DIOGENES MOREIRA DA SILVA

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PROBLEMAS COM DISTORÇÃO HARMÔNICA E SOLUÇÃO COM FILTRO ATIVO DE POTÊNCIA

PROBLEMAS COM DISTORÇÃO HARMÔNICA E SOLUÇÃO COM FILTRO ATIVO DE POTÊNCIA

Os altos níveis de distorção harmônica de tensão (THD V) e de corrente (THD I) presentes em sistemas elétricos aplicados em todos os setores trazem diversos prejuízos e consequências indesejáveis, inclusive dada importância desses fenômenos, as normas internacionais IEE 519-1992 (Limites de distorção de tensão em instalações genéricas) e IEC 1000-3-4 (Máxima distorção de corrente total da instalação) estabelecem limites para os níveis de harmônicos totais de tensão e corrente em instalações elétricas.

Vale ressaltar que o preciso diagnóstico e dimensionamento de soluções são consideravelmente complexos, dependendo de análises aprofundadas, bem como de instrumentos específicos para sua devida identificação e quantificação.

No entanto para estes fenômenos, existem soluções extremamente eficazes que trazem diversos benefícios financeiros e operacionais, como a redução de perdas energéticas, o aumento da vida útil dos equipamentos, a melhoria da qualidade de energia, a otimização de desempenho dos sistemas elétricos entre outros.

Portanto, na apresentação a seguir, demonstro, de forma detalhada, clara e intuitiva, por meio de imagens e gráficos, as consequências, causas e soluções para as distorções harmônicas, bem como a estrutura, o desenvolvimento e os resultados obtidos com o Filtro Ativo de Potência que projetei.

NAR

CONSEQUENCIAS CAUSADAS PELA DISTORGAO HARMONICA

= Comprometimento no funcionamento e ruptura da integridade de equipamentos que
utilizam a forma de onda da tensdo oucorrente senoidal como referéncia para gerar o
controle de semicondutores ou como base de tempo para sincronizar certos
sistemas;

© Disturbios por meio da criagdo de campos eletromagnéticos em linhas de
transmissdao de dados, podendo comprometer e causar interferéncias de grande
intensidade no funcionamento de equipamentos como maquinas rotativas e
operatrizes, sistemas de automagado, PLPs (Power Loss Protection), SSDs (Solid State
Drives), sensores, CLP’s, Computadores, DCS (Distributed Control System), entre
outros, aos quais as linhas de dados est3o conectadas;

@® Ruptura da integridade de bancos de capacitores, pois altas correntes harmonicas
sdo absorvidas por eles, além dasreatancias da instalagdo elétrica que trazem riscos
de ressonancia, aumentando por consequéncia consideravelmente a amplitude das
harmonicas em todos os equipamentos; |

@® Perdas nos enrolamentos devido ao efeito Joule, histerese e correntes parasitas nes |
circuitos magnéticos, saturagdo do nucleo e alto nivel de depreciagao el
transformadores; |

@® Perdas adicionais nos enrolamentos e no circuito magnético de Grupos Geradores;

@® Perdas adicionais em condutores, principalmente no condutor utro, |
acentuadas peloefeito pelicular das harménicas de 3° ordem;

@® Multas aplicadas pela concessionaria de energia elétrica devido ao baixo fat db |
poténcia causado pela distorgdo harmonica. i

0 baixo fator de poténcia é causado pela defasagem angular entre tensdo e corrente
e/ou a distorgao harménica de corrente conforme abaixo demonstrados.

DEFASAGEM \
ANGULAR : 5 p »

DEFASAGEM ANGULAR DISTORGAO HARMONICA
ENTRE TENSAO E CORRENTE DE CORRENTE

 

CASOS PRATICOS »

& Venho trabalhando ha mais de 18 anos com esse tema e pude adquirir uma
experiencia bastante solida com a vivéncia em andlises de sistemas elétricos de
grandes empresas abaixo descriminadas com altos niveis de distorgdo harménica
presentes em suas instalagdes, onde nesse periodo pude estar a frente do
desenvolvimento, fabricagdo e instalagdo de solugdes para esses casos com Filtros
Ativos de Poténcia:

eo Weg (Mineradora Samarco de Mariana / MG)

e Schneider (Mineradora CSN de Congonhas / MG)
e Thyssenkrupp (Fabrica de Sdo Bernardo do Campo / SP) !

e Mangels (Fabrica de Varginha / MG) i |
e Artivinco (Fabrica de Itatiba / SP)

e Diario do Grande ABC (Grafica de Santo André / SP)

e Metallurgica Extrativa (Fabrica de S3o Jodo Del Rei / MG)

Constatando que os impactos causados ndo se limitam as interferénci
equipamentos supracitadas, mas também podem ocorrer devido a causa abaixo:

PREJUIZOS FINANCEIROS DIRETOS NA CONTA DE ENERGIA ELETRICA
|

® Quando os altos niveis de THD I contribuem expressivamente na redugdp do fater
de poténcia do sistema com a elevagdo da poténcia reativa, considerando que a
defasagem angular entre a tensdo e corrente também influencia de forma significativa
nesses casos, 0 que por consequéncia é taxado pela concessionaria de energia através
da multa aplicada denominada “Poténcia Reativa Excedente” caso o fator de poténcia
esteja abaixo de 0,92 conforme estabelece a maioria das concessionarias.

 

EQUIPAMENTOS QUE GERAM DISTORCAO HARMONICA

© entre os principais causadores est3o:

e Inversores de Frequéncia

« Retificadores Tiristorizados

e Carregadores de Baterias

* Nobreaks

e Maquinas operatrizes

e Maquinas rotativas |
e Motores

« Fontes Chaveadas

entre outros !

SOLUGOES PRATICAS E EFICAZES

@® As solugdes com resultados eficazes para os casos de sistemas elétricos <i dito
niveis de distorgdo harménica sdo:

« Filtros Passivos de Poténcia |

eo Filtros Ativos de Poténcia | r
| | |
Observagao: Banco de Capacitores ndo se aplicam a sistemas elétricos com distor
harmonicas presentes, considerando que a associagdo paralela entre el 3
proporcionar o processo de ressondncia, gerando elevadas correntes harmo |
causando por consequéncia a elevagdo do nivel de distor¢gdo harménica e a ruptura da
integridade do banco por ultrapassar sua propria capacidade de suportar se manter em
operagao diante desses altos niveis. pl
| /
|
@® Ainda assim cada solugdo supracitada possui sua aplicagdo especifica conforme
discriminado abaixo:

e Filtros Passivos sdo aplicados apenas em casos em que o regime de carga ێ estatico
sem ocorréncias de variagdes com niveis expressivos.

e Filtros Ativos sdo aplicados em qualquer caso, seja onde o regime de carga é
estatico sem ocorréncias de variagdes com niveis expressivos, seja onde o regime de
carga é altamente dinamico com ocorréncias de variagdes com niveis expressivos.

 

A

VIABILIDADE ECONOMICA »

~
© uae constatar nesses anos de experiéncia que obter um grande conhecimento no
pr diagnostico de problemas ocasionados por distorgdo harménica em sistemas
elétricos nao é o suficiente, pois é necessario ter expertise para dimensionar

precisamente e propor solugdes eficazes e particularizadas para cada caso, garantindo
assim a viabilidade econémica da solugdo para o cliente.

BENEFICIOS DAS SOLUCOES IMPLANTADAS Bl

@® Vale ressaltar que a solucdo de problemas com Distorcio Harmonica que geram
prejuizos como os descriminados acima é extremamente viavel na grande maioria dos
casos para os clientes, considerando que solugdes com Filtro Ativo de Poténcia, por
exemplo, quando entram em operagdo eliminam de imediato tais custos indesejaveis,
onde no curto & médio prazo, o que fica 8 depender de qual o tamanho do prejuizo
eliminado, recuperam o investimento e passam a obter expressiva economia de forma
permanente. |

DESENVOLVIMENTO DE TECNOLOGIA PROPRIA

@® Com o objetivo de consolidar meus conhecimentos no apenas em aspectos tesri 0s
ou em projetos importados existentes, mas também na aplicagdo pratica e experime
podendo impor minha propriedade intelectual com a criagdo de topologias e tecnol
inovadoras e promissoras, em 2022 desenvolvi um Filtro Ativo de boténcia P
Trifasico 380 - 220Vac / 25A. 19

|
@® Esse projeto permitiu que eu adquirisse sélidos conhecimentos e ampla ekpeni8
operacao de Filtros Ativos de Poténcia em condicdes reais, proporcionando maior dominio
e propriedade sobre esse tipo de solugdo. | |

® Ao seguir, é apresentado ilustrativamente, a topologia e funcionamento de Filtros
Ativos de Poténcia, bem como esse desenvolvimento que foi realizado, de forma clara e
intuitiva, por meio de imagens e graficos, bem como os conceitos envolvidos e resultados
obtidos.

 

ASLAN

TOPOLOGIA DO FILTRO ATIVO DE POTENCIA

& O Filtro Ativo de Poténcia é um conversor que emprega a eletrénica de poténcia
para compensagao dos harmdnicos de corrente e corregdo do fator de poténcia

© Seu funcionamento consiste em monitorar as tensdes e correntes da rede elétrica,
carga e barramento CC em tempo real injetando componentes harmonicas
compensatorias que cancelem as harmdnicas intrinsecas presentes na carga com
caracteristica ndo linear

@ Sua estratégia de poténcia consiste em um inversor do tipo VSI (Voltage Source
Inverter) que converte tensdo continua em tensdo alternada com chaveamento em
alta frequéncia a IGBT

@® Sua estratégia de controle consiste em um controlador do tipo PI (Proporcional
Integral) de alta precisdo com modulagdo PWM de alta frequéncia |

1
x
FTYINCE EE rTd
| | | |

 

FUNCIONAMEN DE FILTROS ATIVOS DE POTENCIA

COMP. FUNDAMENTAL
—

SIST. ELETRICO

CORRENTE DE
COMPENSACAO

TENSAO E CORRENTE TENSAO E CORRENTE
NO SISTEMA ELETRICO NA CARGA NAO LINEAR

am ly [TTI

harmonica

TENSAO E CORRENTE THD V / THD I / FP
NO FILTRO ATIVO PARALELO NO SISTEMA ELETRICO

 

NDE
ESTRUTURA DESENVOLVIDA COM APRESENTAGCAO DOS
RESULTADOS OBTIDOS QUE COMPROVAM SUA EFICACIA

PROTOTIPO MONTADO E TESTADO

THD

THD V / THD I THD V / THD I (]
SEM FILTRO ATIVO COM FILTRO ATIVO |

+2203 P +2301

0000000 0000000 - |

%1.089 \ 2d %0.178
€00u0000 u 0000000
40000000 iH 40000000

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wo00000 v 0000000

FATOR DE POTENCIA FATOR DE POTENCIA
SEM FILTRO ATIVO COM FILTRO ATIVO

Design
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