Comportamento dos geradores na presença de capacitores – Parte II

Edição 65 – Junho 2011
Por José Starosta

O uso de geradores como fonte de energia em instalações tem se popularizado em função da importância que a energia elétrica assumiu nos processos de produção e administrativo, entre outras aplicações. Começamos a apresentar, na coluna publicada na edição anterior, algumas observações interessantes quanto ao comportamento dos geradores na presença de capacitores. Neste artigo, continuaremos o assunto, analisando a capabilidade dos geradores e a relação entre a frequência de ressonância de um circuito e a mudança de fonte de alimentação.

Limitação dos geradores – a curva de capabilidade

Os geradores apresentam uma característica de operação fortemente dependente da energia reativa consumida (indutiva) ou fornecida (capacitiva) pela carga.

A figura a seguir apresenta esta curva de capabilidade, em que se observa o regime de operação normal limitado pelas curvas azul e vermelha. Analisando-se esta curva, nota-se que na “região capacitiva” (faixa de valores negativos no eixo das abscissas (x)) existe uma importante restrição de operação em relação à região chamada “indutiva”.

Observa-se ainda, na curva, que o mesmo eixo das abscissas define a relação da potência reativa instantânea da carga pela potência nominal do gerador; a potência reativa negativa seria aquela fornecida por carga capacitiva ou capacitor e a positiva aquela consumida pela carga. O eixo das ordenadas (y) apresenta a relação da potência ativa instantânea da carga pela potência nominal do gerador.

Figura 1 – Curva de capabilidade. Fonte: Caterpillar.

Tomando-se para exemplo o caso de um grupo de motores com 1.000 kW, fator de potência de regime de 80%, potência reativa da ordem de 750 kvar, alimentado por um gerador de 1.500 kVA, e um sistema de compensação de energia reativa de 500 kvar que corrigiria o fator de potência para 97%, observa-se:

– A relação kvar/kVA do eixo das abscissas poderá assumir diversos valores em função da potência reativa injetada pelos capacitores em relação àquela consumida pelos motores. O valor a se utilizar será, portanto, o balanço de reativos (a diferença dos valores consumidos pelos motores e injetados pelos capacitores) em relação à potência nominal do gerador. No caso da situa&ccedi

l;ão de máxima demanda, o reativo fornecido pelo gerador será de 250 kvar (750 kvar (carga) – 500kvar (capacitor), e a relação citada será, portanto, de 250/1500 = 0,17. A relação kW/kVA será de 1000/1500 = 0,67. Este ponto é representado no diagrama da Figura 1 como ponto “A” e está na faixa adequada de operação.

– Se, em um segundo instante, a carga variar sem que o banco de capacitores acompanhe esta variação, pela própria inércia e tempo de resposta do sistema, e que esta variação de carga seja reduzida em 60%, as novas relações serão:

·        Nova situação da carga: 400 kW, 80%, 300kvar

·        Injeção de energia reativa mantida em 750 kvar

·        Novo balanço de energia reativa: -450 kvar (energia reativa injetada)

·        kvar/kVA= -450/1500= -0,3, kW/kVA = 0,26

Esta segunda situação é considerada limítrofe de operação do gerador, isto é, caso a carga fosse reduzida a valores ainda menores que 60% do valor original, sem o consequente acompanhamento do banco de capacitores, o gerador seria desligado pelo seu sistema de proteção de excitação. A situação é ainda mais crítica nos casos em que o sistema de compensação reativa é composto por bancos fixos. Portanto, caso o sistema de compensação de energia reativa não tenha velocidade para acompanhar a variação da carga, ele deve ser desligado quando o gerador assume a carga se aplicado como fonte de contingência e caso a situação possa não atender os limites estabelecidos pela curva de capabilidade.

Mudança da frequência de ressonância

A instalação de capacitores em redes indutivas como aquelas típicas, em que as fontes são transformadoras ou geradoras, acaba por definir uma frequência de ressonância. O circuito ressonante apresenta valores diferentes em função de:

·        Potência de curto-circuito da rede com transformador;

·        Potência de curto-circuito da rede com gerador;

·        Valor da energia reativa injetada (em bancos automáticos, cada estágio deve ser considerado independentemente).

Assumindo-se um transformador de 1500 kVA como fonte principal, com impedância de 5%, e um gerador de 1500 kVA com reatância subtransitória de 15% como fonte de backup e banco de capacitores de 750 kvar, obtém-se:

·        Harmônica de ressonância para operação pelo transformador: 6,3 (ou
378 Hz em rede 60 Hz);

·        Harmônica de ressonância para operação pelo gerador: 3,6 (ou 220 Hz em rede 60 Hz).

O que se nota é que, dependendo do conteúdo harmônico da carga e da concepção do banco de capacitores, a simples mudança de fonte poderá causar o indesejável efeito de ressonância harmônica.

As conclusões são evidentes e chamam a atenção para a necessidade de análise em separado do comportamento do sistema elétrico, seja ele de qual aplicação for, em função de trocas de fontes e em especial aplicação de geradores como fontes de contingência ou de backup na presença de sistemas de compensação de energia reativa. Estes, por sua vez, devem atender às expectativas de operação do sistema em todo o ciclo, inclusive sob os aspectos de ressonância harmônica.