a influência do fluxo de reativo de cargas eletrônicas ... · também no faturamento do excedente...

Anais do V Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos, Foz do Iguaçu – PR, Brasil. 22-25/04/2014 ISSN 2177-6164

1

Resumo -- O presente artigo analisa o uso de um conjunto de

cargas eletrônicas, especificamente lâmpadas fluorescentes

compactas e tubulares com reatores eletrônicos, como forma de

compensar o excesso de reativo de uma carga indutiva, bem como

seu possível impacto nas regras vigentes de tarifação. Nas

medições em laboratório utilizando lâmpadas fluorescentes

compactas observou-se um fluxo de carga reativo capacitivo para

a fonte. Quando adicionado em paralelo a um banco de

indutores, o fator de potência foi compensado pelo reativo das

lâmpadas. Em medições realizadas em campo em um barramento

composto por lâmpadas fluorescentes tubulares com reatores

eletrônicos, também foi encontrado fluxo de reativo capacitivo

em direção à fonte. Utilizando o software ATP Draw foram

modelados um conjunto de lâmpadas fluorescentes compactas

que confirmaram os resultados encontrados em laboratório. No

decorrer deste trabalho analisa-se se este fluxo reativo capacitivo

gerado pelas cargas eletrônicas pode ser vantajoso ou prejudicial

para o sistema de tarifação, em função da hora do dia em que

esta carga eletrônica é acionada.

Palavras Chaves -- Carga eletrônica, energia elétrica reativa,

demanda, fluxo de reativo, tarifação.

I. INTRODUÇÃO

qualidade da energia elétrica entregue pelas empresas

distribuidoras aos consumidores sempre foi objeto de

interesse. Porém, até algum tempo atrás, a qualidade de

energia elétrica tinha a ver, sobretudo, com a continuidade dos

serviços de distribuição, baseados na disponibilidade do

sistema e dos parâmetros da rede. Para tanto era necessário o

estudo de estado do sistema para definir meios de manter o

sistema operando com qualidade.

Porém, a crescente evolução da eletrônica proporcionou o

aumento do uso de equipamentos eletroeletrônicos,

introduzindo no sistema elétrico um grande número de cargas

eletrônicas, de forma que os estudos a serem realizados em um

sistema elétrico não podem mais desconsiderar a influência de

tais cargas e as suas consequências. Por exemplo, ao realizar

os estudos do fluxo de potência em um sistema, estes sempre

levaram ao uso de elementos lineares, banco de capacitores e

indutores, para a compensação de reativos e controle do nível

de tensão. Entretanto, analisando o comportamento de certas

cargas eletrônicas, observa-se um fluxo de reativo capacitivo

que pode se comportar como uma compensação interna do

sistema.

As compensações de reativos através das cargas eletrônicas

presentes no sistema impactariam no desempenho deste e

também no faturamento do excedente de energia elétrica

reativa, principalmente em sistemas predominantemente

indutivos. Como já é de conhecimento, grandes consumidores

são penalizados através da tarifação de energia reativa

excedente, caso, por exemplo, de indústrias que operam com

um significativo número de motores elétricos de indução com

fator de potência inferior ao estabelecido por norma. Nesse

sentido, o comportamento do fluxo de reativo das cargas

eletrônicas pode ajudar na compensação de reativo diminuindo

a quantidade de banco de capacitores a serem instalados.

Desta forma, este artigo tem como objetivo estudar o uso de

um conjunto de cargas eletrônicas, especificamente lâmpadas

fluorescentes compactas e tubulares, como forma de

compensar a demanda de reativo de uma carga indutiva.

Para este estudo foi utilizado em laboratório, um conjunto

de 30 lâmpadas fluorescentes compactas que foram ligadas em

estrela, a quatro fios, com 10 lâmpadas por fase. Esta carga foi

conectada em paralelo a um banco de 9 indutores também

associados em estrela a quatro fios com 3 indutores por fase.

Posteriormente, foram realizadas medições através do uso de

instrumentos analógicos, medidores de grandezas elétricas e

analisadores de energia, para analisar o comportamento do

fluxo da potência reativa das cargas eletrônicas antes e após a

conexão do banco de indutores lineares. Com o objetivo de

comparar os resultados obtidos em laboratório foi realizada a

implementação computacional do conjunto utilizado, por meio

do software ATP Draw, conduzindo-se também estudos tanto

da compensação reativa quanto da qualidade da energia.

II. CONSIDERAÇÕES REFERENTES À ENERGIA REATIVA

EXCEDENTE NOS SISTEMAS ELÉTRICO

A Resolução Normativa nº 414 [1], de 9 de Setembro de

2010, que estabelece as condições gerais de fornecimento de

Energia Elétrica de forma atualizada e consolidada, diz que

para os consumidores do grupo A, o fator de potência de

referência “fr”, indutivo ou capacitivo, tem como limite

mínimo permitido, o valor de 0,92.

“Aos montantes de energia elétrica e demanda de potência

reativa que excederem o limite permitido, aplicam-se as

cobranças estabelecidas nos arts. 96 e 97, a serem adicionadas

ao faturamento regular de unidades consumidoras do grupo A,

incluídas aquelas que optarem por faturamento com aplicação

da tarifa do grupo B nos termos do art. 100.”

A Influência do Fluxo de Reativo de Cargas

Eletrônicas no Sistema de Tarifação de Energia

Elétrica A. B. de Vasconcellos, Dr.,UFMT, B.C. Carvalho, Dr.,UFMT, T.I.R.C. Malheiros, PhD, IFMT, C.H.

Beuter, Esp., UFMT, R. V. Rocha, Eng., UFMT, R. C. F. Gregory, Acad., UFMT

A


2

“Art. 96. - Para unidade consumidora que possua

equipamento de medição apropriado, incluída aquela cujo

titular tenha celebrado o CUSD, os valores correspondentes à

energia elétrica e demanda de potência reativas excedentes são

apurados conforme as seguintes equações:”

∑ (

)

[

(

) ]

Sendo:

ERE: valor correspondente à energia elétrica reativa

excedente à quantidade permitida pelo fator de potência de

referência “fr”, no período de faturamento, em Reais (R$);

EEAMT: montante de energia elétrica ativa medida em cada

intervalo “T” de 1 (uma) hora, durante o período de

faturamento, em Megawatt-hora (MWh);

fr: fator de potência de referência igual a 0,92;

ft: fator de potência da unidade consumidora, calculado em

cada intervalo “T” de 1 (uma) hora, durante o período de

faturamento;

VRERE: valor de referência equivalente à tarifa de energia

"TE" aplicável ao subgrupo B1, em Reais por megawatt-hora

(R$/MWh);

DRE(p): valor, por posto tarifário “p”, correspondente à

demanda de potência reativa excedente à quantidade permitida

pelo fator de potência de referência “fr” no período de

faturamento, em Reais (R$);

PAMT: demanda de potência ativa medida no intervalo de

integralização de 1 (uma) hora “T”, durante o período de

faturamento, em quilowatt (kW);

PAF(p): demanda de potência ativa faturável, em cada

posto tarifário “p” no período de faturamento, em quilowatt

(kW);

VRDRE: valor de referência, em Reais por quilowatt

(R$/kW), equivalente às tarifas de demanda de potência - para

o posto tarifário fora de ponta - das tarifas de fornecimento

aplicáveis aos subgrupos do grupo A para a modalidade

tarifária horária azul e das TUSD-Consumidores-Livres,

conforme esteja em vigor o Contrato de Fornecimento ou o

CUSD, respectivamente;

MAX: função que identifica o valor máximo da equação,

dentro dos parênteses correspondentes, em cada posto tarifário

“p”;

T: indica intervalo de 1 (uma) hora, no período de

faturamento;

p: indica posto tarifário ponta ou fora de ponta para as

modalidades tarifárias horárias ou período de faturamento para

a modalidade tarifária convencional binômia;

n1: número de intervalos de integralização “T” do período

de faturamento para os postos tarifários ponta e fora de ponta;

n2: número de intervalos de integralização “T”, por posto

tarifário “p”, no período de faturamento.

Assim sendo, por mais que o valor a ser pago seja referente

ao Reativo Excedente, este é proporcional ao montante da

energia elétrica ativa medida no intervalo de tempo referente à

medição e a relação do fator de potência de referência com o

fator de potência da unidade consumidora.

Para a apuração dessas grandezas, há também um período

de 6 (seis) horas consecutivas (a critério da distribuidora) entre

23h 30min e 6h e 30min, no qual se considera apenas os

fatores de potência “ft” inferiores a 0,92 capacitivo,

verificados em cada intervalo de uma hora “T”. Ao período

diário complementar, se considera apenas os fatores de

potência inferiores a 0,92 indutivo, verificados no mesmo

tempo.

Sendo as cargas estudadas nesse trabalho de natureza

eletrônica e capacitivas, há então, uma influência direta na sua

utilização com a medição dos valores de reativo excedente

descrito na resolução normativa, pois estas, em tese, ao injetar

reativo capacitivo no barramento, contribuem para a alteração

no valor do fator de potência registrado a cada hora. Esta

situação levanta novas discussões no meio acadêmico sobre de

que maneira e quão relevante será essa influência, em função

do considerável acréscimo de cargas eletrônicas nos

barramentos residenciais, comerciais e industriais.

III. CONSIDERAÇÕES REFERENTES ÀS DISTORÇÕES

HARMÔNICAS NOS SISTEMAS ELÉTRICOS

Para a rede básica de energia, o Operador Nacional do

Sistema (ONS) estabelece desde 2002 parâmetros de

qualidade para a tensão suprida. Mas, do ponto de vista do

consumidor, as restrições a serem consideradas são (na

maioria) as do sistema de distribuição, as quais ainda estão em

discussão.

A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), no

documento “Procedimentos de distribuição de energia elétrica

no sistema elétrico nacional – Prodist módulo 8 – qualidade da

energia elétrica” [2], propõe valores de referência para a

distorção harmônica da tensão no sistema de distribuição, tal

como ilustrado na Tabela I. TABELA I

Valores de Referência de DTT

Tensão Nominal do

Barramento

Distorção Harmônica Total de

Tensão [%] Vn ≤ 1 kV 10

1 kV ≤ Vn ≤ 13,8 kV 8

13,8 kV ≤ Vn ≤ 69 kV 6

69 kV ≤ Vn ≤ 138 kV 3

As lâmpadas fluorescentes compactadas utilizadas na

experiência laboratorial apresentam características não

lineares, que resulta em formas de onda de correntes com

significativas distorções. Entretanto, para as tensões no

barramento de suprimento das cargas, não se observou

distorções harmônicas significativas, permanecendo dentro

dos limites recomendados pela resolução normativa

estabelecida pela ANEEL [3]. Contudo, nas medições

realizadas em campo, com lâmpadas fluorescentes tubulares

com reatores eletrônicos, tanto as tensões como as correntes

apresentaram características lineares. Logo,

independentemente da carga eletrônica ser linear, ou não

linear, o comportamento do fluxo da potência reativa

apresenta-se de forma análoga, ou seja, no sentido da carga

para a fonte, caracterizando fluxo de potência reativa

capacitiva.


3

IV. ANÁLISE DAS MEDIÇÕES EM LABORATÓRIO

Inicialmente foi montada em laboratório uma carga

eletrônica com característica não linear, constituída de

lâmpadas fluorescentes compactas (comumente encontradas

em instalações residenciais e industriais) ligadas em estrela a

quatro fios conforme ilustrado na figura 1.

Fig. 1. Conjunto de lâmpadas fluorescentes compactas.

Na sequência, utilizando-se instrumentos analógicos,

analisadores de grandezas elétricas e analisadores de qualidade

de energia, conforme a figura 2, foram monitoradas, a

potência ativa, reativa e formas de onda das tensões e

correntes envolvidas.

Fig. 2. Ligação dos medidores de grandezas elétricas e analisadores de

energia.

Analisando a forma de onda das correntes verificou-se

elevado nível de distorção harmônica, como mostra a figura 3.

Por meio do espectro da forma de onda da corrente da fase a,

ilustrada na figura 4, foi constatada a presença significativa de

harmônicas de sequência positiva, negativa e zero resultando

em uma distorção harmônica total de corrente em torno de

115%. Os resultados para as fases b e c não foram

apresentadas por terem as mesmas características da fase a.

Isto era esperado visto que as lâmpadas fluorescentes

compactas são cargas eletrônicas com características não

lineares [4] – [5].

Fig. 3. Forma de onda das correntes trifásicas solicitadas pelas lâmpadas

fluorescentes compactas do barramento.

Fig. 4. Espectro harmônico da corrente da fase a.

Além das formas de onda das correntes foram analisadas

também as formas de onda das tensões e os respectivos

espectros harmônicos, ao igual que para as correntes, somente

para a tensão da fase a conforme mostram as figuras 5 e 6.

Fig. 5. Forma de onda das tensões trifásicas do barramento que alimenta as

lâmpadas fluorescentes compactas.

Varímetros Analisador de energia

elétrica Fluke

Analisador de

energia elétrica

RMS

Medidor de grandezas

elétricas

Medidor de Energia


4

Fig. 6. Espectro harmônico da tensão da fase a.

A figura 5 permite observar que as formas de onda das

tensões apresentam-se próximas da forma senoidal,

corroborado por meio do espectro mostrado na figura 6, para a

fase a, onde encontra-se uma distorção harmônica total de

tensão em torno de 3,25%, encontrando-se, portanto, dentro

dos valores de referência para o nível de tensão do

barramento, conforme módulo 8 do Prodist.

Quanto às medições das potências ativa e reativa, observou-

se deflexão contraria dos ponteiros dos varímetros analógicos,

indicando que o fluxo de potência reativa ocorria no sentido

da carga para a fonte, portanto, sendo necessário inverter a

polaridade das bobinas de tensão dos varímetros [6].

Alterada a ligação do instrumento, a deflexão do ponteiro

se deu no sentido da escala, indicando um fluxo de potência

reativa de 120 VAr, por fase, resultando em uma potência

reativa capacitiva trifásica de 360 VAr. Nos analisadores de

grandezas elétricas, e no medidor de qualidade de energia, foi

medido o mesmo fluxo de potência reativa capacitiva, porém

com valor de 310 VAr por fase, totalizando uma potência

reativa trifásica de 930 VAr. Esta diferença tem relação com o

fato de que o medidor analógico registra a parcela de potência

reativa referente à frequência fundamental enquanto os outros

analisadores medem a potência reativa referente às diversas

frequências do espectro das correntes, conforme ilustrado na

figura 4. Além da leitura das potências, foram feitas as leituras

dos fatores de deslocamento e de potência, onde se verificou

um fator de potência de 0,57 capacitivo e um fator de

deslocamento de 0,9 capacitivo.

Fig. 7. Conjunto de reatores conectados em paralelo com as lâmpadas

fluorescentes compactas.

Dando prosseguimento ao experimento, por meio de um

disjuntor foi conectado em paralelo ao conjunto de lâmpadas

fluorescentes um conjunto de indutores ligados em estrela a

quatro fios, conforme mostra a Fig. 7.

Após a conexão do banco de indutores verificou-se que o

fluxo de potência reativa entre a carga e a fonte sofreu

alteração. Analisando o varímetro analógico, verificou-se que

o fluxo reativo capacitivo entre a carga e a fonte,

anteriormente de 120 VAr por fase reduziu para 30 VAr por

fase, resultando em uma potência reativa trifásica de 90 VAr

(valor referente à fundamental). Enquanto que pelos

medidores eletrônicos foi verificado uma potência reativa

trifásica de 900 VAr e fator de potência 0,61 capacitivo. Esta

mudança de valores do fluxo de reativo capacitivo da carga

para fonte após a entrada do banco de indutores lineares está

associada ao fornecimento de reativo capacitivo gerado pelas

lâmpadas fluorescentes compactas para compensar a demanda

de reativo indutivo exigida pelo banco de indutores, cuja

medição constatou que estava em torno de 90 VAr por fase,

resultando em uma potência reativa indutiva total de 270 VAr.

Portanto, através desta experiência de laboratório foi

possível observar que um conjunto de lâmpadas fluorescentes

compactas, devido a seus componentes intrínsecos, gera uma

potência reativa capacitiva, fornecendo reativo que pode ser

usado para compensação de fator de potência de cargas

predominantemente indutivas. Esta constatação pode ser

observada pela diferença na potência reativa antes e após a

conexão das duas cargas em paralelo, conforme ilustrado na

figura 8 para a potência reativa capacitiva fundamental

registrada pelo varímetro analógico.

Fig. 8. Variação do fluxo de potência reativa, entre carga e fonte, registrado

pelo varímetro analógico.

V. SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL

A fim de comparar com os resultados obtidos em

laboratório, foi realizada simulação computacional utilizando

o software ATP Draw no qual foram inseridos os modelos de

cada componente elétrico e eletrônico utilizados nos ensaios

experimentais.

Para a modelagem do indutor foi calculado o valor da

indutância através dos dados obtidos em medições realizadas

com os analisadores de grandezas elétricas da potência reativa

e da tensão sobre o indutor. Sendo a Indutância calculada pela

expressão 3:

Sendo:


5

Q: Potência Reativa monofásica medida pelo varímetro;

V: Tensão fase-neutro medida pelo voltímetro.

Assim como na montagem experimental os indutores na

conexão estrela a quatro fios foram inseridos por chaves em

paralelo com o conjunto de lâmpadas fluorescentes como

mostra a Fig. 9.

Fig. 9. Modelagem dos indutores no software ATP DRaw.

A modelagem da lâmpada fluorescente compacta no ATP

Draw com todos seus componentes elétricos e eletrônicos está

ilustrada na Fig. 10.

Fig. 10. Modelagem da lâmpada fluorescente compacta no software ATP

Draw.

Os resultados obtidos na simulação permitiram constatar

uma boa concordância com aqueles obtidos em laboratório.

Para esta finalidade, foram analisadas as formas de onda das

correntes e tensões ilustradas nas Figs. 11 e 12 e o espectro da

corrente para fase a, quando apenas as lâmpadas estavam

ligadas como mostra a Fig. 13.

Fig. 11. Forma de onda das correntes trifásicas solicitadas pelas lâmpadas

fluorescentes compactas na simulação.

Fig. 12. Forma de onda das tensões trifásicas das lâmpadas fluorescentes

compactas obtidas na simulação.

Fig. 13. Espectro harmônico da corrente da fase a obtida na simulação

O comportamento e os valores do fluxo de potência reativa

gerado pelas lâmpadas fluorescentes compactas obtidos na

simulação também foram idênticos aos obtidos nos estudos

experimentais.

VI. MEDIÇÃO EM CAMPO

A fim de verificar se o comportamento do fluxo de

potência reativa gerado pelas cargas eletrônicas lineares ou

não lineares obtidos em laboratório e na simulação

computacional também se apresenta com as mesmas

características em uma unidade consumidora, foi realizada

medição em um grande Home Center em Cuiabá, Mato

Grosso, onde foram feitas medições preliminares no

barramento do quadro geral de distribuição em um conjunto de

150 (cento e cinquenta) luminárias com 2 (duas) lâmpadas

fluorescentes tubulares cada, utilizando reatores eletrônicos

(2x110W cada calha) conforme mostra a Fig. 14.

Ao contrário dos resultados obtidos para as correntes

produzidas para lâmpadas fluorescentes compactas em

laboratório e nas simulações computacionais ilustrados nas

Figs. 3 e 11 com características fortemente não lineares, as

correntes obtidas no barramento do Home Center foram

praticamente lineares, isto é, muito próxima de uma senóide.


6

Esta diferença deve-se à instalação de filtros para harmônicos

[7].

Analisando a fig. 15 pode observar que a demanda de

potência ativa trifásica solicitada pelo conjunto de luminárias

com reatores eletrônicos do barramento atinge o valor médio

de 24 kW e pode-se observar também uma injeção de

demanda reativa capacitiva média trifásica de 5,4 kVAr no

barramento que alimenta estas cargas da Unidade

Consumidora.

Por meio dos resultados obtidos em laboratório, simulação

computacional e campanha de medições em campo, pode-se

analisar a influência das cargas eletrônicas, tanto lineares

como não lineares, no sistema de tarifação das unidades

consumidoras do Grupo A, que estão sujeitas ao pagamento do

excedente de energia reativa e de demanda reativa excedente

conforme mostram as equações 1 e 2. Como a concessionária

de energia elétrica monitora o reativo indutivo solicitado pelas

unidades consumidoras no período de 18 (dezoito) horas do

dia, estas cargas eletrônicas podem trazer benefício para o

sistema de tarifação, pois com a injeção do reativo capacitivo

no barramento podem melhorar o fator de potência horário da

unidade consumidora ou diminuir o valor do excedente de

energia reativa na sua fatura de energia elétrica. Por outro

lado, durante as 6 (seis) horas restantes no período noturno,

normalmente entre meia noite e às 6 horas da manhã, a

concessionária de energia monitora o reativo capacitivo e

estas cargas podem ser prejudiciais para sistema de tarifação,

podendo em tese aumentar o valor do excedente de energia

reativa na fatura de energia da unidade consumidora.

Figura 14: Conexão do analisador de energia elétrica Fluke no barramento de

energia de alimentação das lâmpadas fluorescentes tubulares.

Figura 15: Tela capturada do analisador de energia elétrica Fluke conectado no barramento de energia de alimentação indicando a característica de

potência reativa capacitiva injetada no sistema.

VII. CONCLUSÃO

No presente artigo foi analisada a influência das cargas

eletrônicas lineares e não lineares no sistema de tarifação das

unidades consumidoras do grupo A. Nos experimentos

laboratoriais e na simulação computacional foram utilizadas

lâmpadas fluorescentes compactas com fortes características

não lineares e pode-se observar um fluxo de reativo capacitivo

para o barramento de alimentação, tanto nos medidores

analógicos quanto nos analisadores de energia. Nas medições

realizadas em campo em um conjunto de lâmpadas

fluorescentes tubulares com reatores eletrônicos, os

analisadores de energia registraram a característica da carga

praticamente linear e pode-se também observar um fluxo de

potência reativa capacitiva para o barramento de alimentação

do conjunto de carga eletrônica. Portanto, independentemente

do comportamento da carga eletrônica estudada neste artigo

ser linear ou não linear, verificou-se uma injeção de potência

reativa no barramento, contribuindo para a alteração do fator

de potência da unidade consumidora e consequentemente

influenciando no calculo do excedente de energia reativa.

Considerando que atualmente as concessionárias de energia

elétrica têm feito grandes investimentos na eficiência elétrica

nos consumidores de baixa renda, aonde são substituídas

principalmente geladeiras convencionais por geladeiras selo

PROCEL e milhares lâmpadas incandescentes por lâmpadas

fluorescentes compactas, um estudo da influência destas

cargas não só nos consumidores do grupo A, mas também em

consumidores do grupo B se faz necessário, para analisar o

impacto da entrada destas cargas eletrônicas tanto no sistema

de tarifação como na possível melhoria do sistema elétrico da

concessionária com a injeção de reativos nos barramentos,

assim como a interferência das múltiplas frequências injetas

pelas cargas eletrônicas não lineares no barramento da

concessionária.

VIII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] ANEEL. Resolução Normativa nº414. 9 de setembro de 2010.

[2] ANEEL. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (Prodist), módulo 8.

[3] ANEEL. Resolução Normativa nº345. 16 de dezembro de 2008.

[4] IEEE Task Force, “The Effects of Power System Harmonics on Power System Equipment and Loads”, IEEE Trans. Power App. and Systems,

vol. 104, no. 9, Set. 1985, pp. 2555-2563.

[5] R. D. Henderson e P. J. Rose, “Harmonics: The Effects on Power Quality and Transformers,” IEEE Trans. Industry Applications, vol. 30,

1994, pp. 528-532.

[6] S. M. Filho. Fundamentos de Medidas Elétricas. 2ª ed. Editora Guanabara Dois. Rio de Janeiro. 1981.

[7] IEEE Standard 519-1992, “Recommended Practices and Requirements

for Harmonic Control in Electric Power Systems”, 1992.

a influência do fluxo de reativo de cargas eletrônicas ... · também no faturamento do excedente...

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