Compensação reativa em cargas dinâmicas alimentadas por grupos geradores em baixa tensão – a quebra do paradigma

Edição 96 – Janeiro de 2014
Por José Starosta

Em maio e junho de 2011, a revista O Setor Elétrico publicou artigos técnicos que apresentavam e discutiam o comportamento dos geradores na presença de capacitores – estes artigos podem ser encontrados no site www.osetoreletrico.com.br, na coluna de José Starosta.

Na oportunidade, apresentavam-se as dificuldades em se operar adequadamente capacitores para compensação de energia reativa com os geradores utilizados como fonte principal ou de “backup”. De uma forma geral, capacitores poderiam evitar afundamentos de tensão causados por cargas dinâmicas, melhorando a regulação de tensão quando da operação por gerador, da mesma forma que o fazem quando a fonte é a rede. Contudo, as limitações de operação de geradores, operando com cargas capacitivas, impediam esta compensação. A mudança da frequência de ressonância em função da mudança da impedância da fonte era outro ponto a ser avaliado.

Na maioria dos projetos clássicos de compensação reativa em indústrias e prédios comerciais, os capacitores são simplesmente desligados quando os geradores entram em operação evitando sobre-excitação e desligamento. O objetivo deste trabalho é justamente apresentar os benefícios da compensação reativa operando com geradores em condições técnicas adequadas e apresentando um caso de sucesso aplicado.

Caso de aplicação

Descritivo:

O caso a ser apresentado considera a operação de elevadores em um grande prédio comercial, alimentados tanto por rede como pelos geradores em sistemas de emergência (os geradores assumem a carga na falta da concessionária).

Durante a operação de chamada de emergência (elevadores alimentados por gerador), os afundamentos de tensão causados pelo consumo instantâneo de energia reativa por parte dos elevadores (picos de reativo) causavam o desligamento e má operação dos elevadores. A situação se agravava em função da distância entre a carga (elevadores instalados na cobertura em prédio de mais de 30 andares) e a fonte (geradores instalados no subsolo do prédio).

A solução encontrada foi a implementação de compensadores estáticos de energia reativa com tempo de resposta de um ciclo (16 ms), de forma a compensar adequadamente a potência reativa consumida pelo elevador sem, contudo, injetar potência reativa adicional, de forma que o gerador não seja desligado por sobre-excitação devido à alimentação de carga capacitiva. Estes compensadores de energia reativa foram instalados na cobertura do prédio junto à sala de máquinas dos elevadores.

O esquema unifilar resumido é apresentado na Figura 1 e a foto da instalação de um dos equipamentos está na Figura 2.

Figura 1 – Esquemático da instalação do compensador na sala de máquina dos elevadores.

Figura 2 – Equipamento de compensação reativa instalado na sala de máquinas dos elevadores.

Medições e registros:

A Figura 3 (3a, 3b e 3c) apresenta o comportamento das variáveis elétricas indicadas durante três situações em distintas fases da operação:

– Fase 1: alimentação pela rede e compensador de reativo operando;

– Fase 2: alimentação por gerador e compensador de reativo operando;

– Fase 3: alimentação por gerador e compensador de reativo desligado.

Figura 3 a – Potência reativa injetada por fase (parte negativa) e consumida da rede (parte positiva); Tensão de linha e corrente de linha nas três fases da operação.

Figura 3 b – Potência reativa total consumida pela carga (parte positiva) e injetada pelo compensador (parte negativa) nas três fases da operação.

Figura 3 c – Comportamento da distorção harmônica de tensão na barra de alimentação dos elevadores nas três fases da operação.

Conclusões:

Pode-se observar nas ilustrações gráficas:

– Durante a fase 1 com o elevador operando pela rede da concessionária, a regulação de tensão apresenta um comportamento adequado para a alimentação da carga, a tensão mínima é da ordem de 220 V e a distorção total de tensão é da ordem de 12% a 15% em medições instantâneas; a distorção de tensão é consequência da impedância do circuito de alimentação associado a característica de não linearidade da carga. O sistema compensa instantaneamente valores da ordem de 75 kvar dos quase 90 kvar consumidos por um elevador (o intervalo de integração dos gráficos é de 1 ciclo).

– Na fase 2, em que o elevador opera com alimentação pelo gerador, observa-se comportamento semelhante ao anterior da fase 1. Durante o período em que o elevador não opera o compensador também não injeta reativo, caso contrário, o gerador não suportaria a carga capacitiva atuando sua proteção (sobre-excitação).

– Já na fase 3, em que o elevador opera com gerador sem compensação de energia reativa, a tensão atinge valores menores que 210 V e a distorção total de tensão atinge valores superiores a 20%. Esta situação é agravada no instante em que o gerador assume outras cargas do prédio, impossibilitando a operação normal dos elevadores.

– A redução da distorção de tensão com a compensação de energia reativa é justificada pela influência da redução da corrente reativa de frequência fundamental e correntes harmônicas na alimentação (em especial as 5ª e 7^a harmônicas) tanto pe

la operação da rede quanto pelo gerador. Neste caso, as perdas elétricas também são reduzidas na proporção quadrática da redução da corrente total, em torno de 100 A, nos circuitos de alimentação de cada uma dos elevadores nos extensos trechos. O modelo de alimentação dos elevadores com circuitos independentes para cada máquina desde a fonte no subsolo até a casa de máquinas impõe ao sistema alta impedância e baixa capacidade de curto-circuito com redução do desempenho do sistema, notadamente quando os acionamentos dos elevadores são substituídos por outros estáticos.

– O compensador estático de energia reativa possui uma função especial que possibilita um programa de operação específico em função da fonte de alimentação da carga. Em outras palavras, quando a carga estiver sendo alimentada pela rede, o sistema possui um ajuste distinto daquele da situação de operação pelo gerador.

– A compensação reativa em tempo real (aplicada) melhorou o desempenho de operação das cargas dinâmicas alimentadas por geradores, mantendo as condições de alimentação dentro de limites adequados e atendendo as premissas do projeto. A regulação de tensão atingiu valores toleráveis e a distorção de tensão poderá, se necessário, ser corrigida com filtro ativo de baixa capacidade.