Qualidade de Energia Ricardo Alves Gonzaga UFPR - Eng. Elétrica Medidas Elétricas

Tópicos de discussão Introdução Variações e flutuações na tensão Desequilíbrios de tensão Harmônicas Efeito das harmônicas Limite para as harmônicas

O que é Qualidade de Energia ? É qualquer problema na tensão, na corrente ou desvio na freqüência que resulte em falha ou prejudique a operação dos equipamentos

Por que a Qualidade de Energia é importante ? Equipamentos Eletrônicos sensíveis Aumento das cargas não lineares Ressonância Outros

Distúrbios gerados pela concessionária A mudança de tap de transformadores gera transitórios A atuação de disjuntores gera transitórios A inserção de capacitores gera transitórios Etc

Distúrbios gerados pelo consumidor Conversores Eletrônicos Fornos a arco Desequilíbrio de cargas Partida de grandes motores Etc

Variações na tensão Transitórios Variações de curta duração Variações de longa duração Interrupções Distorções na forma de onda "Flicker” Variações na freqüência

Transitório Um repentino distúrbio devido a uma rápida mudança nas condições da tensão e/ou corrente Duração: 30 a 200 s

Transitório Causa: Impactos: Descarga Atmosférica Falha em transformadores Falha em pára-raios Danos em equipamentos do consumidor

Variação de Tensão de Curta Duração Afundamento de tensão Elevação de tensão

22/04/2017 Afundamento de Tensão Decréscimo entre 0,1 e 0,9 pu do valor eficaz da tensão na freqüência da rede, com duração de 0,5 ciclo até 1 min

Afundamento de Tensão Causas Impacto Falta local ou remota Partida de grandes motores Prejudica o funcionamento de equipamentos sensíveis

Elevação de Tensão Acréscimo entre 1.1 e 1.8 pu do valor eficaz da tensão na freqüência da rede, com duração de 0,5 ciclo até 1 min

Elevação de Tensão Causa Impactos Faltas fase - terra Sobretensão nos equipamentos Danos a supressores de sobretensão

Variação de Tensão de Longa Duração Sobretensão Subtensão

Sobretensão Acréscimo maior do que 110 % do valor eficaz da tensão na freqüência da rede, com duração superior a 1 min

Sobretensão Causas Impacto Introdução de banco de capacitores Desligamento de cargas pesadas Sistema de regulação de tensão Alteração de desempenho e/ou vida útil de certos equipamentos Causas Impacto

Subtensão Decréscimo abaixo de 90 % do valor eficaz da tensão na freqüência da rede, com duração superior a 1 min

Subtensão Causas Impacto Retirada de banco de capacitores Entrada de cargas pesadas Sistema de regulação de tensão Alteração de desempenho e/ou vida útil de certos equipamentos Causas Impacto

Interrupções Interrupção momentânea: de 0,5 até 3 segundos Interrupção temporária: de 3 a 60 segundos Interrupção de longa duração: acima de 1 minuto

Interrupções Causas Impacto Faltas temporárias (exemplo: galho) Descarga atmosférica Faltas permanentes Interrupção da operação com perda de produção e lucros cessantes

Distorção na Forma de Onda Harmônicas Onda deformada por comutação Onda com ruído superposto

Harmônicas São produzidas por cargas não lineares, tais como equipamentos de eletrônica de potência. Essas cargas geram correntes não senoidais mesmo sendo alimentadas com tensão senoidal.

Harmônicas Causa Impactos Cargas não lineares Operação prejudicada de equipamentos sensíveis Falhas em capacitores ou queima do fusível Interferência na comunicação telefônica

Onda deformada por comutação Distúrbio na forma de onda da tensão causada pela operação normal de chaves semicondutoras quando a corrente é comutada de uma fase para outra.

Onda deformada por comutação Causa Impacto Operação normal de retificadores Operação prejudicada de equipamentos sensíveis

Onda com ruído superposto É qualquer sinal elétrico não desejado com intervalo de freqüência menor do que 200 kHz superposto á corrente ou tensão do sistema.

Onda com ruído superposto Causas Impactos Fontes chaveadas Solda elétrica Prejudica o funcionamento de microcomputadores, controladores lógicos programáveis, etc

Flutuação de Tensão “Flicker” É causada por carga que varia rápida e continuamente a corrente solicitada, particularmente a sua componente reativa.

Flutuação de Tensão “Flicker” 22/04/2017 Flutuação de Tensão “Flicker” Causa Impactos Fornos a arco Variação do fluxo luminoso em lâmpadas, abalando o sistema nervoso devido ao desconforto visual Oscilação de potência e de torque em motores

Variação na Freqüência Desvio no valor nominal da freqüência fundamental do sistema elétrico.

Variação na Freqüência Causas Impacto Falta em ponto importante do sistema elétrico Desconexão de grandes blocos de carga Desconexão de uma grande fonte de geração Prejudica a operação de equipamentos

Desequilíbrio de Tensão É a condição na qual as fases apresentam diferentes valores de tensão tanto em módulo como em fase. A caracterização da presença de desequilíbrios pode ser feita através de diferentes métodos.

Método das componentes simétricas Neste método, o grau de desequilíbrio é definido pela relação entre os módulos da tensão de seqüência negativa e da tensão de seqüência positiva.

Método do máximo desvio da tensão média Neste método, o grau de desequilíbrio é definido como a relação entre o máximo desvio da tensão média e a tensão média.

Harmônicas São distorções na forma de onda da tensão e/ou corrente, caracterizadas por sinais senoidais com freqüências múltiplas e inteiras da freqüência fundamental.

Harmônicas

Harmônicas

Cargas não lineares São cargas que, embora sujeitas a uma tensão senoidal, solicitam da rede uma corrente não senoidal. Equipamentos que se utilizam da eletrônica de potência recortam a onda de corrente.

Distorção Harmônica Individual É a relação entre a amplitude da harmônica de ordem “h” e a correspondente grandeza (corrente ou tensão) fundamental

Distorção Harmônica Total É a relação entre o valor eficaz das componentes harmônicas e a correspondente grandeza (corrente ou tensão) fundamental

Fator de Deslocamento É o cosseno do ângulo de defasagem entre a onda fundamental de tensão e a onda fundamental de corrente. O cos só é igual ao F.P. no caso de ondas puramente senoidais.

Conceitos - Harmônicas As harmônicas de corrente exigem um sobredimensionamento da instalação elétrica e dos transformadores, além de aumentar as perdas (efeito pelicular).

Conceito A componente de 3a harmônica da corrente, em sistema trifásico com neutro, pode ser muito maior do que o normal.

Conceito As componentes harmônicas podem excitar ressonâncias no sistema de potência, levando a picos de tensão e de corrente, podendo danificar dispositivos conectados à linha.

Conceito As componentes harmônicas da corrente também contribuem para o aumento da corrente eficaz, de modo que elevam a potência aparente sem produzir potência ativa (supondo a tensão senoidal). Assim, uma correta medição do FP deve levar em conta a distorção da corrente, e não apenas a componente reativa (na freqüência fundamental).

Conceito Num caso genérico, tanto a componente fundamental quanto as harmônicas podem produzir potência ativa, desde que existam as mesmas componentes espectrais na tensão e na corrente, e que sua defasagem não seja 90 graus.

Efeito das Harmônicas Motores e Geradores Transformadores Cabos de Alimentação Capacitores Equipamentos Eletrônicos Aparelhos de medição Fusíveis Relés de proteção

Motores e Geradores Provoca o aumento do aquecimento devido ao aumento das perdas no ferro e no cobre. Afeta-se, assim, sua eficiência e o torque disponível. Além disso, tem-se um possível aumento do ruído audível, quando comparado com alimentação senoidal.

Motores e Geradores Algumas componentes harmônicas, ou pares de componentes (por exemplo, 5a e 7a, produzindo uma resultante de 6a harmônica) podem estimular oscilações mecânicas em sistemas turbina-gerador ou motor-carga, devido a uma potencial excitação de ressonâncias mecânicas.

Transformadores Também neste caso tem-se um aumento nas perdas. Harmônicos na tensão aumentam as perdas no ferro, enquanto harmônicos na corrente elevam as perdas no cobre. A elevação das perdas no cobre deve-se principalmente ao efeito pelicular, que implica numa redução da área efetivamente condutora à medida que se eleva a freqüência da corrente.

Transformadores O efeito das reatâncias de dispersão fica ampliado, uma vez que seu valor aumenta com a freqüência. Isso prejudica a regulação dos transformadores devido à maior queda de tensão.

Cabos de Alimentação Em razão do efeito pelicular, que restringe a seção condutora para componentes de freqüência elevada, também os cabos de alimentação têm um aumento de perdas e queda de tensão devido às harmônicas de corrente.

22/04/2017 Cabos de Alimentação Tem-se, também, o chamado "efeito de proximidade", o qual relaciona um aumento na impedância do condutor em função do efeito dos campos magnéticos produzidos pelos demais condutores colocados nas adjacências.

22/04/2017 Capacitores O maior problema é a possibilidade de ocorrência de ressonâncias (excitadas pelas harmônicas), podendo produzir níveis excessivos de corrente e/ou de tensão.

22/04/2017 Capacitores As correntes de alta freqüência, que encontrarão um caminho de menor impedância pelos capacitores, elevarão as suas perdas ôhmicas. O decorrente aumento no aquecimento do dispositivo encurta a vida útil do capacitor.

Equipamentos Eletrônicos Alguns equipamentos são muito sensíveis a distorções na forma de onda de tensão. Por exemplo, se um aparelho utiliza os cruzamento com o zero para realizar alguma ação, distorções na forma de onda podem alterar, ou mesmo inviabilizar, seu funcionamento.

Equipamentos Eletrônicos Caso as harmônicas penetrem na alimentação do equipamento por meio de acoplamentos indutivos e capacitivos (que se tornam mais efetivos com a aumento da freqüência), eles podem também alterar o bom funcionamento do aparelho.

Aparelhos de Medição Os instrumentos eletrônicos de medição são capazes de efetuar leituras baseados nos valores eficazes verdadeiros, independentemente das formas de onda envolvidas, porém tais instrumentos são de custo superior aos convencionais.

Aparelhos de Medição Os transformadores de potencial e de corrente ( TP’s e TC’s ) utilizados para medição não são afetados nas condições de conteúdo harmônico normalmente encontrados em sistemas elétricos.

Aparelhos de Medição Dispositivos com discos de indução, como os medidores de energia, são sensíveis a componentes harmônicas, podendo apresentar erros positivos ou negativos, dependendo do tipo de medidor e da harmônica presente. Em geral a distorção deve ser elevada (>20%) para produzir erro significativo.

Fusíveis É preciso empregar um redutor em relação ao seu valor nominal de corrente. Não existem ainda padrões referentes a níveis de harmônicas que tais dispositivos devam suportar ou ter capacidade de interromper o fluxo.

Relés de proteção Os relés, geralmente, apresentam tendência de atuar de modo mais lento e com valores de atuação mais elevado, na presença de distorção harmônica. No entanto, o inverso também acontece.

Relés de proteção Na maior parte dos casos em que o THD mantém-se na faixa de 5 %, as mudanças na operação dos relés são pequenas. Relés de sobretensão e de sobrecorrente de fabricantes diferentes apresentam comportamentos também diferentes na presença de distorção harmônica.

Documentos Brasileiros 22/04/2017 Documentos Brasileiros “Critérios e procedimentos para o atendimento a consumidores com cargas especiais”. Publicado em fevereiro de 1993. “Procedimentos de medição para aferição da qualidade da onda de tensão quanto ao aspecto de conformidade”. Publicado em novembro de 1997. Recomendações GCOI / GCPS Grupo coordenador para operação interligada Grupo coordenador de planejamento dos sistemas Estas diretrizes dizem respeito à avaliação e o controle das perturbações causadas por cargas não lineares, intermitentes ou desequilibradas.

22/04/2017 Recomendação IEEE Os limites estabelecidos referem-se aos valores medidos no Ponto de Acoplamento Comum (PAC). A filosofia é que não interessa ao sistema o que ocorre dentro de uma instalação, mas sim o que ela reflete para o exterior. Recomendação IEEE para práticas e requisitos para controle de harmônicas no sistema elétrico de potência: IEEE-519 Esta recomendação (não é uma norma) produzida pelo IEEE descreve os principais fenômenos causadores de distorção harmônica, indica métodos de medição e limites de distorção. Seu enfoque é diverso daquele da IEC, uma vez que os limites estabelecidos referem-se aos valores medidos no Ponto de Acoplamento Comum (PAC), e não em cada equipamento individual. A filosofia é que não interessa ao sistema o que ocorre dentro de uma instalação, mas sim o que ela reflete para o exterior, ou seja, para os outros consumidores conectados à mesma alimentação.

Limites de distorção de tensão

Bibliografia Recomendada Electrical Power Systems Quality Dos autores: Roger C. Dugan Mark F. McGranaghan H. Wayne Beaty