Compensação de energia reativa, correção do fator de potência em instalações elétricas e mitigação das harmônicas – Parte 03/04

V – Solução com a instalação de filtros – Parte 03/04

A instalação de filtros de correntes harmônicas, ou simplesmente filtros de harmônicas, é uma solução aplicada não só para evitar as ressonâncias harmônicas, como também para reduzir a circulação de correntes harmônicas da carga nas fontes. Como consequência, as distorções de tensão são reduzidas e readequadas, por conta do controle das correntes harmônicas. De uma forma geral, os filtros evitam que as harmônicas circulem pelas fontes, reduzindo, portanto, as tensões harmônicas a montante e por consequência reduzindo também as distorções de tensão nos barramentos de baixa tensão.

Os reatores que são inseridos em série com os capacitores do sistema de compensação reativa são especificados de forma a permitir que estes sistemas de compensação reativa (LC), em conjunto com a rede de alimentação e carga não linear, operem adequadamente sem a ocorrência da ressonância harmônica. Se não assim fosse, a ressonância harmônica provocaria a circulação de correntes harmônicas nos capacitores e na rede muito acima do esperado, causando sobre tensões em todo o sistema (transformador, carga e capacitores) com valores típicos de sobretensão que podem ultrapassar os 10%. Portanto, registros de tensões de operação em regime muito acima das nominais, além de aumento da distorção de tensão, após a inserção de capacitores nas redes, são um sinal importante da ocorrência de ressonância. Os reatores têm também o objetivo de controlar a circulação de correntes harmônicas tanto nos capacitores como na rede e são definidos em função das características dos próprios capacitores que irão injetar a potência reativa, definindo-se então a frequência de ressonância desejável para o sistema e o volume de potência reativa a ser injetado. Estes conjuntos são inseridos e desconectados da rede de forma automática, normalmente em função da demanda de potência reativa pela carga e do fator de potência desejado.

Os filtros mais comumente aplicáveis em instalações industriais e equivalentes são os filtros passivos que são constituídos por conjuntos adequados de capacitores e indutores cuja associação define uma frequência de ressonância ou de sintonia. A frequência desta sintonia dependerá da estratégia do projeto, e os filtros poderão ter características sintonizadas, promovendo um caminho e fazendo circular as harmônicas em seu interior, evitando que parte das mesmas sejam conduzidas à rede, podem ser ainda sintonizados em uma (ou duas) frequências de ressonância. Já os filtros antirressonantes que simplesmente evitam que as correntes harmônicas circulem pelos capacitores (aumentando a impedância do ramo) e sejam, neste contexto, “dirigidas” diretamente para a rede em sua maior parte. Em função das condições da instalação, estes filtros antirressonantes têm muito boa aplicação.

Devido à sua própria construção, também injetam energia reativa na rede, enquanto as harmônicas são mitigadas em função das características da rede (esta mitigação definirá o percentual de harmônicas que circularão pelo próprio filtro com absorção de parte destas correntes, sendo a outra parte aquela que circulará pelo transformador e rede).  Caso a carga seja variável, a construção dos filtros deve prever o arranjo em grupos de filtros menores de forma a também adequar a operação dos mesmos à variação da carga e injeção de potência reativa, evitando fenômenos indesejáveis como a sobre compensação de energia reativa e sobretensões, velocidade de manobra, transientes e outros.

A figura 4 apresenta a representação de rede elétrica alimentando uma carga com conteúdo harmônico. A figura 5 apresenta a inserção de capacitores no ponto B no circuito da figura 4 e as figuras 7a e 7b indicam os aspectos da ressonância na 5ª harmônica que poderá ocorrer com a inserção dos capacitores. Neste contexto, a figura 7a indica o comportamento da impedância do sistema (rede e capacitor) em função das frequências harmônicas. Observa-se que a ressonância ocorre neste caso na 5ª ordem. A inserção de reator em série com o capacitor, como apresentado nas figuras 6 e 8b, tem como resultado a mudança da frequência de ressonância ilustrada na figura 8a. Neste caso, a frequência de ressonância harmônica é menor que a 5ª harmônica e o objetivo foi o de não permitir a ocorrência da ressonância nas frequências de 5ª ordem e superiores (típicos de cargas trifásicas em conversores de 6 pulsos). Este arranjo é conhecido como sistema antirressonante. O ramo do gráfico da figura 8C à direita do ponto de ressonância tem o comportamento muito semelhante ao da impedância da rede (Z=ᾡL) sem os capacitores, esperando-se, portanto, um comportamento adequado. Este equilíbrio é obtido com dimensionamento adequado da reatância do reator XL1 que será associado ao capacitor e que depende da reatância deste capacitor Xc, Ver figura 8b.

Figura 9b

A figura 9a ilustra o comportamento da possibilidade de ressonância com o uso de bancos automáticos sem filtro. Em função do estágio (volume de reativo) inserido na rede, ocorrerão distintas frequências de ressonância. Já a figura 9b ilustra um sistema antirressonante operando adequadamente em qualquer situação de configuração.

VI – O Fator “p%”

Os filtros passivos possuem os fatores “p%” que definem suas frequências de ressonância em função da aplicação. A definição do fator “p%” é a relação entre a impedância do reator e do capacitor a ele associado em 60 Hz. A tabela 1 apresenta o comportamento de filtros de distintos valores de p%.

O uso adequado do “fator p” definirá a interação do filtro com a instalação e os resultados esperados como a distorção de tensão final esperada.

Continua na próxima edição.