curso de pós-graduação em engenharia elétrica
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Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Qualidade da EnergiaEwaldo Luiz de Mattos MehlUniversidade Federal do ParanáDepartamento de Engenharia ElétricaCentro Politécnico, Curitiba, ParanáE-mail: mehl@eletrica.ufpr.br
Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Vista noturna da Terra a partir de imagens de satélite
Qualidade da Energia
• Situação até 1970:Cargas Resistivas ou Resistivas-Indutivas
• Situação AtualPresença crescente de cargas eletrônicas
Qualidade da Energia
• Continuidade de Fornecimento
• Nível de Tensão
• Oscilação da TensãoImpulsosTransitóriosDesequilíbrio de FasesDistorção da Oscilação Senoidal
Qualidade da Energia
• Cintilação ou Flicker
Curva deSensibilidade
do Olho Humano
Variação deTensão de um Forno a Arco
Qualidade da Energia
• Desequilíbrio de Tensão ou Voltage Imbalance– Assimetria da Rede– Tipo de Carga
Perdas nos motores de indução por desequilíbrio
de tensão.
Qualidade da Energia
• Elevação de Tensão
> 2s Sobretensão ou Overvoltage
< 2s Voltage Swell
s / ms Surtos ou Spikes
Qualidade da Energia
• Afundamento (redução) de Tensão
> 2s Subtensão ou Undervoltage
< 2s Voltage Sag
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: Interrupções
i = número de interrupções, de 1 a nT(i) = tempo de duração de cada interrupção do conjunto de consumidores considerados, em horasCa(i) = número de consumidores do conjunto considerado, atingido nas interrupçõesCs = número total de consumidores do conjunto considerado
Duração de Interrupção por Unidade Consumidora (horas)
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: Interrupções
i = número de interrupções, de 1 a nCa(i) = número de consumidores do conjunto considerado, atingido nas interrupçõesCs = número total de consumidores do conjunto considerado
Freqüência de Interrupção por Unidade Consumidora (número)
Período DECApurado Máximo Permitido FEC
Apurado Máximo Permitido
Janeiro 1,53 5,40 1,40 6,02Fevereiro 1,30 5,40 1,20 6,02Março 1,35 5,40 1,18 6,02Abril 0,96 5,40 1,00 6,02Maio 0,79 5,40 0,74 6,02Junho 0,76 5,40 0,70 6,02Julho 0,87 5,40 0,84 6,02Agosto 0,81 5,40 0,82 6,02
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: Médias da COPEL/2001
Qualidade da Energia
• Obtenção dos Índices de Qualidade
SISTEMA ARGOS(Sistema de Monitoração de Interrupção do Fornecimento de Energia Elétrica) Tecnologia LACTEC www.lactec.org.br
ANEELwww.aneel.gov.brargos.aneel.gov.br
Normas e Regulamentações
•Brasil: GCOI-ELETROBRÁS:Fator de Potência > 0,92Harmônicos: Cargas Especiais (?)
Cargas Lineares:
Cargas Não-lineares:
cosfp
cosfp
rmsrms
rmsrms
IVIV
SP
21
1)1(
)(1
)cos(fp
cosfp
TDH
IVIV
SP
rmsrms
rmsrms
Guide Recomended Practice Standard
Limites das Componentes Harmônicas: na Corrente de Entrada dos Consumidores.Limites: em porcentagem da fundamental.Isc = corrente de curto-circuitoIL = média das correntes de demanda máxima (12 meses)TDD = Taxa de Distorção Harmônica, em porcentagem da máxima corrente de demanda da instalação
Isc/IL n<11 11 n <17 17 n <23 23 n <35 35 n TDD<20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0
20 a 50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,050 a 100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0100-1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0
>1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0
•USA: IEEE Standard 519 (1992):Limites de Distorção e Harmônicos no Ponto de Acoplamento Comum Consumidor/Rede
Normas e Regulamentações
IEC 61000-3•IEC 61000-3-2: Harmônicos de Corrente•IEC 61000-3-3: Flutuações e flicker 16A•IEC 61000-3-4: Flutuações e flicker > 16A
EN50006 IEC555 IEC555-2 IEC555-4(CENELEC)
Normas e Regulamentações
•IEC (International Electrotechnical Commission):
IEC 61000-3
- Valores-limitespara as componentes harmônicas da corrente de entrada.
- Limites relativos (mA/W) e absolutos (A).
- Equipamentos alimentados em 230 V.
Exemplo:IEC555-2 (1990)
200W a 300W >300W
EN50006 IEC555 IEC555-2 IEC555-4(CENELEC)
IEC 61000-3
Normas e Regulamentações
(Tensão Senoidal) x (Corrente Não-Senoidal)
va
ia
ia1
1
1cosFD •Fator de Deslocamento
•TDH 100FFF100F
F%TDH
1ef
21ef
2ef
21
2n
2n
VASWPfp 21
ef
1ef
TDH1FDcosI
Ifp
•Fator de Potência
Problemas Causados pela Presença de Harmônicos
Problemas diretos - Perdas de potência no alimentador e transformadores- Distorção de tensão- Baixo aproveitamento dos circuitos de alimentação- Limitação de geração de potência- Amplificação harmônica- Erros em medições- Interferências em sistemas de comunicação e controle
Problemas indiretos (conseqüências)- Circulação de correntes harmônicas- Perturbação em estruturas de controle
Retificador Monofásico
I1n
i1
v1
10 50 100 1000 Hz
i1
v1~
Cf V
CARGA
•Simples•Amplamente Utilizado•fp < 0,7
Exemplo:Potência Aparente: 1,5 kVAPotência Ativa: 1050 W
Retificador Monofásico
Alternativas:•Filtros Passivos:
•Redução do conteúdo harmônico•Fator de Potência < 0,9•Peso e Volume elevados
•Métodos Ativos: Pré-Reguladores de Fator de Potência•Conversor CC-CC na entrada•Fator de Potência = 1
CARGA
CONVERSORCC-CC
Ioioi1r
i1
C o v o
Retificador Trifásico
D1 D3 D5
D2 D4 D6
va
vb
vc
ia
ib
ic
IL Vo
0,000,200,400,600,801,001,20
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
•FP teórico: 0,955•FP real < 0,85•THD > 30%•Não há geração de 3a Harmônica
Retificador Trifásico
Alternativas:•Filtros Passivos:
•Filtros passivos sintonizados nas freqüências das harmônicas •Redução do conteúdo harmônico•Peso e Volume elevados•Risco de Amplificação Harmônica
•Métodos Ativos:
•Interruptores de Alta Freqüência•Dissipação elevada Reduz a eficiência•Fator de Potência = 0,99
•Interruptores de Baixa Freqüência•Simplicidade de Comando•Fator de Potência = 0,99
Tensão
Corrente
Vi = 220 VP = 9,6 kWLa = Lb = Lc = 1,9 mH
TDH = 20,75%1 = 22,62°FP = 0,904“FP” = 0,915
Retificador Trifásico com Filtro Indutivo
Lt
Rede 3
va
vb
vc id=IL
iaF ia
iFRet. 3tiristorizado
Rh
LhL7
5
L5
ChC7C5
Vt
•Filtros passivos sintonizados nas freqüências das harmônicas•Redução do conteúdo harmônico•Peso e Volume elevados•Risco de Amplificação Harmônica
Retificador Trifásico com Filtros Passivos
• Várias Possibilidades de Implementação: Cuk, SEPIC, etc.• 5.a harmônica• Corrente de Alta Freqüência: Indutores e Diodos• Filtros Adicionais para Alta Freqüência • Dissipação elevada reduz a eficiência• Fator de Potência = 0,99
Retificador Trifásico com Interruptor PWM
Proposta de um Novo Retificador Trifásico com Interruptores de Baixa Freqüência
Sa, Sb, Sc: Interruptores BidirecionaisLa, Lb, Lc: Indutores D1 . . . D6: Diodos RetificadoresCa, Cb: Capacitores EletrolíticosDa . . .Dd: Diodos Retificadores M: MOSFET
va(t) vc(t) vb(t)t
tia(t) D1 D4
tic(t)D3D6 D6
D1
tib(t)D5 D2D2
Origem da Proposta: Retificador Trifásico com Indutores na Entrada
Características do Novo Circuito
Não há ligação com o Neutro
Indutores na Entrada: Robustez
Interruptores comandados em baixa freqüência
Baixo Custo Elevado Fator de Potência
Construção doProtótipo
AlimentaçãoAlimentaçãoVVi(f-f)i(f-f)= 220V, 60 Hz= 220V, 60 Hz
IndutoresIndutoresLLaa=L=Lbb=L=Lcc=4.25 mH=4.25 mH
Potência de SaídaPotência de Saída7.3 kW7.3 kW
Resultados Experimentais
Escalas: Tensão = 50 V/div; Corrente = 10 A/div; Tempo = 5ms/div
Tensão Fase-Neutro Corrente de EntradaVo = 291.5 VPo = 7.35 kW
• TDH=6,6%• Fator de Potência = 0,9964• Conformidade com IEC555-2• Conformidade com IEC555-4• IEEE519: Conformidade para Isc/IL > 20Patente:• PI 9503678-4 - INPI (Brasil)
Resultados Experimentais
ConclusõesConclusões
•Equipamentos Eletrônicos: crescente presença nos Sistemas Elétricos•Interferências e Harmônicos: Prejudiciais à Qualidade da Energia Elétrica•Brasil: Falta de Regulamentação Específica sobre Harmônicos e Fator de Potência•Normas: IEC e IEEE•Alternativas: Existem e tem Bons Resultados
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