmnicasnarede: Proteodoscapacitores Evitarofenmenodeamplificaodasharmnicasexistentes.

Critrio de seleo Paraescolherotipodebancodeve-seteremcontatrscritrios: Aexistnciadeharmnicasnainstalao Apossibilidadedequeexistaumaressonnciaentreotransformadoreobanco Aanlisedasmediesefetuadasnainstalao Aexistnciadeharmnicasdependedotipoedaquantidadedeaparelhosexistentesquepossamgerarharmnicas. Comoexemplo,detalhamosabaixoafaixadeharmnicasgeradapelascargasmaishabituais:O SETOR ELTRICO Agosto 2006

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Variadoresdevelocidadede6pulsos:5e7ordem UPSs:5e7ordem Equipamentodesoldaporponto:3ordem Lmpadadedescarga:3ordem Quandorealizadaumamedioatravsdeumanalisadorderedesporttil(AR5),possvelvisualizaroespectroharmnicocompleto existentenainstalaoe,sobretudo,noquadrogeralondeserconectadoobancodecapacitores. Umavezconstatadoesseponto,deve-secalcularapossibilidadedeobancodecapacitoresentraremressonncia. Paraisso,seaplicaaseguinteexpresso: n= Scc Q Ondenafaixadaharmnicaressonante,Sccapotnciadecurto-circuitodainstalaoeQapotnciadobancodecapacitores. Comocritrioprticos,umavezrealizadaamedio,seaplicaaseguintetabela:

THD ( V ) - % 4

THD ( I ) - % < 15 15 < THD ( V ) < 30 THD ( I ) < 15 THD ( I ) > 30

........Tipo de equipamento...... Banco padro Filtro de rejeio Filtro de rejeio Filtro

..........Comentrios . Verificar ressonncias Sintonizado 227 Hz Sintonizado 227 Hz Estudo detalhado da instalao

Equipamentos auxiliares e instalaes de bancos de capacitores Quando se prev a instalao de um banco de capacitores, deve-se ter em conta a parte correspondenteinstalao,taiscomo: Transformadordecorrente,paraaleituradocontrolador Cabodeentrada Interruptormanual Interruptorautomtico Em geral se aconselha a dimensionar os equipamentos para o mnimo de 1,43 vezes a corrente nominaldobancodecapacitores.Issoseaplicaaparelhagemeaocableamento. Quantoaostransformadoresdemedioserecomenda: Correnteprimriadeacordocomafaixadodisjuntorautomticoinstaladonoquadrogeral. Instalao,rioabaixo,dodisjuntorautomtico


SE 1710

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