Comparação de desempenho de filtros harmônicos em um sistema de energia industrial para redução da distorção harmônica.

Publicado por 1. Estifanos Dagnew Mitiku¹, 2. Gebrie Teshome Aduye², 3. S. Abdul Rahman³, 4. Mahilet Mentesinot Abuhay⁴, Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, Instituto de Tecnologia, Universidade de Gondar, Etiópia (1, 2, 3), Departamento de Engenharia Industrial, Instituto de Tecnologia, Universidade de Gondar, Etiópia (4) ORCID. 1. 0000-0002-6613-3979, 2. 0000-0003-1184-9184, 3. 0000-0003-0134-8028, 4. 0000-0001-7554-8562

Palavras-chave: Filtro harmônicos, Distorção Harmônica, Distorção Harmônica Total, MATLAB/SIMULINK.
Palavras-chave:filtro, harmônicos, THD

Introdução

Qualidade da energia A qualidade de energia (PQ) é uma questão tanto para as concessionárias quanto para os consumidores de eletricidade em todos os níveis de uso. Um dos problemas de PQ são os harmônicos, que são componentes sinusoidais de uma onda ou grandeza periódica com uma frequência que é um múltiplo inteiro da frequência fundamental, ou seja, 50 Hz ou 60 Hz [1]. As tensões harmônicas ocorrem como resultado dos harmônicos de corrente, que são criados e consumidos por cargas eletrônicas não lineares, injetadas no sistema de fornecimento [2].

Medição da distorção harmônica na indústria

Para avaliar o nível de distorção harmônica no sistema de energia industrial, o monitoramento deve ser realizado nos pontos de entrada de serviço da indústria nos Pontos de Acoplamento Comum (PCC), o ponto de derivação nos alimentadores de 15 kV. No entanto, como a distância e a impedância da linha, do PCC ao primário do transformador, são desprezíveis, os primários são considerados como PCC, conforme mostrado na figura 1 [2].

A distorção harmônica na indústria é medida enquanto todas as máquinas estão funcionando ao mesmo tempo, para observar as características cumulativas das cargas industriais e a coleta de dados é realizada por meio de medição direta. Após a devida análise, os dados coletados são computados e comparados com os valores aceitáveis ​​estabelecidos pelas normas da prática recomendada do IEEE para controle harmônico [28].

Tabela 1: Limites de distorção de corrente para sistemas de distribuição geral (120 V a 69 000 V) [2]. Figura 1: Local de monitoramento e ponto de acoplamento comum. A distorção harmônica na indústria é medida enquanto todas as máquinas estão funcionando simultaneamente, para observar as características cumulativas das cargas industriais, e a coleta de dados é realizada por meio de medição direta. Após a devida análise, os dados coletados são processados ​​e comparados com os valores aceitáveis ​​estabelecidos pelas normas da prática recomendada do IEEE para controle de harmônicos [28].

A corrente de curto-circuito e a corrente nominal do alimentador de 15 kV no PCC são, em média, de 10 kA e 1000 A, respectivamente, o que resulta em I_SC/EU_LA relação deve estar na faixa de

Os valores máximos de conteúdo harmônico de tensão e corrente da indústria, quando esta opera em plena carga, são apresentados na tabela 3.

Observa-se, a partir dos dados registrados, que as correntes harmônicas dominantes são as de 5ª ordem.^oe 7^oOs valores de THD (distorção harmônica total) da corrente para as três fases são de 18,10%, 18,33% e 18,44%, respectivamente, no PCC (Ponto de Conexão Comum), valores que excedem os padrões IEEE de 5%. Como os valores de THD da corrente estão acima dos padrões, filtros harmônicos de sintonia simples, dupla, passa-alta e tipo C, com seus parâmetros projetados, são aplicados para reduzir a distorção harmônica. O desempenho desses filtros é comparado com base nos valores percentuais de THD da corrente quando cada um deles é aplicado.

Princípio de funcionamento

O circuito utilizado para a redução da distorção harmônica é mostrado na Figura 2. Ele consiste em chaves, filtros harmônicos de sintonia simples, de sintonia dupla, passa-alta e tipo C, além da carga. Devido às cargas não lineares do sistema de energia industrial, à medida que correntes harmônicas são injetadas no sistema, as formas de onda de tensão e corrente são distorcidas. Os filtros harmônicos, com seus valores projetados e respectivas chaves, são aplicados independentemente para comparar o desempenho dos filtros, sendo ligados e desligados para reduzir a distorção harmônica. Inicialmente, a chave do filtro de sintonia simples é ligada, enquanto as outras chaves são desligadas. Em seguida, a chave do filtro passa-alta é ligada, enquanto as outras chaves são desligadas. Depois, a chave do filtro de sintonia dupla é ligada, enquanto as outras chaves são desligadas. Finalmente, a chave do filtro tipo C é ligada, enquanto as outras chaves são desligadas. Para simplificar, apenas uma fase é considerada dentre as três fases, visto que a energia é extraída da mesma fase para mitigar a distorção harmônica e mostrar o circuito de controle.

Resultados da simulação

As distorções harmônicas foram simuladas utilizando o software MATLAB/SIMULINK. Os filtros harmônicos, como filtros de sintonia simples, dupla, passa-alta e tipo C, foram simulados com os valores projetados para comparar seu desempenho na redução da distorção harmônica ocorrida no sistema de energia industrial devido a cargas não lineares. As formas de onda de tensão e corrente, tanto do lado da fonte quanto do lado da carga, antes e depois da aplicação dos filtros harmônicos, são apresentadas abaixo para comparação. A indústria possui cargas não lineares alimentadas pela concessionária a partir de uma subestação próxima, e essas cargas não lineares consomem correntes harmônicas com forma de onda distorcida. A simulação foi realizada com os valores projetados dos filtros harmônicos, com uma tensão nominal de linha de 400 V, frequência de operação de 50 Hz, potência reativa nominal de 50 kVAr, fator de qualidade de 7 e frequência de sintonia definida em 5 Hz.^oe 7^oharmônicos.

As formas de onda de tensão e corrente antes da aplicação dos filtros harmônicos são mostradas na figura 3.

A indústria possui cargas não lineares alimentadas pela concessionária de energia, e essas cargas geram uma forma de onda de tensão e corrente harmônica distorcida, conforme mostrado na Figura 3. A análise da Transformada Rápida de Fourier (FFT), apresentada na Figura 4, indica um valor de THD de 18,33%, acima do limite aceitável pela norma IEEE de 5% para este estudo. Portanto, para reduzir a distorção harmônica, filtros harmônicos de sintonia simples, dupla, passa-alta e tipo C foram projetados e instalados em locais apropriados no sistema de energia industrial. Consequentemente, a distorção harmônica foi reduzida e seu desempenho foi comparado.

Filtro harmônico sintonizado único

Filtro passa-alta de harmônicos

Filtro harmônico de dupla sintonia

Filtro harmônico tipo C

Conclusão

Neste artigo, é realizado um estudo comparativo do desempenho de filtros harmônicos em um sistema de energia industrial para redução da distorção harmônica. A distorção harmônica gerada pelas cargas não lineares da indústria apresenta um valor de THD de 18,33%. Com a aplicação de um filtro harmônico sintonizado simples, o THD é reduzido para 5,08%. Já a aplicação de um filtro harmônico passa-alta resulta em um THD de 5,09%. Um filtro harmônico sintonizado duplo proporciona um valor de THD de 4,00%. Finalmente, utilizando filtros harmônicos do tipo C, obtém-se um valor de THD de 4,68%. Como resultado, a partir dos resultados da simulação e da análise FFT, observou-se que o filtro harmônico de dupla sintonia apresenta melhor desempenho do que os filtros harmônicos de sintonia única, passa-alta e tipo C na redução das distorções harmônicas para a magnitude aceitável definida pelas normas IEEE, ou seja, menos de 5% para este estudo. Recomenda-se, portanto, que a indústria utilize o filtro harmônico de dupla sintonia no secundário do transformador para eliminar o aquecimento adicional, os disparos falsos e o mau funcionamento do equipamento devido às harmônicas, que causam perdas de produção para a indústria.

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REFERÊNCIAS

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[28] CRCP Llc,Qualidade de energia © 2002.2002.

Autores:Professor Estifanos Dagnew Mitiku, Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, Instituto de Tecnologia, Universidade de Gondar, Gondar, Etiópia, E-mail: est7eced@gmail.com; Professor Gebrie Teshome Aduye, Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, Instituto de Tecnologia, Universidade de Gondar, Gondar, Etiópia, E-mail: gebrie.415@gmail.com; Professor Associado Dr. Abdul Rahman, Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, Instituto de Tecnologia, Universidade de Gondar, Gondar, Etiópia, E-mail: msajce.abdulrahman@gmail.com; Professora Mahilet Mentesinot Abuhay, Departamento de Engenharia Industrial, Instituto de Tecnologia, Universidade de Gondar, Etiópia, E-mail: mahiletme@gmail.com.

Identificador do item de origem e editora: REVISTA DE ENGENHARIA ELÉTRICA, ISSN 0033-2097, ANO 98 Nº 3/2022. doi:10.15199/48.2022.03.12