Compensação de energia reativa, correção do fator de potência em instalações elétricas e mitigação das harmônicas – Parte 02/04

III – Configurações típicas de capacitores em instalações elétricas

Independente do objetivo principal da compensação reativa, as formas clássicas de compensação e injeção de reativos na rede elétrica por capacitores podem ser encontradas de forma bastante completa na IEEE 141-1993 [5] e Cotrim [13]. De uma forma geral, os sistemas podem ser definidos conforme segue e ilustrados na figura 1:

Figura 1 – Posições típicas de localização de capacitores em instalações elétricas industriais. [13]

1. Bancos de capacitores fixos:

Os capacitores são instalados em pontos específicos da instalação (posições 3 e 6 da figura 1) com injeção de energia reativa fixa e independe da operação da carga, tendo como principal característica o baixo custo, porém, devido à impossibilidade de controle, o sistema possui efeitos negativos como sobre tensões devido à sobre compensações em período de baixa carga. Ainda podem resultar em pagamento de excedentes de energia reativa nos períodos capacitivos (em geral na madrugada).

1. Banco de capacitores semiautomáticos

Os capacitores são instalados e conectados no sistema simultaneamente à carga (posições 1 e 2 da figura 1), podendo ser ligados (e alimentados) pelo mesmo dispositivo de manobra da carga. Esta configuração é um pouco diferente da anterior e possui custo pouco maior devido à associação de grupos de cargas a grupo de capacitores e automação específica, além de (ainda) limitações técnicas semelhantes às do item anterior.

1. Banco automático

O sistema se propõe ao atendimento de grupo de cargas variáveis normalmente associadas aos transformadores. Cada transformador possui um banco automático para compensação das cargas a ele associadas (posição 4 da figura 1). Os capacitores são montados em grupos sendo manobrados por elementos de manobra distintos, sendo controlados por dispositivo que associa a conexão dos grupos à operação das cargas. O acionamento destes contatores é feito através de um controlador eletrônico dedicado que recebe informações da corrente da carga através de TC ou grupo de TCs instalado(s) no QGBT associado ao transformador. Esta concepção possui melhor comportamento que as anteriores, pois a injeção de potência reativa é relativamente proporcional à operação das cargas.

Ainda assim alguns cuidados devem ser considerados:

• existência de transientes de tensão causados pela manobra dos capacitores, se efetuados por elementos mecânicos, podendo causar interferências em outras cargas e redução da vida dos próprios capacitores;

• efeito de sobretensão, devido à sobre compensação de reativo, uma vez que a resposta do sistema pode ser lenta. Os capacitores podem levar dezenas de segundos até serem desligados, após o desligamento da carga. Neste período, a sobre compensação pode comprometer as outras cargas que continuam operando no sistema;

• cuidados quando aplicados em conjunto a dispositivos de acionamentos estáticos (inversores de frequência e soft- starters).

1. Compensação estática de energia reativa – tempo real

Esta concepção possui as vantagens da solução anterior e devido à característica do acionamento por elementos estáticos dos capacitores (posição 5 da figura 1), os transientes não ocorrem e o tempo de resposta pode ser da ordem de 1 ciclo, impossibilitando sobretensão quando do desligamento da carga. Esta solução aplica-se na compensação reativa de cargas “rápidas” [9] como prensas, sistemas de solda a ponto, fornos a arco, guindastes, trens, elevadores, sistemas de geração eólica, injetoras, equipamentos para indústria gráfica e papeleira, eletro médicos, centrífugas para indústria de açúcar, sistemas de compressão de gases e outras cargas que apesar de tratadas por “especiais”, estão cada vez mais presentes em todos os processos.  Esta solução também é a única que pode ser bem aplicada quando a instalação seja dotada de geradores operando em regime de “back-up”, auxiliando ainda na regulação da tensão dos geradores.

IV – Compensação de energia reativa na presença de cargas não lineares / ressonância harmônica e cuidados adicionais

Redes elétricas industriais onde capacitores são conectados podem ser modeladas com boa aproximação em um circuito LC; L relativo à impedância da rede (com forte característica reativa indutiva) e C dos capacitores. Nesta situação, define-se a frequência de ressonância que é abaixo representada matematicamente em (3) e (4). Por outro lado, as cargas não lineares presentes nas instalações possuem espectro harmônico típico devido ao seu controle e acionamento, especificamente as cargas industriais acionadas por conversores de 6 pulsos possuem componentes de correntes harmônicas nas harmônicas 5ª, 7ª, 11ª, 13ª e outras com menores intensidades.  Se a frequência de ressonância da rede (circuito LC) ficar próxima da frequência de uma das correntes típicas do espectro harmônico da carga, haverá o fenômeno da ressonância nesta frequência. [8]

Calculo da frequência de ressonância

onde:

• é a frequência de ressonância
• L é a indutância típica da rede
• C é a capacitância total dos capacitores
• hr é a ordem harmônica
• Pcc é a potência de curto circuito trifásico na barra em que os capacitores são instalados
• KVAr é a potência dos capacitores em operaçãoExemplificando em circuito composto por um transformador de 1000 kVA/z=6% e por um capacitor de 350 kvar. A frequência de ressonância desta combinação será (de (3)) hr=√(1000/6%)/350 = 6,9, isto é, a  frequência de ressonância será próxima da 7ª harmônica. Nesta situação de ressonância não só as correntes de 7ª harmônica serão amplificadas como também as de 5ª e 11ª causando sobre correntes nos capacitores e na rede e sobre tensões associadas. A referência [14] disponível no link: http://www.acaoenge.com.br/controle/upd/downloads/197.pdf discorre sobre o tema da circulação de correntes harmônicas em situação de ressonância harmônica.A figura 2 ilustra uma medição real em uma indústria onde se pode observar que, no instante do desligamento dos capacitores, os efeitos da ressonância harmônica foram sensivelmente reduzidos devido à eliminação da ressonância que ocorria nas 7ª; 11ª e 13ª   harmônicas, A figura 3 apresenta o comportamento das correntes nestas frequências, onde se observa a mudança de comportamento no desligamento dos capacitores.