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APLICAÇÃO DE FILTROS ATIVOS E PASSIVOS DE POTÊNCIA: ESTUDO DE CASO Ricardo de Castro d’Ávila Filho

Marcelo Fonseca Braga

Sidelmo Magalhães Silva

[email protected] DALTEC – Consultoria em Engenharia e Projetos Ltda. R. Urucuia, 48. Floresta. Belo Horizonte, MG. CEP: 30.150-060. Brasil

[email protected] HPE – High Power Engineering, Ltda. Rua Benvinda de Carvalho, 239 sl. 403 Santo Antônio Belo Horizonte, MG. CEP: 30.330-180. Brasil

[email protected] CEFET-MG - Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Av. Amazonas, 7675. Nova Gameleira. Belo Horizonte, MG. CEP: 30.510-000. Brasil

Resumo – Este artigo apresenta um estudo de caso comparando o desempenho e custo dos filtros de correntes harmônicas, passivos e ativos. Com o auxilio de softwares de simulação são realizados estudos de fluxo harmônico, para especificação dos esquemas de filtragem, com o intuito de atender os níveis máximos permitidos pela norma IEEE Std-519. O custo de implementação do filtro ativo é mais alto e requer potência reativa mais elevada, quando comparado com a alternativa passiva. Entretanto, verifica-se uma melhor capacidade de compensação, aliada ao não surgimento do fenômeno de ressonância, capaz de levar ao mau funcionamento e, em alguns casos, destruição dos filtros passivos. Palavras Chaves - Filtro passivo, filtro ativo, aplicação de filtros de potência, fluxo de potência harmônica. Abstract – This paper presents a comparative study for the application of active and passive power filters to reduce harmonic content in an industrial facility, located in Minas Gerais State. With the aid of simulation models, implemented with ESDA Technical, an analysis of the operation of the system, with and without the filters is conducted, aiming the satisfaction of the requirements of the IEEE Std-519. Although the active filter alternative presents higher implementation costs, it turns out to be a more effective solution, since it guarantees the reduction of all the harmonic content, avoiding the occurrence of resonance problems in the system. Keywords – passive filter, application, harmonic power.

active

filter,

filter

I. INTRODUÇÃO A relação entre a potência instalada de cargas não-lineares e lineares tem aumentado significativamente nos últimos

anos, principalmente a partir da década de 70. De acordo com [4], as cargas não-lineares são as principais fontes de correntes harmônicas e com a crescente utilização desse tipo de carga, tem se verificado o aumento dos problemas relacionados a estes distúrbios. Uma carga produtora de harmônico pode provocar uma significativa distorção das ondas de corrente e de tensão. As distorções dependem, principalmente, do nível de injeção de correntes harmônicas e da impedância do sistema de energia. Alguns dos efeitos das distorções harmônicas são: interferências em sistemas de controle computadorizados; aquecimento de máquinas rotativas; sobreaquecimento ou falha de banco de capacitores. De uma forma geral, para atenuar os efeitos causados pelos harmônicos, são utilizados os filtros passivos e/ou filtros ativos, embora, atualmente, os filtros passivos sejam a opção mais utilizada na indústria. Estes são de fácil instalação e sua utilização, já bastante consolidada, lhes garante confiabilidade. Porém, podem levar ao surgimento do problema de ressonância com o sistema e apresentam pouca flexibilidade, uma vez que só atenuam as harmônicas para qual foram projetados. Qualquer alteração nas cargas não-lineares pode gerar níveis e ordem harmônicas não características, provocando níveis elevados de distorção. Os filtros ativos começaram a ser utilizados a partir da década de 90 e têm como principal vantagem a atenuação das correntes harmônicas de forma contínua e flexível, ou seja, através de seu sistema de controle poderá atenuar o conteúdo harmônico presente na barra de conexão. Os filtros ativos não levam ao surgimento do efeito de ressonância, porém tem custos mais elevados e operam com níveis de potência mais elevados. Neste trabalho realizou-se um estudo comparativo entre as alternativas de redução do conteúdo harmônico em uma planta industrial, através da instalação de filtros ativos e filtros passivos. Foi considerada uma planta industrial de uma mineradora, instalada no estado de Minas Gerais, que

serviu como base para a realização do estudo de caso. O diagrama unifilar simplificado da planta considerada é apresentado na Fig. 1.

passa-altas, sintonizado na 11ª harmônica. Estes filtros foram conectados no sistema, conforme mostrado na Fig. 3.

Fig. 3 – Localização dos filtros passivos.

Fig. 1 – Diagrama básico geral da planta industrial de uma mineradora.

Esta planta industrial possui dois grupos inversores, com barramento CC em tensão (VSI – Voltage Source Inverter), indicados na Fig. 1 pelos códigos 41-GI-05 e 41-GI-06. Os inversores são de 6 pulsos e drenam correntes com elevadas taxas de distorção harmônica, além de representarem 47% da carga total da planta.

1) Dimensionamento – Inicialmente, dimensionam-se os capacitores, tendo em vista a correção do fator de potência (FP) necessária. Cada grupo inversor já apresenta, neste caso, um FP igual a 0,92 indutivo, valor mínimo aceitável na legislação. Assim, não seria necessária a instalação de bancos de capacitores para a correção do FP. Entretanto, como na planta há uma grande injeção de correntes harmônicas, tornou-se necessária a especificação de capacitores para configuração dos filtros passivos. Optou-se por fazer a compensação de reativo para tornar o fator de potência unitário, de acordo com (1).

II. TOPOLOGIA DOS FILTROS A. Filtros Passivos Os filtros passivos são obtidos através da associação de capacitores, indutores e resistores de potência e são as opções mais utilizadas nas indústrias. Podem ser filtros de sintonia simples (“single-tuned”) ou filtros passa-altas (“high-pass”). Os filtros de sintonia simples consistem de um indutor em série com capacitores. Estes filtros possuem uma impedância muito baixa na freqüência de sintonia. Já os filtros passaaltas possuem um capacitor em série com a associação paralela de um indutor e um resistor. Os diagramas esquemáticos dos filtros passivos estão representados na Fig. 2.

kVAr = kW × tan(cos −1 FP)

(1)

onde: kW FP

- Potência ativa total da carga. - Fator de potência total da carga.

Como cada barra irá possuir três filtros harmônicos, esta potência reativa será dividida igualmente entre os mesmos. Em aplicações de filtros passivos, pode-se ter situações nas quais os capacitores podem sofrer sobretensões causadas pela circulação das correntes harmônicas. Deste modo, assumiuse a utilização de capacitores com tensão nominal igual a 25% acima da tensão do sistema, de acordo com [3]. A capacitância pode ser obtida de acordo com a equação (2). 2

kVAr ⎛ 1,25V ⎞ *⎜ ⎟ × 0,001 3 V ⎠ ⎝ C= 2 2πf × (1,25V )

(2)

Fig. 2 – Diagrama esquemático dos filtros passivos. (a) primeira ordem; (b) segunda ordem; (c) terceira ordem; (d) tipo C.

Como a impedância do filtro, na freqüência de sintonia, é praticamente nula, temos que reatância indutiva é igual à reatância capacitiva nesta freqüência.

No caso da planta em estudo, como as cargas não-lineares são inversores de 6 pulsos, os maiores níveis de correntes harmônicas injetadas são relativas a 5ª e 7ª ordens. Deste modo, foram projetados, para cada barra dos grupos inversores, dois filtros de sintonia simples: um sintonizado para a 5ª harmônica e o outro para a 7ª, além de um filtro

De acordo com [1], a freqüência de sintonia do filtro deve ficar entre ±5% da freqüência da harmônica a ser filtrada. Como existem erros da capacitância, indutância e outros fatores que podem afetar a sintonia do filtro, uma tolerância 5% é tipicamente utilizada para sistemas de potência industrial, de acordo com [3]. Assim, a indutância é

Os valores encontrados da capacitância, indutância e resistência dos filtros dimensionados estão indicados na Tabela I.

de um barramento CC, injeta-se correntes de compensação no ramal a ser compensado, através de dispositivos semicondutores de potência que realizam comutações em alta-frequência [9]. A principal vantagem desta topologia é que o sistema de energia continua em operação, caso haja alguma falha interna no filtro. O filtro ativo série pode operar de duas formas: (i) - como uma impedância variável, que bloqueia as correntes harmônicas com alta impedância e permite a passagem da corrente fundamental com baixa impedância; (ii) - como uma fonte variável de tensão, resultando uma tensão na carga puramente senoidal. Ao contrário do filtro ativo shunt, nesta configuração, como o filtro se encontra conectado em série com a carga, qualquer falha interna pode levar à parada do processo. Com a associação das configurações ativas e passivas obtém-se o filtro ativo híbrido. Este atua de forma que cada configuração disponibiliza a correção em uma faixa diferente de freqüência. O filtro ativo shunt é o tema deste trabalho devido a sua principal vantagem sobre os demais, além de possuir uma boa capacidade de filtragem de componentes harmônicas.

TABELA I - Parâmetros dos filtros dimensionados.

III. ESTUDO DE CASO

calculada pela equação (3), onde h é a ordem da harmônica a ser filtrada.

L=

1 (2πf × 0,95 × h) 2 × C

(3)

O cálculo do resistor para o filtro passa-altas é feito utilizando-se o fator Q. De acordo com [3], tipicamente este fator Q varia entre 0,5 e 2. Quanto maior o valor de Q, melhor é a filtragem obtida, já que é maior a faixa de freqüências para a qual se tem baixa impedância do filtro. Assim, Considerando o Q igual a 2, calculamos a resistência pela equação (4):

L C

R = Q×

Ordem 5 7 11

Capacitância (mF) 1,8421 1,8421 1,8421

(4)

Indutância (mH) 0,1693 0,0859 0,0346

Resistência (Ω) 0,2743

B. Filtros Ativos Os filtros ativos possuem complexidade mais elevada, se comparados aos filtros passivos. São baseados em conversores estáticos para injeção de corrente nos barramentos a serem compensados. As correntes injetadas pelos filtros irão cancelar as correntes harmônicas produzidas pelas cargas não-lineares. Dependendo da aplicação os filtros ativos, estes podem ser classificados como paralelo, série ou hibrido, como mostra a figura 4. Filtro Ativo

FA Paralelo

Fonte de Corrente

FA Paralelo + FA Série

FA Série

FA Híbrido

Fonte de Tensão

FA Paralelo +FP Paralelo

FA Série + FP Paralelo

FA em série com FP paralelo

Fig. 4 – Classificação dos filtros ativos. FA = Filtro ativo e FP = Filtro passivo.

O filtro ativo shunt opera em paralelo com a carga e se baseia na compensação das correntes harmônicas, circulando, principalmente, potência reativa no seu circuito. Pode ser modelado como uma fonte de corrente controlada. A partir

O estudo de fluxo de correntes harmônicas foi realizado com o auxílio do programa EDSA Technical 2005, desenvolvido pela EDSA Micro Corporation. O diagrama de identificação de barras do sistema modelado é apresentado na Fig. 1. A planta industrial da mineradora é alimentada em 13,8kV e possui cinco transformadores, sendo que o 41-TF-07 alimenta o 41-CCM-03, em 4,16kV, o qual possui somente as cargas lineares. Os outros transformadores abaixam a tensão para 480V, sendo que os transformadores 41-TF-06 e 41-61151 alimentam os quadros de distribuição 41-QD-03 e 41-64155, os quais possuem bancos de capacitores de 350kVAr e 245kVAr, respectivamente. Este grupo de cargas é composto, principalmente, por cargas lineares. Já os transformadores 41-TF-08 e 41-TF-09 alimentam os grupos inversores 41-GI-05 e 41-GI-06, respectivamente. Nestes quadros estão concentradas as principais cargas não-lineares da planta. Estas cargas são constituídas de inversores de 6 pulsos e representam 47% da demanda total desta mineradora. Para a realização deste estudo foram realizadas várias simulações, incluindo: Caso 1: Simulação de um fluxo de correntes harmônicas realizada no EDSA, com planta em funcionamento normal sem filtros de correntes harmônicas. Caso 2: Simulação de fluxo de correntes harmônicas realizada no EDSA, com planta em funcionamento normal, porém com filtros passivos instalados nos alimentadores do 41-GI-05 (T060) e 41-GI-06 (T061). Caso 3: Simulação de um fluxo de correntes harmônicas utilizando o EDSA, com a planta em funcionamento normal e com os filtros ativos instalados no 41-GI-05 (T060) e 41GI-06 (T061). Para o Caso 1, verificou-se que os níveis de distorção harmônica total (THD) de tensão, nas barras T060 e T061

Sem Filtro

0

Filtro Passivo

-50

-50 50

Com filtros passivos

14

Com filtros ativos

12

IEEE Std 519-1992

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0

0.005

0.01

0.015 Tempo [s]

0.02

0.025

0.03

0 -50

10

0.005

0

18

Sem filtros

0

50

20

16

Erros de Tensão [V]

50

Filtro Ativo

THD (%)

estavam muito acima do permitido em [8], apresentando níveis de 13,64% e 18,96%, respectivamente. Isto se deve à grande distorção provocada pelas cargas não-lineares conectadas nessas barras. Assim, foram instalados filtros passivos (Caso 2) e filtros ativos (Caso 3). Os níveis de THD destas simulações estão apresentados na Fig. 5 e as distorções de tensões individuais para a barra T060, na Fig. 6.

8

Fig. 7 – Erro das tensões de fase na barra T060.

6 4 2 0 J044

L025

T053

T060

T061

T062

Fig. 5 – THD de tensão obtido nas principais barras da planta. 9 8

Sem filtros

7

Com filtros passivos

6

Com filtros ativos

Conforme IEEE Std. 519, para garantir que um determinado consumidor isolado não provoque distorções harmônicas em outras áreas do sistema, o consumidor deverá limitar as distorções de correntes harmônicas de acordo com a Tabela II. TABELA II - Limites máximos de distorção de corrente harmônica. ISC/IL <20 20<50 50<100 100<1000 >1000

<11 4,0 7,0 10,0 12,0 15,0

11≤h<17 2,0 3,5 4,5 5,5 7,0

17≤h<23 1,5 2,5 4,0 5,0 6,0

23≤h<25 0,6 1,0 1,5 2,0 2,5

35≤h 0,3 0,5 0,7 1,0 1,4

TDD 5,0 8,0 12,0 15,0 20,0

IEEE Std 519-1992

5 4 3 2 1 0 5

7

11 13 17 19 23 25 29 31 35 37 41 43 47 49 Frequência (pu)

Fig. 6 – Distorções individuais de tensão [%] na barra T060.

Os valores encontrados com a instalação dos filtros passivos ou filtros ativos ficaram abaixo dos limites mínimos recomendado em [8], como pode ser observado nas Fig. 5 e 6. A única exceção foi a distorção individual de 5ª harmônica que, com os filtros passivos, ficou acima do valor recomendado. Como o filtro ativo proposto é seletivo, ou seja, atenua apenas os harmônicos com maior amplitude (5º, 7º, 11º e 13º), este filtro mostrou-se mais eficaz, reduzindo os níveis de distorções individuais para os quais foi selecionado. Com a diminuição das distorções, a forma de onda da tensão se aproxima da tensão fundamental de 60Hz, ou seja, livre de harmônicas. Isso pode ser observado na Fig. 7, que mostra o erro das tensões totais, de cada simulação, na barra T060, em relação à tensão fundamental de 60Hz.

Na Tabela II, o TDD (Total Demand Distortion) é a relação entre o valor eficaz total das componentes harmônicas da corrente sobre a máxima demanda de corrente, em um período de 15 ou 30 minutos; ISC /IL é a relação entre a corrente de curto-circuito no ponto de acoplamento comum e a corrente da carga. Para a planta estudada, nota-se que as distorções de correntes com a instalação de filtro passivo ou filtro ativo (Casos 2 e 3) são reduzidas se comparadas com a planta sem filtros (Caso 1). Porém só com os filtros ativos os níveis ficam abaixo da norma para a barra J044, como pode ser observado nas Fig. 8 e 9. Podemos, então, verificar, que somente com a instalação de filtros ativos, a operação da planta em estudo não levará ao surgimento de distorções em outras áreas do sistema. Para se atenuar as correntes harmônicas, torna-se necessária uma potência de 480 kVA para o filtro passivo e de 745 kVA para o filtro ativo, em cada grupo inversor. Essa seria uma das desvantagens do filtro ativo em relação ao passivo. Por outro lado, o filtro ativo se configura como uma opção mais versátil, podendo atenuar uma faixa de frequência maior que os filtros passivos. Verifica-se, também, que com o acréscimo do filtro passivo, inserem-se freqüências de ressonância no sistema, como pode ser observado na Fig. 11.

Sem filtros

40

Com filtros passivos

35

Com filtros ativos

30

IEEE Std 519-1992

0.3

0.25

25

impedância (ohms)

TDD (%)

0.35

45

20 15 10 5

0.2 0.15

0.1

0 J044

L025

T053

T060

T061

T062 0.05

Fig. 8 – TDD nas principais barras da planta.

0

20 18

Sem filtros

16

Com filtros passivos

14

Com filtros ativos

5

10

15

20 25 30 frequência (pu)

35

40

45

50

Fig. 10 – Resposta em freqüência na barra T060 sem filtros instalados. 0.35

IEEE Std 519-1992

12 10

0

0.3

8 0.25

4 2 0 5

7 11 13 17 19 23 25 29 31 35 37 41 43 47 49

impedância (ohms)

6

frequência (pu)

0.15

0.1

Fig. 9 – Distorções individuais de corrente na barra J044.

0.05

0

0

5

10

15

20 25 30 frequência (pu)

35

40

45

50

Fig. 11 – Resposta em freqüência na barra T060 com filtros passivos. 0.35 0.3

0.25 impedância (ohms)

Nas frequências de ressonâncias encontradas, verificam-se os valores de resistência relativamente baixo e em freqüências não características do sistema. Contudo, em certas condições de operação das cargas não-lineares, estas poderiam provocar uma injeção de harmônicos não característicos em torno da freqüência de ressonância, o que provocaria uma elevada distorção harmônica. Outro fator é que, com o envelhecimento ou com o aumento da temperatura, as características do filtro passivo podem sofrer alterações. O ponto de ressonância pode deslocar para freqüências próximas as das correntes harmônicas características injetadas pelas cargas não-lineares presentes na planta (5ª, 7ª, 11ª,...), o que também levaria a elevadas distorções harmônicas. Para os filtros ativos, o sistema apresenta característica linear, o que descarta a possibilidade de ressonância desses com o restante do sistema, conforme ilustrado na Fig. 12. IV. CUSTO

0.2

0.2 0.15

0.1 0.05

A simplicidade dos elementos de potência do filtro passivo e sua larga utilização levam a um custo mais baixo para o sistema, quando comparado com a opção do filtro ativo. O filtro ativo, por sua vez, possui um número bem maior de componentes, demandando, normalmente, soluções microprocessadas e sistemas eletrônicos de potência, que determinam um alto grau de sofisticação. Além disso, a utilização que se faz, atualmente, da tecnologia de filtros ativos, com baixo volume de produção, justifica o custo mais elevado para esta alternativa.

0

0

5

10

15

20 25 30 frequência (pu)

35

40

45

50

Fig. 12 – Resposta em freqüência na barra T060 com filtros ativos.

Para o caso considerado neste estudo, foram cotados filtros ativos e passivos cujos preços médios são de R$264,00/kVA, para o filtro ativo e R$152,00/kVA para o filtro passivo.

IV. CONCLUSÕES Para diminuir as distorções harmônicas provocadas pelas cargas não-lineares, como retificadores controlados e inversores de frequência, os filtros passivos têm sido a opção mais utilizada na indústria. Estes filtros são de fácil instalação e sua utilização durante um longo período de tempo lhe garantiu confiabilidade. Entretanto, os filtros passivos permitem pouca flexibilidade, pois só atenuam as harmônicas para qual foram projetados. Qualquer alteração nas cargas não-lineares pode levar a níveis e ordens harmônicas não características que podem elevar as distroções nas barras da planta industrial. Uma tecnologia nova para atenuação de harmônicas começou a ser utilizada a partir da década de 90: os filtros ativos. Eles têm como principal vantagem a atenuação das harmônicas de forma contínua e flexível, ou seja, através de seu sistema de controle, irá atenuar os harmônicos presentes na barra de conexão. Contudo configuram-se como opções mais caras que os filtros passivos e demandam um nível de potência mais elevada. No presente estudo de caso, no qual se considerou uma planta industrial de uma mineradora, verificou-se que ambas as opções de filtos possibilitam a satisfação da IEEE Std. 519, do ponto de vista de distorção harmônica total. Entretanto, apenas a opção pelo filtro ativo de potência possibilitou a redução da distorção individual de 5ª harmônica para níveis recomendados. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CEFET-MG, HPE e a DALTEC Consultoria pelo apoio e contribuições dadas para a realização deste trabalho. REFERÊNCIAS [1] J. Arrillaga, D. A. Bradley, P. S. Bodger, Power System Harmonics. John Wiley & Sons, New York, USA, 1985. [2] J.C. Das, Power System Analysis, Marcel Dekker, New York, USA, 2002.

[3] F. De La Rosa, Harmonics and Power Systems, Tayolar & Francis, New York, USA, 2006. [4] G. D. A. Dias, Harmônicas em Sistemas Industriais. Edipucrs, 2.ed. Porto Alegre, Brasil, 2002. [5] Dobrucky, Branislav; et al. ”Single-phase Power Active Filter and Compensator Using Instantaneous Reactive Power Method”, Proceendings of the Power Conversion Conference (PCC), Osaka, pp. 167-171, 2002. [6] M. Izhar; et al, “Performance for Passive and Active Power Filter in Reducing Harmonics in the Distribution System”, National Power & Energy Conference (PECon), Kuala Lampur, pp. 17-26, 2004. [7] Z. Salam, T. P. Cheng, A. Jusoh,. “Harmonics Mitigation Using Active Power Filter: A Technological Review”, Elektrika, vol. 8, pp. 17-26, 2006. [8] The Institute of Electrical and Electronics Engineers. “Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems”. IEEE Std- 519. New York, USA, 1992. [9] Dirk Lindeke, “Projeto de um Filtro Ativo Paralelo de 1kVA utilizando técnicas de controle analógico e digital”, Tese de Mestrado UFSC, 2003.

BIOGRAFIAS Ricardo C. D. Filho graduado pelo Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais – CEFET-MG- em engenharia elétrica com ênfase em sistema elétrico de potências em 2007. Atualmente exerce a profisão na DALTEC Consultoria onde dedica-se a realização de estudos elétricos principalmente de sistemas industriais. Marcelo Fonseca Braga é estudante do curso de gradução em Engenharia Elétrica do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais – CEFET-MG. Atualmente, trabalha na HPE – High Power Engineering, Ltda. no desenvolvimento de soluções e produtos, baseados em eletrônica de potência e voltados para a qualidade da energia elétrica. Sidelmo Magalhães Silva graduou-se em 1997 em Engenharia Elétrica, na Universidade Federal de Minas Gerais – UFMG. Em 1999 e 2003, repectivamente, obteve os títulos de Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela UFMG. De 2001 a 2002, trabalhou no Depto. de Desenvolvimento de Produtos da ABB Switzerland, em Turgi, na Suíça. Desde 2006, é professor do curso de Engenharia Elétrica do CEFET-MG, onde realiza atividades de pesquisa e desenvolvimento, voltados para aplicações de eletrônica de potência e qualidade da energia elétrica.