qualidade de energia

Ricardo Alves Gonzaga

UFPR - Eng. Elétrica

Medidas Elétricas

Qualidade de EnergiaQualidade de Energia

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

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

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

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”

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.

100V

V%GD

1

2

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.

100V

V%GD

médio

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

100I

IIHD

1

h

Distorção Harmônica Total

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

1

25

24

23

22

I

IIIIDHT

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.

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.

Capacitores

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

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

“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.

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.

Limites de distorção de tensão

Distorçãoindividual

THD

69 kV e abaixo 3% 5%

69 kV até161kV

1,5% 2,5%

Acima de161kV

1% 1,5%

Electrical Power Systems Quality

Dos autores:

Roger C. Dugan

Mark F. McGranaghan

H. Wayne Beaty

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