Hamônicos engenharia manutenção industrial

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Hamônicos engenharia manutenção industrial

  1. 1. Harmônicos Fundamentos
  2. 2. Programa  Fundamentação Teórica  Potência e Fator de Potência  Correção do FP X Ressonância  Harmônicas em Máquinas Elétricas  Harmônicas em Sistemas Trifásicos  Dimensionamento de Condutores  Dimensionamento de Transformadores  Dimensionamento do Indutor Anti-Harmônicas  Estudo de Filtros Passivos e Ativos
  3. 3. Indícios da presença de harmônicos  Disparos Inconvenientes de Disjuntores;  Aquecimentos de Transformadores e Geradores com Carga Abaixo da Nominal;  Super Aquecimento de Condutores Neutros Aparentemente Bem Dimensionados;  Graves Explosões de Capacitores de Correção de Fator de Potência.
  4. 4. Conseqüências dos harmônicos  Sobrecorrente nos Capacitores para Correção do Fator de Potência;  Sobre tensão no Sistema;  Aumento da Corrente Eficaz nos Condutores;  Interferências Eletromagnéticas;  Queima de Equipamentos Sensíveis a Variação de Tensão e/ou Freqüência
  5. 5. Harmônico fundamental e múltiplos  C:Usersangelo.hafnerDocumen tsEngenhariaManutencaoIndustri alChapecoFonteCorrenteFunda mentosHarmonicosSomaSenoid es.mdl  C:Usersangelo.hafnerDocumen tsEngenhariaManutencaoIndustri alChapecoFonteCorrenteFunda mentosHarmonicosSomaSenoid es_FFT.m
  6. 6. Fase e Amplitude  C:Usersangelo.hafnerDocument sEngenhariaManutencaoIndustrial ChapecoFonteCorrenteFundame ntosHarmonicosDiferencaFase.m dl  C:Usersangelo.hafnerDocument sEngenhariaManutencaoIndustrial ChapecoFonteCorrenteFundame ntosHarmonicosDiferencaFaseA mplitude.mdl
  7. 7. Amplitude, Fase e Freqüência  C:Usersangelo.hafnerDocu mentsEngenhariaManutencaoI ndustrialChapecoFonteCorr enteFundamentosHarmonicos DiferencaFaseAmplitudeFreq uencia.mdl
  8. 8. Soma de senóides de mesma freqüência  C:Usersangelo.hafnerDocumen tsEngenhariaManutencaoIndustri alChapecoFonteCorrenteFunda mentosHarmonicosSomaTensoe sMesmaFrquencia.mdl  C:Usersangelo.hafnerDocumen tsEngenhariaManutencaoIndustri alChapecoFonteCorrenteFunda mentosHarmonicosSomaTensoe sMesmaFrquenciaTrifasico.mdl
  9. 9. Soma de senóides de mesma freqüência  C:Usersangelo.hafnerDocu mentsEngenhariaManutencaoI ndustrialChapecoFonteCorr enteFundamentosHarmonicos SomaTensoesDiferentesFrque ncias.mdl
  10. 10. Fontes de harmônicas  Cargas não lineares  Conversores de Freqüência  Chaves Estáticas  Acionamentos de Corrente Contínua  Retificadores  No-breaks  Transformadores com Núcleo Saturado
  11. 11. Harmônicos de corrente Tensões e Corrente de Entrada V(V); I(A) 50 ientrada ventrada 0 -50 0 ieficaz veficaz 20 40 60 80 100 t(ms) Tensões e Corrente de Saída 20 i
  12. 12. Proposta de simulação 1 In RMS Scope p inpunt Product vi_rms Product1 In In RMS Mean Discrete Mean value ii_rms Scope v_i output + v - Voltmeter 2 Voltmeter 4 + v - Scope v_i input + i - Ameter 1 In In D1 io_rms Ameter 3 + Mean RMS D2 i - Discrete Mean value1 Product3 10 mF 12 Vrms 60 Hz 2 ohms In Scope p output RMS Product4 vo_rms D4 D3
  13. 13. nuous rgui Proposta de simulação 2 In RMS Scope p inpunt Product vi_rms Product1 In In RMS Mean Discrete Mean value ii_rms Scope v_i output + v - Voltmeter 2 Voltmeter 4 + v - Scope v_i input + i - Ameter 1 In In D1 Zqueda io_rms Ameter 3 + Mean RMS D2 i - Discrete Mean value1 Product3 10 mF 12 Vrms 60 Hz 2 ohms In Scope p output RMS Product4 vo_rms D4 D3
  14. 14. Modelamento matemático I (t ) 1 + Ip2 cos 2 t 2 3 + Ip4 cos 4 t 4 Ip5 cos 5 t I (t ) Ip1 cos 1 t Ip3 cos 3 t = 5 + Ip6 cos 6 t 6
  15. 15. Equipamento de análise de harmônicos
  16. 16. Zoom
  17. 17. Erros em instrumentos de medição 600 2% VALOR EFETIVO VALOR MEDIDO 500 Corrente (A) 400 18% 22% 20% 300 200 100 0 FASE A FASE B FASE C NEUTRO
  18. 18. Exemplo de cálculo Impedância Alimentador Impedância do Trafo Impedância dos Cabos Carga Não Linear
  19. 19. Conversor de 6x12 pulsos 27% 27% 30% 25% 20% 12 pulsos 15% 6 pulsos 12% 12% 10% 3% 5% 4% 0% 0% 0% THD Corrente THD Tensão 415 V THD Corrente THD Tensão 22 kV
  20. 20. Harmônicos Efeito nas Máquinas Elétricas
  21. 21. Principais perdas nas máquinas elétricas  Histerese  Correntes de Foucault  Efeito Pelicular  Harmônicos de Seqüência Negativa
  22. 22. Histerese (wolfram.com)
  23. 23. Perdas por correntes de Foucault Regra da Mão Direita i Correntes Parasitas  B i  B i i i i
  24. 24. Perdas por efeito pelicular Baixa Freqüência Alta Freqüência
  25. 25. Seqüência negativa e positiva  Vibrações  Aquecimento IC 120 + _ 120 IA 120 IB IB 120 120 IA 120 IC
  26. 26. Harmônicos Sistemas Trifásicos
  27. 27. Terceiro harmônico, ligação Y A B Z Z N Z C  I A3  I B3  IC3
  28. 28. 10A 60Hz 0deg 3A 300Hz 0deg1 10A 60Hz 120deg 3A 300Hz 360deg1 10A 60Hz -120deg 3A 300Hz -360deg1 R1 Scope Continuous powe rgui Rneutro = 1e-12 I4 i + - R2 I3 i + - I2 i + - I1 i + - Harmônicos em sistemas trifásicos R3
  29. 29. Corrente em um edifício de escritórios 600 548 500 445 Corrente (A) 400 410 435 300 200 100 0 FASE A FASE B FASE C NEUTRO
  30. 30. Fasores de corrente, ligação Y IC IB 120 120 IA 120 120 120 120 IB IC IB IA IC IB 120 120 120 IA 120 120 IB IA IC 120 IC IC IA IB IA
  31. 31. Fasores de corrente, ligação Y IC IB 120 IA 120 120 120 IA 120 IC IB IC IB IB IC 120 120 IA 120 120 120 120 IB IA 120 IC IA IA IB IC
  32. 32. Terceira harmônica, ligação A Z Z B Z C
  33. 33. Trafo -Y A A B B C C
  34. 34. O fator “k” dos transformadores 1,15 In 1 0,15 k Imax n k 2 Fn 2 Fn n 1 Fn n 1 2 In I1
  35. 35. Fator “k” (dados da carga) n Fn2 Fn(%) n2Fn2 1 100 10.000 10.000 5 17,5 306,25 7.656,25 7 11 121 5.929 11 4,5 20,25 2.450,25 13 2,9 8,41 1.421,29 17 1,5 2,25 650,25 19 1 1 361 10.459,2 28.468,0 Total Fn 2 n 2 Fn 2
  36. 36. Fator “k” [cont.] k I max  28.468,04 2,72 10.459,17 1,15 In 1 0,15 2,72 0,904 I n O transformador só deverá alimentar 90,4% de sua carga nominal
  37. 37. Condutores 1.8 1.6 1.35 Fator de Correção 1.4 1.2 1.15 1.19 1.45 1.64 1.55 1.63 1.24 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 31% a 35% 36% a 40% 41% a 45% 46% a 50% 51% a 55% 56% a 60% 61% a 66% Faixa Percentual do 3º Harmônico de Corrente Superior a 66%
  38. 38. Harmônicos Análise em Conversores
  39. 39. Retificador de 6 pulsos
  40. 40. Retificador de 12 pulsos Ventrada Y Vsaída
  41. 41. 6 x 12 pulsos Retificador de 6 pulsos Retificador de 12 pulsos Forma de Onda da Corrente Forma de Onda da Corrente
  42. 42. DHI em retificadores (ABB) 70.0% Distorção Harmônica Individual 60.0% 50.0% 40.0% 6 Pulsos 12 Pulsos 24 Pulsos IGBT 30.0% 20.0% 10.0% 0.0% 1 2 3 Ordem Harmônica 4 5 6
  43. 43. Custos dos retificadores (ABB) 250% 250% 250% 200% Custo Percentual 200% 150% 100% 100% 50% 0% 6 Pulos 12 Pulsos 24 Pulsos Tecnologia de Retificação IGBT
  44. 44. Harmônicos Fator de Deslocamento, Fator de Distorção e Fator de Potência
  45. 45. Fator de Deslocamento
  46. 46. Fator de Deslocamento
  47. 47. Resistor Puro Potência Tensão Corrente
  48. 48. Indutor Puro Potência Tensão Corrente
  49. 49. Capacitor Puro Potência Tensão Corrente
  50. 50. Circuito RL Potência Tensão Corrente
  51. 51. Vantagens da Correção S = 250 kVA FDesl = 0,6 S = 250 kVA 228 A 380 A 304 A S = 250 kVA FDesl = 0,6 S = 150 kVA 228 A 380 A 304 A
  52. 52. Corrigindo o FDesl 250 kVA 200 kVAr 53,1 150 kW 100 kW
  53. 53. Fator de Potência FP P S cos S Q P DVA
  54. 54. Fator de potência (IEC) Fator de Deslocamento FP P S cos Fator de Distorção 1 1 THD
  55. 55. Harmônicos Correção do Fator de Deslocamento e Ressonância
  56. 56. Caso clássico Transformador Capacitor Fonte de Harmônicos LT C Ih LT 2, 05 mH C 130 F I h 1 A (h 5)
  57. 57. Sem correção do FDesl Scope V.barra v + - 1 2 Trafo R.inf 5o harmônico
  58. 58. Com correção do FDesl Scope V.barra v + - 1 2 Trafo R.inf C .FDesl 130 uF 5o harmônico
  59. 59. Ressonância  A distorção de tensão cresce com a inserção do banco de capacitores Antes Correção Após Correção THD = 6,2 % THD = 24 % hres 1 2 60 2,05 10 3 130 10 6 5,31
  60. 60. Indutor de dessintonia Scope V.barra v + - 1 2 Trafo R.inf L C 5o harmônico
  61. 61. Impedância x Freqüência 25 XL Impedância ( ) 20 XC R 15 10 5 0 0 100 200 300 400 Freqüência (Hz) 500 600 700
  62. 62. INDUTOR ANTI HARMÔNICAS Impedance 45 40 250 Hz Impedance (ohms) 35 30 25 20 15 10 5 0 0 100 200 300 400 500 Frequency (Hz) 600 700 800 900 1000 600 700 800 900 1000 Phase 100 Phase (deg) 50 0 -50 -100 0 100 200 300 400 500 Frequency (Hz)
  63. 63. Antes, durante e depois LT LT Ih LT Ih C Curto LC Ih
  64. 64. Harmônicos Dimensionamento de Filtros
  65. 65. Sem correção do FDesl Continuous powe rgui V PQ I Scope1 + v - Active & Reactive Power Scope V.barra i + - I.total V.at 13.8 kV 60 Hz 3 deg 1 2 Trafo 13.8/0.22 kV R.inf Filtro 2.16 mH 136 uF I.1 40 A 60 Hz I.5 1A 300 Hz
  66. 66. Corrigindo o FDesl Continuous powe rgui V PQ I Scope1 + v - Active & Reactive Power Scope V.barra i + - I.total V.at 13.8 kV 60 Hz 3 deg 1 2 Trafo 13.8/0.22 kV R.inf Filtro 2.16 mH 136 uF I.1 40 A 60 Hz I.5 1A 300 Hz
  67. 67. Filtrando Continuous powe rgui V PQ I Scope1 + v - Active & Reactive Power Scope V.barra i + - I.total V.at 13.8 kV 60 Hz 3 deg 1 2 Trafo 13.8/0.22 kV R.inf Filtro 2.16 mH 136 uF I.1 40 A 60 Hz I.5 1A 300 Hz
  68. 68. Modelamento 1 do sistema sem filtro Ltrafo C Llinha ih
  69. 69. Modelamento 1 do sistema com filtro Ltrafo L Llinha C ih
  70. 70. Impedância antes do banco Impedance 7 Impedance (ohms) 6 5 4 3 2 1 0 0 50 100 150 200 250 Frequency (Hz) 300 350 400 450 500 300 350 400 450 500 Phase 100 Phase (deg) 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 Frequency (Hz)
  71. 71. Com banco Impedance 800 700 Impedance (ohms) 600 500 400 300 200 100 0 0 50 100 150 200 250 Frequency (Hz) 300 350 400 450 500 300 350 400 450 500 Phase 100 Phase (deg) 50 0 -50 -100 0 50 100 150 200 250 Frequency (Hz)
  72. 72. Com filtro Impedance 140 Impedance (ohms) 120 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 Frequency (Hz) 300 350 400 450 500 300 350 400 450 500 Phase 100 Phase (deg) 50 0 -50 -100 0 50 100 150 200 250 Frequency (Hz)
  73. 73. Filtros ativos
  74. 74. Filtros ativos [cont.]

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