III – Configurações típicas de capacitores em instalações elétricas
Independente do objetivo principal da compensação reativa, as formas clássicas de compensação e injeção de reativos na rede elétrica por capacitores podem ser encontradas de forma bastante completa na IEEE 141-1993 [5] e Cotrim [13]. De uma forma geral, os sistemas podem ser definidos conforme segue e ilustrados na figura 1:
Figura 1 – Posições típicas de localização de capacitores em instalações elétricas industriais. [13]
Os capacitores são instalados em pontos específicos da instalação (posições 3 e 6 da figura 1) com injeção de energia reativa fixa e independe da operação da carga, tendo como principal característica o baixo custo, porém, devido à impossibilidade de controle, o sistema possui efeitos negativos como sobre tensões devido à sobre compensações em período de baixa carga. Ainda podem resultar em pagamento de excedentes de energia reativa nos períodos capacitivos (em geral na madrugada).
Os capacitores são instalados e conectados no sistema simultaneamente à carga (posições 1 e 2 da figura 1), podendo ser ligados (e alimentados) pelo mesmo dispositivo de manobra da carga. Esta configuração é um pouco diferente da anterior e possui custo pouco maior devido à associação de grupos de cargas a grupo de capacitores e automação específica, além de (ainda) limitações técnicas semelhantes às do item anterior.
O sistema se propõe ao atendimento de grupo de cargas variáveis normalmente associadas aos transformadores. Cada transformador possui um banco automático para compensação das cargas a ele associadas (posição 4 da figura 1). Os capacitores são montados em grupos sendo manobrados por elementos de manobra distintos, sendo controlados por dispositivo que associa a conexão dos grupos à operação das cargas. O acionamento destes contatores é feito através de um controlador eletrônico dedicado que recebe informações da corrente da carga através de TC ou grupo de TCs instalado(s) no QGBT associado ao transformador. Esta concepção possui melhor comportamento que as anteriores, pois a injeção de potência reativa é relativamente proporcional à operação das cargas.
Ainda assim alguns cuidados devem ser considerados:
Esta concepção possui as vantagens da solução anterior e devido à característica do acionamento por elementos estáticos dos capacitores (posição 5 da figura 1), os transientes não ocorrem e o tempo de resposta pode ser da ordem de 1 ciclo, impossibilitando sobretensão quando do desligamento da carga. Esta solução aplica-se na compensação reativa de cargas “rápidas” [9] como prensas, sistemas de solda a ponto, fornos a arco, guindastes, trens, elevadores, sistemas de geração eólica, injetoras, equipamentos para indústria gráfica e papeleira, eletro médicos, centrífugas para indústria de açúcar, sistemas de compressão de gases e outras cargas que apesar de tratadas por “especiais”, estão cada vez mais presentes em todos os processos. Esta solução também é a única que pode ser bem aplicada quando a instalação seja dotada de geradores operando em regime de “back-up”, auxiliando ainda na regulação da tensão dos geradores.
IV – Compensação de energia reativa na presença de cargas não lineares / ressonância harmônica e cuidados adicionais
Redes elétricas industriais onde capacitores são conectados podem ser modeladas com boa aproximação em um circuito LC; L relativo à impedância da rede (com forte característica reativa indutiva) e C dos capacitores. Nesta situação, define-se a frequência de ressonância que é abaixo representada matematicamente em (3) e (4). Por outro lado, as cargas não lineares presentes nas instalações possuem espectro harmônico típico devido ao seu controle e acionamento, especificamente as cargas industriais acionadas por conversores de 6 pulsos possuem componentes de correntes harmônicas nas harmônicas 5ª, 7ª, 11ª, 13ª e outras com menores intensidades. Se a frequência de ressonância da rede (circuito LC) ficar próxima da frequência de uma das correntes típicas do espectro harmônico da carga, haverá o fenômeno da ressonância nesta frequência. [8]
Calculo da frequência de ressonância
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