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Type: Dissertação de Mestrado
Title: Correção do fator de potência de cargas industriais com dinâmica rápida
Authors: Marcos Cesar Isoni Silva
First Advisor: Braz de Jesus Cardoso Filho
Abstract: Em alguns ramos de atividade do segmento industrial, bem como em edificações / complexos comerciais de médio e grande portes, contingentes significativos de equipamentos elétricos apresentam, como uma de suas principais características, uma rápida dinâmica operacional, alternando repetitivamente, e em curtos intervalos de tempo, estados de operação em vazio (ou em regime stand-by) e súbitas solicitações para funcionamento sob carga elevada ou cargaplena. Esses tipos carga apresentam, via de regra, um fator de potência médio operacional relativamente baixo, fundamentalmente por consumirem elevados níveis de energia reativa (se comparados com os níveis de energia ativa) nos rápidos intervalos de transição entre osestados em vazio ou em baixa carga (ou ainda em regime stand-by) e em operação plena. Vários deles, como é o caso dos sistemas de soldagem (ponteadeiras), geralmente apresentam baixo fp mesmo ao atingirem suas potências plenas. É importante salientar que, dependendo das condições operacionais de uma planta industrial ou de uma grande edificação, grupos de carga que apresentem o binômio baixo fp e dinâmica rápida (o que aqui significa a súbita e repetitiva alteração dos níveis de potência ativa e reativa demandados da rede) podem ser determinantes no fator de potência global da instalação como um todo, posto que os atuais sistemas eletrônicos de medição das concessionárias de energia são capazes de registrar osconsumos de energia ativa e reativa a partir das grandezas elétricas Tensão e Corrente medidas em intervalos de tempo relativamente curtos. Portanto, o trabalho aqui apresentado foi motivado pela necessidade de se avaliar mais pormenorizadamente a aplicação de sistemas de correção do fator de potência quando da presença de tais tipos de carga. O principal objetivo consiste na abordagem da tecnologia de correção dinâmica do fp com base em acionamentos de capacitores estáticos por meio de dispositivos tiristorizados, geralmente capazes de comutar bancos capacitivos e ajustar dinamicamente as necessidades de energia reativa em tempos extremamente curtos (tipicamente em até 1,5 ciclo da tensão da rede elétrica), desempenhando importante papel na garantia de compensação das cargas industriais com ciclos de operação da ordem de centenas de milisegundos. Além disso, pretendeu-se estender as análises e avaliar, preliminarmente e em nível conceitual, uma configuração com nível de implementação técnica mais avançado, adotando-se uma solução integrada contemplando, além de módulos dotados de tiristores, um sistema adicional operando paraajuste fino na correção do fp. Essa configuração mais implementada, baseada na concepção genérica de um STATCOM (potencialmente aplicável em baixa tensão), pode ser avaliada objetivando-se a compensação contínua e precisa sem degraus fixos, sendo útil, por exemplo, na correção do fp nos períodos em que ocorrem rápidos picos oscilatórios na potência reativa requerida pelas cargas. É oportuno enfatizar desde já, como será visto ao longo desta Dissertação, que os sistemas convencionais existentes e largamente empregados, geralmente baseados em contatores e controladores automáticos do fp com estágios de controle comutados a relés, não são, via de regra, capazes de compensar plenamente as cargas com dinâmica rápida, simplesmente por não apresentarem resposta suficientemente adequada a esse propósito. Salienta-se que, para uma atuação segura e eficaz, os sistemas de correção do fp devem ser suficientemente rápidos para compensar a necessidade de reativos considerandoseo limite de sensibilidade dos sistemas eletrônicos de medição das concessionárias de energia. Essa sensibilidade é refletida pelo tempo entre amostragens sucessivas de corrente e tensão, bem como pelo tempo efetivos de medição (janela de medição), a partir do qual sãocalculadas as grandezas eficazes (tensão e corrente rms). Essas, em última análise, serão a base para a determinação das potências (demandas) ativa e reativa, dos consumos cumulativosdas energias ativa e reativa e, consequentemente, do fator de potência operacional em um dado intervalo de tempo.
Abstract: In some activity branches of industrial segment, as well in medium and large buildings and commercial facilities, expressive contingents of electrical equipments presents, as one of their main characteristics, fast operational dynamics, alternating, and in short time intervals, repetitive cycles of no-load operation (or stand-by state) and sudden demands requesting for full-load operation. These kinds of loads present, as a rule of thumb, a relatively poor average operational power factor, what can be atributted to their high reactive energy consumption level (if compared totheir active energy consumption) on short transition intervals between no-load (or light-load or, still, stand-by state) and full-load operation. Lots of them, as in case of spot welding machines, generally operate with a low power factor, even under full-load. It is important to point out that, depending on the operational conditions of an industrial plant or a largebuilding, groups of loads that present the binomial low power factor and fast dynamics (meaning fast and cyclic changes in active and reactive power levels demanded from the supply grid) can define the global consequent power factor, considering that the modern electronic power meters are capable to registrate active and reactive consumption based on measurements of the electrical parameters Voltage and Current on relatively short time intervals. Therefore, this Dissertation was motivated by the necessity of evaluating, in details, the application of power factor correction systems to compensate these kind of loads. The main target comprises on the approach of PF dynamics correction technology, performed by tyristor-based power modules, generally capable to switch capacitors banks and dinamically adjust the load reactive energy requirements on extremely short time intervals (up to 1,5 cycleof the Voltage grid, typically), carrying out the reactive compensation for industrial loads whose operational cycles are developed on hundreds of miliseconds. Furthermore, the analysis were extended, preliminarily and on a conceptual level, to an improved configuration, adopting an integrated solution considering tyristors power modules in association with an additional system operating for fine adjustments in PF correction. This complementary configuration, enhanced with a generic conception of a STATCOM (potentially applicable in low Voltage grids), can be evaluated for a continuous and precise compensation withoutfixed steps, being useful, for example, in momments when dynamic PF correction becomes necessary in front of fast reactive oscillatory peaks. By now, it is opportune to enphasize, as will be seen along this Dissertation, that the existing conventional systems, very widespread inpractice and generally based on contactors and PF controllers with relays outputs, are not capable to fully compensate fast dynamic loads, because of their insufficient response time for this application. For an assured and effective performance, PF control systems must be fast enough to compensate the reactive demands considering the sensitivity limits presented by eletronic power meters. This sensitivity is reflected by the time between Voltage and current successive sampling as well by the effective measurement time (measurement window) that, at last, defines the calculation of rms electrical parameters (Voltage and current). These will be the base to determine active and reactive power demand, cumulative active and reactive energy consumptions and, consequently, the operational power factor on a time interval.
Subject: Engenharia elétrica
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUOS-8D7HDF
Issue Date: 20-Nov-2009
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