cargas nÃo lineares no contexto da eficiÊncia e...

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO

FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM

ENGENHARIA DE EDIFICAÇÕES E AMBIENTAL

RODOLFO QUADROS

CARGAS NÃO LINEARES NO CONTEXTO DA EFICIÊNCIA E QUALIDADE

ELÉTRICA: PROPOSTA DE UM PROTÓTIPO

CUIABÁ-MT

2016

RODOLFO QUADROS

CARGAS NÃO LINEARES NO CONTEXTO DA EFICIÊNCIA E QUALIDADE

ELÉTRICA: PROPOSTA DE UM PROTÓTIPO

Dissertação apresentada junto ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Edificações e Ambiental da Universidade Federal de Mato Grosso, como requisito para obtenção do título de Mestre em Engenharia de Edificações e Ambiental. Área de concentração: Tecnologia Ambiental Orientador: Prof. Dr. Bismarck Castillo Carvalho

CUIABÁ-MT

Dezembro, 2016

Dados Internacionais de Catalogação na Fonte.

Ficha catalográfica elaborada automaticamente de acordo com os dados fornecidos pelo(a) autor(a).

Permitida a reprodução parcial ou total, desde que citada a fonte.

Q1c Quadros, Rodolfo.Cargas não Lineares no Contexto da Eficiência e Qualidade

Elétrica: Proposta de um Protótipo / Rodolfo Quadros. -- 2016113 f. : il. ; 30 cm.

Orientador: Bismarck Castillo Carvalho.Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Mato Grosso,

Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia, Programa dePós-Graduação em Engenharia de Edificações e Ambiental, Cuiabá,2016.

Inclui bibliografia.

1. Dimmer Flex. 2. Carga não linear. 3. Chaveamentoeletrônico. 4. Medição de energia. I. Título.

III

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho primeiramente ao Altíssimo pela

vida e as graças que tem me dado. Aos meus pais, que

me apoiam e motivam na jornada da vida.

IV

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao Prof. Dr. Bismarck Castillo Carvalho, pela orientação, confiança,

ensinamento e apoio no desenvolvimento deste trabalho.

Aos professores do programa de pós-graduação em engenharia de edificações e

ambiental: Dr. Adnauer Tarquínio Daltro, Dr. Bismarck Castillo Carvalho, Dr. Douglas

Queiroz Brandão, Dra. Eliana Beatriz Nunes Rondon Lima, Dr. Ivan Julio Apolônio Callejas,

Dra. Luciane Cleonice Durante, Dr. José Manoel Henriques de Jesus e Dr. Roberto Apolônio

pelos ensinamentos e orientações. Em especial ao eterno professor Dr. Norman Barros Logsdon

pelo carisma e respeito na arte de ensinar o qual guardamos carinhosamente em nossas

memórias.

Aos Professores Msc. Roberto Perillo Barbosa da Silva, Dr. Fabricio Parra Santilio, Dr.

Evandro Aparecido Soares da Silva, Dr. Arnulfo Barroso de Vasconcellos, Dr. Luiz Carlos

Pereira da Silva pela amizade, apoio e cooperação no desenvolvimento do protótipo Dimmer

Flex.

Aos colegas de mestrado: Adriano Aparecido de Oliveira, Alceu Aparecido Cardoso,

Ana Cristina Kubo Almada, Auriele Mazzer Marques Silva, Daiane Romio Duarte, Débora

Aparecida Souza Guedes, Eslaine Hurtado Neves, Gilberto Mauro Coelho, Graziela Esteves

Magalhães, Nadia Cristine Freire Alves de Almeida, Shanny dos Santos Mota, Valéria Shirley

Orth de Jesus pela amizade e apoio nas horas difíceis e alegres que passamos juntos.

Aos técnicos e estagiários do Programa de Pós-Graduação Engenharia de Edificação e

Ambiental, pelo suporte prestado nas diversas atividades prestadas.

Aos professores, técnicos do departamento do curso de Engenharia Elétrica, da

Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia da Universidade Federal de Mato Grosso e

sobretudo ao chefe de departamento, prof. Msc. José Mateus Rondina pelo apoio e incentivo a

esta qualificação.

http://200.129.241.80/ppgeea/paginas/aluno.php?id=264















V

RESUMO

QUADROS, R. Cargas não lineares no contexto da eficiência e qualidade elétrica:

proposta de um protótipo. 2016. 113 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Edificações

e Ambiental) Universidade Federal de Mato Grosso. Cuiabá, 2016.

As cargas com características não lineares, notadamente as eletrônicas, vem crescendo de forma

sustentada no país, provocando uma mudança no perfil da carga visto pelo sistema elétrico,

bem como os efeitos decorrentes, os quais são motivos de preocupação também crescente da

comunidade científica. Para além dos aspectos de qualidade da energia elétrica outras questões

também são temas atuais tais como eficiência energética e faturamento da energia elétrica.

Nesse contexto, este trabalho apresenta estudos realizados com um dispositivo de chaveamento

eletrônico desenvolvido, intitulado de Dimmer Flex, que possibilita explorar os efeitos do

chaveamento eletrônico sobre uma carga linear resistiva. Por meio de estudos é possível analisar

de forma holística os impactos do chaveamento eletrônico sobre a medição e consequentemente

na tarifação da energia elétrica. Os estudos com o protótipo possibilitam o entendimento de

que, dependendo das características do chaveamento, pode-se “transformar” uma carga linear

resistiva, perante o sistema de medição, em uma carga com comportamento indutivo ou

capacitivo, portanto, absorvendo ou injetando potência reativa do sistema ao qual a carga esteja

conectada. Esta constatação, a priori, permite dizer que as cargas chaveadas eletronicamente

podem interferir na medição da energia elétrica e, em consequência, na fatura de energia, o que

reforça a necessidade de se avaliar, discutir e até rever os atuais métodos de medição e

faturamento deste insumo, evidentemente, para se obter resultados conclusivos é necessário

maior aprofundamento deste assunto.

Palavras-chave: Dimmer Flex. Carga não linear. Chaveamento eletrônico. Medição de energia.

VI

ABSTRACT

QUADROS, R. Non-linear loads in the context of efficiency and power quality: proposal for a

prototype. 2016. 113 f. Dissertation (Masters degree in Engineering from buildings and environmental)

of the Federal University of Mato Grosso. Cuiabá, 2016.

The loads with non-linear characteristics, especially electronic, has been growing steadily in

the country, causing a change in the electrical system because load profile and the effects, which

are of concern also increasing the scientific community. In addition to the quality aspects of

electricity other issues are also current issues such as energy efficiency and billing of electricity.

In this context, this work presents studies with an electronic switching device developed entitled

Dimmer Flex, which allows explore the effects of electronic switching of a resistive linear load.

Through studies can be analyzed holistically the impacts of the electronic switching on the

measurement and hence the pricing of electricity. Studies with the prototype enable the

understanding that, depending on the switching characteristics, can "become" a resistive linear

load, to the measuring system, a load with inductive or capacitive behavior, thus absorbing or

injecting reactive power system to which the load is connected. This finding, a priori, let’s say

that switching loads electronically can influence the measurement of electric energy and,

consequently, the energy bill, which reinforces the need to evaluate, discuss and to review the

current metering and billing methods this input, of course, to obtain conclusive results is most

necessary deepening of this subject.

Keywords: Dimmer Flex. Nonlinear load. Electronic switching. Power Measurement

VII

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Consumo de energia elétrica no Brasil (1970-2015) ............................................... 18

Figura 2 - Percentual da composição setorial do consumo de eletricidade no Brasil (1970-2015)

.................................................................................................................................................. 19

Figura 3 - Principais programas e leis de eficiência energética para setor elétrico vigentes no

país. ........................................................................................................................................... 20

Figura 4 - Consumo de energia elétrica no Brasil 1970-2015 .................................................. 20

Figura 5 - Limites de operação de componentes semicondutores de potência ......................... 26

Figura 6 - Circuito para disparo de tiristor -circuito 1 .............................................................. 27

Figura 7 - Circuito para disparo de chave -circuito 2 ............................................................... 28

Figura 8 - Circuito para disparo de tiristor -circuito 3 .............................................................. 29

Figura 9 - Circuito para disparo de tiristor -circuito 4- ............................................................ 29

Figura 10 - Circuito para disparo de tiristor -circuito 5- .......................................................... 30

Figura 11 - Decomposição da potência aparente proposta pelo IEEE 1459-2010 ................... 36

Figura 12 - Tela do programa PROTEUS 8.0 .......................................................................... 41

Figura 13 - Tela do programa ATPDraw 6.1 ........................................................................... 42

Figura 14 - Tela inicial do programa POWER LOG ................................................................ 43

Figura 15 - Tela inicial do programa ANAWIN ...................................................................... 44

Figura 16 - Fluxograma de interação nas etapas em que os programas são utilizados ............ 47

Figura 17 - Circuito implementado em placa de circuito impresso do Dimmer Flex .............. 48

Figura 18 - Protótipo do Dimmer Flex ..................................................................................... 49

Figura 19 - Arranjo de ligações para as medições .................................................................... 49

Figura 20 - Montagem laboratorial ........................................................................................... 50

Figura 21 - Circuito do Dimmer Flex separado em blocos ...................................................... 52

Figura 22 - Circuito retificador com saída regulada - Bloco 01A - 01B .................................. 52

Figura 23 - Circuito gerador de sinal ajustável - Bloco 02 ....................................................... 53

Figura 24 - Forma de onda nos pinos do TCA 785 .................................................................. 54

Figura 25 - Circuito de isolação e modos de chaveamento - Bloco 03A e 03B ....................... 55

Figura 26 - Controle de operação por semiciclo conforme modo de operação dos interruptores

CHi ........................................................................................................................................... 56

Figura 27 - Protótipo operando na função seguidora ............................................................... 57

Figura 28 - Circuito de potência do Dimmer Flex - Bloco 04 .................................................. 58

Figura 29 - Dimmer Flex em MODELS ................................................................................... 59

VIII

Figura 30 - Janela de ajustes no algoritmo do Dimmer Flex em MODELS ............................ 59

Figura 31 - Dimmer Flex em TACS ......................................................................................... 60

Figura 32 - Janela de configuração da fonte PULSE_03.......................................................... 61

Figura 33 - Tela do osciloscópio dos sinais de tensão e corrente - modo operacional A ......... 62

Figura 34 - Telas de grandezas elétricas em FULL e FUND - modo operacional A ............... 63

Figura 35 - Telas de distorção harmônica total de tensão (a) e corrente elétrica (b) ................ 63

Figura 36 - Telas de forma de onda e diagrama fasorial dos sinais de tensão e corrente

fundamental - modo operacional A .......................................................................................... 64

Figura 37 - Componentes harmônicos de tensão e corrente com MARH-21 - modo operacional

A ............................................................................................................................................... 64

Figura 38 - Tela do osciloscópio dos sinais de tensão e corrente - modo operacional F ......... 65

Figura 39 - Telas de grandezas elétricas em FULL e FUND - modo operacional F ................ 65

Figura 40 - Telas de distorção harmônica total de tensão e corrente elétrica, modo operacional

F ................................................................................................................................................ 66


fundamental - modo operacional F ........................................................................................... 66

Figura 42 - Componentes harmônicos de tensão e corrente com MARH-21- modo operacional

F ................................................................................................................................................ 67

Figura 43 - Espectro harmônico da corrente via analisador de energia MARH-21 modo

operacional F ............................................................................................................................ 67

Figura 44 - Tela do osciloscópio dos sinais de tensão e corrente - modo operacional G ......... 68

Figura 45 - Telas de grandezas elétricas em FULL e FUND - modo operacional G ............... 68

Figura 46 - Telas de distorção harmônica total de tensão e corrente elétrica - modo operacional

G ............................................................................................................................................... 69


fundamental - modo operacional G .......................................................................................... 69

Figura 48 - Componentes harmônicos de tensão e corrente com MARH-21- modo operacional

G ............................................................................................................................................... 70

Figura 49 - Espectro harmônico da corrente via analisador MARH-21 - modo operacional G

.................................................................................................................................................. 70

Figura 50 - Tela do osciloscópio dos sinais de tensão e corrente - modo operacional K ......... 71

Figura 51 - Telas de grandezas elétricas em FULL e FUND - modo operacional K ............... 71

Figura 52 - Telas de distorção harmônica total de tensão e corrente elétrica - modo operacional

K ............................................................................................................................................... 72

IX


fundamental - modo operacional K .......................................................................................... 72

Figura 54 - Componentes harmônicos de tensão e corrente com MARH-21 - modo operacional

K ............................................................................................................................................... 73

Figura 55 - Espectro harmônico da corrente via analisador MARH-21 - modo operacional K

.................................................................................................................................................. 73

Figura 56 – Foto dos displays dos medidores de energia: Saga 750, SL7000 e Saga 3000 ..... 74

Figura 57 - Circuito do Dimmer Flex. ...................................................................................... 75

Figura 58 - Formas de onda de tensão e corrente modos operacionais do Dimmer Flex ......... 76

Figura 59 - Circuito com Dimmer Flex e medição no ATPDraw ............................................ 77

Figura 60 - Forma de onda de tensão e corrente no modo operacional A ................................ 78

Figura 61 - Potências elétrica no modo operacional A ............................................................. 78

Figura 62 - Fator de potência e potência fundamental no modo operacional A ....................... 79

Figura 63 - Forma de onda de tensão e corrente no modo operacional F................................. 79

Figura 64 - Forma de onda fundamental da tensão e corrente.................................................. 80

Figura 65 - Espetro harmônico da corrente em pu ................................................................... 80

Figura 66 - Potências elétrica no modo operacional F ............................................................. 81

Figura 67 - Fator de potência e fator de potência fundamental no modo operacional F .......... 81

Figura 68 - Forma de onda de tensão e corrente no modo operacional G ................................ 82



Figura 71 - Potências elétrica no modo operacional G ............................................................. 83

Figura 72 - Fator de potência e fator de potência fundamental no modo operacional G ......... 84

Figura 73 - Forma de onda de tensão e corrente no modo operacional K ................................ 84



Figura 76 - Potências elétrica no modo operacional K ............................................................. 86

Figura 77 - Fator de potência e fator de potência fundamental no modo operacional K ......... 86

Figura 78 - Comportamento da potencias elétricas em função do ângulo de condução modo F

.................................................................................................................................................. 88

Figura 79 - Comportamento do FP e FP1 em função do ângulo de condução modo F ............ 88

Figura 80 - Curvas de DTI e potência ativa em função do ângulo de controle no modo

operacional F ............................................................................................................................ 89

X

Figura 81 - Comportamento da potencias elétricas em função do ângulo de condução modo G

.................................................................................................................................................. 90

Figura 82 - Comportamento do FP e FP1 em função do ângulo de condução modo G ........... 90

Figura 83 - Comportamento da potencias elétricas em função do ângulo de bloqueio modo K

.................................................................................................................................................. 91

Figura 84 - Comportamento do FP e FP1 em função do ângulo de bloqueio modo K ............ 91

Figura 85 - Curvas de DTI e Potencia ativa em função do ângulo de controle modo operacional

K ............................................................................................................................................... 92

Figura 86 - FP em função da DTI para os modos operacionais F e K ..................................... 93

Figura 87 - Relação entre ERE e kWh via FP - modo operacional F ........................................ 95

Figura 88 - Relação entre ERE e kWh via FP1 - modo operacional F ...................................... 95

Figura 89 - Relação entre ERE e kWh via FP - modo operacional G ........................................ 96

Figura 90 - Relação entre ERE e kWh via FP1 - modo operacional G ...................................... 96

Figura 91 - Relação entre ERE e kWh via FP - modo operacional K ........................................ 97

Figura 92 - Relação entre ERE e kWh via FP1 - modo operacional K ...................................... 97

Quadro 1 - Terminologia utilizada para distorções harmônicas ............................................... 32

Quadro 2 - Valores de referência globais das distorções harmônicas totais de tensão ............ 33

Quadro 3 - Limites de distorção de tensão ............................................................................... 33

XI

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Materiais utilizados na confecção do protótipo Dimmer Flex ................................ 45

Tabela 2 - Equipamentos e materiais utilizados na experimentação ........................................ 46

Tabela 3 - Componentes utilizados na implementação e simulação do Dimmer Flex no

PROTEUS ................................................................................................................................ 51

Tabela 4 - Modos operação do Dimmer Flex em função da combinação dos interruptores CHi

.................................................................................................................................................. 56

Tabela 5 - Resumo das medições nos quatros modos de operação do Dimmer Flex com Fluke

434 ............................................................................................................................................ 74

Tabela 6 - Resumo das medições nos quatros modos de operação do Dimmer Flex no ATPdraw

.................................................................................................................................................. 87

Tabela 7 - Resultados do programa ATPDraw e Analisador FLUKE 434 .............................. 94

XII

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica

ARES – Advanced Routing and Editing Software

BEN – Balanço Energético Nacional

CA – Corrente Alternada

CC – Corrente Continua

CI – Circuito Integrado

CICE – Comissão Interna de Conservação de Energia

CPT – Teoria de Potência Conservativa

DFT – Transformada Discreta de Fourier

DIAC – Tiristor Diodo Bidirecional

DTI – Distorção Harmônica Total de Corrente

DTT – Distorção Harmônica Total de Tensão

EA – Energia Ativa

EPE – Empresa de Pesquisa Energética

ER – Energia Reativa

FP – Fator de Potência

GTO – Tiristor Comutável pela Porta

IEEE – Institute of Electrical and Electronic Engineers

IGBT – Transistor Bipolar de Porta Isolada

INMETRO – Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia

ISIS – Inteligent Schematic Input System

MME – Ministério de Minas e Energia

MOSFET – Transistor de Efeito de Campo de Óxido de Metal Semicondutor

PBE – Programa Brasileiro de Etiquetagem

P&D – Pesquisa e Desenvolvimento

PCC – Ponto Comum de Conexão

PROCEL – Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica

PRODIST – Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico

Nacional

QEE – Qualidade da Energia Elétrica

XIII

RTQ-C – Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética

de Edificações Comerciais

RTQ-R – Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética

de Edificações Residenciais

SCR – Retificador Controlado de Silício

SIT – Transistor de Indução Estática

SRD – Superintendência de Regulação dos Serviços de Distribuição

TACS – Transient Analysis of Control Systems

TE – Tarifas de Energia

TJB – Transistor de Junção Bipolar

TRIAC – Triode para Corrente Alternada

TUJ – Transistor de Unijunção

TUSD – Tarifas de Uso do Sistema de Distribuição

VSM – Virtual System Modelling

XIV

LISTA DE SÍMBOLOS

Símbolo Significado Unidade

Arms Corrente eficaz [A]

CA Corrente alternada [A]

CC Corrente continua [A]

cosφ Cosseno do ângulo [-]

DH Potência de distorção harmônica [VAr]

DI Potência de distorção na corrente [VAr]

DITh Distorção harmônica individual de tensão de ordem h [%]

DRE Demanda de potência reativa excedente [kW]

DTI Distorção harmônica total de corrente [%]

DTT Distorção harmônica total de tensão [%]

DV Potência de distorção na tensão [VAr]

EA Energia ativa [kWh]

EEAMT Energia elétrica ativa medida [MWh]

ER Energia reativa [kVarh]

ERE Energia elétrica reativa excedente [VAr]

FP Fator de potência [-]

FP1 Fator de potência fundamental [-]

fr Fator de potência de referencia [-]

fT Fator de potência de referência igual a 0,92 [-]

H Ordem harmônica [-]

Hmáx Ordem harmônica máxima [-]

Hmin Ordem harmônica mínima [-]

I Corrente elétrica [A]

MAX Função que identifica o valor máximo da equação [-]

N Potência não ativa total [VAr]

n1 Número de intervalos de integralização “T” do período de

faturamento, para o posto horário de ponta e fora de ponta;

[-]

n2 Número de intervalos de integralização “T”, por posto

horário “p”, no período de faturamento.

[-]

p Posto horário (ponta ou fora de ponta) [-]

XV

P Potência ativa total [W]

P1 Potência ativa fundamental [W]

PAF(p) Demanda de potência ativa faturável, em cada posto

horário “p” [kW]

PAMT Demanda de potência ativa medida em uma hora [kW]

PH Potência ativa harmônica [W]

Q1 Potência reativa fundamental [VAr]

S Potência aparente total [VA]

S1 Potência aparente fundamental [VA]

senφ Seno do ângulo [-]

SH Potência aparente harmônica [VA]

SN Potência aparente não fundamental [VA]

T Período de faturamento (1 hora) [h]

tCO2 Tonelada de gás carbônico [tCO2]

THDI Distorção harmônica total na corrente [%]

THDV Distorção harmônica total na tensão [%]

TWh Terawatt-hora [TWh]

V Tensão elétrica [V]

V1 Tensão fundamental medida [V]

VCA Tensão elétrica em corrente alternada [V]

VCC Tensão elétrica em corrente continua [V]

Vh Tensão harmônica de ordem h [V]

VN Tensão nominal [V]

VRDRE Valor de referência - demanda [R$/kW]

VRERE Valor de referência - tarifa de energia "TE" [R$/MWh]

Vrms Tensão eficaz [V]

α Ângulo de atraso [°]

XVI

SUMÁRIO

CAPÍTULO I ............................................................................................................................ 18

INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 18

1.1 Considerações iniciais .................................................................................................. 18

1.1.1 Contextualização ........................................................................................................ 18

1.1.2 Justificativa ................................................................................................................ 22

1.2 Objetivos ....................................................................................................................... 22

1.2.1 Objetivo Geral ............................................................................................................ 23

1.2.2 Objetivos Específicos ................................................................................................ 23

1.3 Estruturação da dissertação .......................................................................................... 23

CAPÍTULO II ........................................................................................................................... 25

REFERENCIAL TEÓRICO ..................................................................................................... 25


2.1.1 Eletrônica de potência ................................................................................................ 25

2.1.1.1 Dispositivos semicondutores .............................................................................. 25

2.1.1.2 Circuito de disparo de tiristor e chave para controle de sinal VCA ..................... 27

2.1.2 Qualidade da energia elétrica ..................................................................................... 30

2.1.2.1 Indicadores de qualidade da energia elétrica– qualidade do produto ................. 31

2.1.3 Medição de energia elétrica ....................................................................................... 33

2.1.4 Modalidades tarifarias do Brasil ................................................................................ 37

CAPÍTULO III ......................................................................................................................... 40

MATERIAIS E MÉTODOS ..................................................................................................... 40


3.1.1 Materiais .................................................................................................................... 40

3.1.2 Programas computacionais ........................................................................................ 40

3.1.2.1 Programas computacionais para simulação ........................................................ 40

3.1.2.2 Programas computacionais para transferência e análise de dados ..................... 43

3.1.3 Equipamentos e materiais .......................................................................................... 44

3.2 Método .......................................................................................................................... 47

3.2.1 Etapas seguidas para o desenvolvimento do protótipo .............................................. 47

XVII

3.2.2 Desenvolvimento e construção do protótipo ............................................................. 48

3.2.3 Medições laboratoriais ............................................................................................... 49

3.2.4 Estudos computacionais via simuladores................................................................... 50

3.2.4.1 Implementação do Dimmer Flex no programa PROTEUS ................................ 50

3.2.4.2 Implementação do Dimmer Flex no programa ATPDraw ................................. 58

CAPÍTULO IV ......................................................................................................................... 62

RESULTADOS LABORATORIAIS E DISCUSSÕES .......................................................... 62


4.1.1 Dimmer Flex modo operacional A ............................................................................ 62

4.1.2 Dimmer Flex modo operacional F ............................................................................. 65

4.1.3 Dimmer Flex modo operacional G ............................................................................ 68

4.1.4 Dimmer Flex modo operacional K ............................................................................ 71

CAPÍTULO V .......................................................................................................................... 75

RESULTADOS COMPUTACIONAIS E DISCUSSÕES ....................................................... 75


Simulação do Dimmer Flex no programa PROTEUS ............................................... 75

Simulação do Dimmer Flex no ATPDraw ................................................................. 77

5.1.2.1 Chaveamento Dimmer Flex no modo operacional A ......................................... 78

5.1.2.2 Chaveamento Dimmer Flex no modo operacional F .......................................... 79

5.1.2.3 Chaveamento Dimmer Flex no modo operacional G ......................................... 82

5.1.2.4 Chaveamento Dimmer Flex no modo operacional K ......................................... 84

5.1.2.5 Síntese dos resultados das simulações nos modos operacionais A, F, G e K ..... 86

5.1.2.6 Verificação de comportamento de S, P, Q1, N, FP e FP1 com ângulo de controle

variando de 0° a 180° para os modos operacionais F, G e K ........................................... 87

5.2 Estudo computacional e validação do modelo ............................................................. 93

5.3 Avaliação do impacto do chaveamento eletrônico no faturamento da energia elétrica 94

CAPÍTULO VI ......................................................................................................................... 98

CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................................... 98

Sugestões para trabalhos futuros .............................................................................................. 99

Referências ............................................................................................................................. 100

Apêndice ................................................................................................................................. 103

18

CAPÍTULO I

INTRODUÇÃO

1.1 Considerações iniciais

Este capítulo introdutório contextualiza a temática da pesquisa, apresenta as

justificativas e os objetivos motivadores e finaliza com a estruturação desta dissertação com

vistas a refletir os diversos assuntos abordados, bem como a metodologia e desenvolvimento

adotados.

1.1.1 Contextualização

O consumo de energia elétrica no Brasil, no período de 1970 a 2015 alcançou um

crescimento a uma taxa média de 5,90% ao ano, saindo de 39,66 TWh para 522,72 TWh, como

mostra a Figura 1 (EPE, 2016). No tocante ao setor residencial observa-se que o consumo

passou de 8,36 TWh para 131,29 TWh (EPE, 2016).

Figura 1 - Consumo de energia elétrica no Brasil (1970-2015)

Fonte: Adaptado de EPE (2016)

O consumo residencial nestes 45 anos de registro (1970-2015), corresponde a 22% do

total, em média anual (Figura 2), da energia elétrica utilizada nacionalmente, fato que motiva

uma manutenção constante nas políticas de eficiência energética para esta classe de

consumidores, conforme dados do balanço energético nacional (BEN).

39,6669,84

122,68173,53

217,61264,75

331,72375,26

464,78522,72

8,36 13,21 23,26 32,63 48,66 63,57 83,59 83,21 107,23 131,29

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Ener

gia

elét

rica (

TWh)

Nacional Residencial

19

Também na Figura 2 pode-se observar que o setor residencial teve uma redução no

consumo de energia elétrica, devido ao racionamento que ocorreu entre os anos 2000 e 2002,

atingindo redução de 2,77% no consumo nacional, equivalente a 10,83 TWh (EPE, 2016).

Figura 2 - Percentual da composição setorial do consumo de eletricidade no Brasil (1970-2015)


O setor industrial como pode-se verificar na Figura 2, a partir 1995 tem registro de

consumo de energia elétrica abaixo dos 50% na composição setorial. Parte desta redução

deveu-se à modernização deste setor, juntamente com políticas de conservação e uso racional

de energia, como o prêmio nacional de conservação e uso racional de energia, instituído em

1993, voltado para setores de consumo de energia elétrica, inclusive o industrial (MME, 2011).

Para que ocorra a sustentabilidade no setor elétrico são necessárias interações entre

questões política, sociais, técnico-econômica e ambientais (INATOMI e UDAETA, 2005).

Na Figura 3 estão inseridas cronologicamente os principais programas e leis de

conservação e eficiência energética desenvolvidos no Brasil para os consumidores do setor

elétrico, desde o primeiro programa, em 1984, o qual foi renomeado em 1992, passando a ser

denominado de programa brasileiro de etiquetagem (PBE). Em 2009 e 2010 o instituto nacional

de metrologia, qualidade e tecnologia (INMETRO) introduziu os regulamentos técnicos da

qualidade (RTQ-C e RTQ-R) voltados, para eficiência energética em edificações.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

1970 1973 1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012 2015SETOR ENERGÉTICO RESIDENCIAL COMERCIALPÚBLICO AGROPECUÁRIO TRANSPORTESINDUSTRIAL

20

Figura 3 - Principais programas e leis de eficiência energética para setor elétrico vigentes no país.

1984 1985 1990 2000 2001

Programa Conservação de energia elétrica em

eletrodomésticos (PBE)

Programa Nacional de Conservação de Energia

Elétrica (PROCEL)

Comissão Interna de Conservação de Energia (CICE)

Lei n° 9.991Regulamenta P&D em Eficiência Energética

Lei n° 10.295Lei da Eficiência

Energética

Fonte: Adaptado de MME (2011)

Nos resultados do programa nacional de conservação de energia elétrica (PROCEL),

estima-se que, de 1986 a 2015, tenham sido economizados 92,2 TWh de energia elétrica. Só no

ano de 2015 a estimativa é de 11,68 TWh, e segundo o órgão, se esta energia economizada no

ano de 2015 fosse convertida em gás carbônico, equivaleria a 1.453 milhões de tCO2, o que

corresponde a emissão de 499 mil veículos, durante um ano (PROCEL, 2016).

No ano de 2001 o setor elétrico brasileiro sofreu o maior racionamento de energia

elétrica registrado, tendo início em junho daquele ano e término em março 2002 (ANEEL,

2008). Na Figura 4, pode-se observar uma redução no consumo após o ano de 2000, de

20,06 TWh, sendo o setor residencial responsável pela maior parcela 44,61% (EPE, 2016).

Figura 4 - Consumo de energia elétrica no Brasil 1970-2015


0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

1970 1973 1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012 2015

CON

SUM

O D

E EN

ERGI

A EL

ÉTRI

CA (T

Wh)

21

Diante desse cenário crítico no setor elétrico, o governo brasileiro estabeleceu políticas

de eficiência energética como a Lei nº 10.295, de 17 de outubro de 2001, que estabelece níveis

máximos para o consumo de energia elétrica ou níveis mínimos de eficiência para máquinas e

aparelhos fabricados ou comercializados no País (BRASIL, 2001).

Tal medida visou à substituição dos equipamentos convencionais de baixa eficiência por

equipamentos modernos, que possuem maior eficiência no consumo de energia elétrica.

Diante deste novo cenário, os fabricantes de equipamentos eletroeletrônicos, têm

intensificado o uso da eletrônica, com o intuito de alcançar melhores níveis de eficiência

energética. Estes novos equipamentos, dotados de sistemas eletrônicos, os quais propiciam

maior controle no fluxo de potência elétrica, são geralmente caracterizados como cargas do tipo

não linear, onde o sinal da corrente elétrica absorvida, não tem a mesma forma de onda da

tensão de alimentação.

Este tipo de carga denominada de não linear tem sido assunto de preocupação para a

comunidade científica há bastante tempo, nos aspectos vinculados com a qualidade da energia

elétrica (SHARMA et al., 2000). Dentre as perturbações, destaca-se o crescimento no nível de

distorção das formas de onda de tensão e corrente nos sistemas elétricos (PAREDES, 2011).

Em 2007 o PROCEL divulgou o resultado de uma pesquisa que levantou os

equipamentos e os respectivos hábitos de uso na classe residencial, tendo como ano base da

pesquisa 2005. Os equipamentos levantados nas residências foram: geladeira, freezer,

lâmpadas, chuveiro, condicionamento ambiental, tv, som, ferro de passar e maquinar de lavar

roupa.

Destacou-se nesta pesquisa o consumo de energia elétrica por chuveiros elétricos, sendo

este responsável nacionalmente por 24% de todo consumo residencial em média. A pesquisa

também mostra que o percentual de consumo deste dispositivo, por região, é variável sendo

consumido: na região norte 2%, nordeste 9%, centro-oeste 28%, sudeste 26% e sul 25%

(PROCEL, 2007).

Nos setores residencial e comercial a não linearidade vem aumentando, com a inserção

crescente de equipamentos eletrônicos e, como consequência, aumento da distorção da forma

de onda (NUNES, 2007).

Preocupado com o consumo crescente de energia elétrica, os estudos de eficiência

energética e projeções da empresa de pesquisa energética (EPE) divulgados entre 2012 a 2015

para o setor residencial, indicam que a carga de maior potência e consumo, o chuveiro elétrico

tende a ter uma participação menor no consumo de eletricidade residencial futuramente, devido

http://legislacao.planalto.gov.br/legisla/legislacao.nsf/Viw_Identificacao/lei%2010.295-2001?OpenDocument

22

ao uso de outras fontes como gás natural e sistema de aquecimento solar, para aquecimento de

água domiciliar.

Porém, o baixo custo de aquisição e facilidade de instalação frente as opções comerciais

para aquecimento de água fazem do chuveiro elétrico, a primeira opção dos consumidores.

Vislumbrando este público as indústrias destes equipamentos de aquecimento,

incorporaram inovação tecnológica no controle do consumo, por meio de chaveamento

eletrônico, o qual permite maior controle de potência. Este recurso tecnológico, porém, altera

as características lineares da carga, passando a comportar-se como não linear.

Mais recentemente tem sido realizado estudos no sentido de identificar possíveis

impactos, de forma direta ou indireta, quanto ao fluxo de potência reativa advinda de cargas

não lineares, em projetos de eficiência energética, bem como no faturamento da energia elétrica,

e possibilidades de compensação de energia reativa em cargas lineares (BEUTER, 2015).

1.1.2 Justificativa

As cargas eletrônicas nos últimos anos têm se massificado nos edifícios brasileiros, o

que implica em mudanças no perfil visto pelo sistema elétrico. Estas inserções mudam as

caraterísticas, antes lineares, para características de não linearidade. Quais os possíveis

impactos que estes tipos de carga podem causar na qualidade da energia elétrica. Como os

sistemas de medição, com os atuais protocolos implementados para fim de faturamento,

“enxergam” este tipo de carga?

Com intuito de responder esses questionamentos, o trabalho em tela propõe-se projetar

e implementar um dispositivo eletrônico que permita realizar estudos utilizando uma carga

linear, puramente resistiva, dotado de um sistema de chaveamento que possibilite controlar o

tempo de condução e em consequência a forma de onda da corrente da carga. Este dispositivo,

por meio de diversas condições de operação, permitirá tirar conclusões a respeito dos efeitos

das não linearidades de cargas comumente encontradas nos sistemas elétricos. Para tanto foram

realizadas medições em laboratório com analisadores de qualidade da energia e medidores de

energia comercial empregados pela concessionaria local.

1.2 Objetivos

Neste item são apresentados os objetivos geral e específicos deste trabalho.

23

1.2.1 Objetivo Geral

Analisar os fluxos de potência ativa e reativa demandadas por uma carga, dotada de

chaveamento eletrônico, sob a ótica da eficiência e parâmetros de qualidade da energia elétrica

nas edificações.

1.2.2 Objetivos Específicos

a) Pesquisar sobre modelos existentes com controle bidirecional de chave eletrônica

dotados de semicondutores de potência e respectivos circuitos;

b) Desenvolver um protótipo de dispositivo para controle do fluxo de potência de um

resistor, por meio de chaveamento eletrônico, o qual permita o bloqueio da corrente do

circuito de potência, em qualquer instante dentro dos semiciclos positivo e negativo;

c) Modelar e simular o protótipo de chaveamento eletrônico proposto, inicialmente

utilizando o software Proteus e, posteriormente, via software ATPDraw visando a

obtenção de uma ferramenta computacional para análises complementares dos efeitos

do chaveamento eletrônico;

d) Realizar medição de grandezas elétricas via medidores comerciais e analisadores de

energia, em laboratório, com o protótipo desenvolvido, com vistas a identificar o fluxo

de reativos;

e) Avaliar os possíveis impactos desta carga (protótipo e resistor) com chaveamento

eletrônico na qualidade da energia elétrica, medição e faturamento da energia elétrica

consumida;

1.3 Estruturação da dissertação

A presente dissertação está disposta em capítulos, incluindo este capítulo Introdutório

os seguintes capítulos:

Capítulo II - Referencial Teórico, são apresentados os fundamentos teóricos os quais

estão divididos em três partes, sendo a primeira um resgate dos conceitos de eletrônica de

potência, com ênfase nas chaves eletrônicas e nos circuitos de disparo das mesmas. Na segunda

parte são abordados os parâmetros de qualidade voltados para fator de potência e distorção

harmônica. Na última parte aborda-se o sistema de medição e tarifação de energia elétrica

vigente no Brasil.

24

Capítulo III - Materiais e Métodos, são apresentados os materiais e métodos

empregados no desenvolvimento deste trabalho envolvendo estudos via simuladores e estudos

laboratoriais.

Capítulo IV - Resultados Laboratoriais e discussões, são apresentados quatro modos

de operação (A, F, G e K) do protótipo Dimmer Flex, atuando sobre uma carga resistiva, onde

são expostos os respectivos resultados das grandezas de interesse medidas em laboratório para

discussões pertinentes.

Capítulo V - Resultados Computacionais e discussões, são apresentados os circuitos

modelados do protótipo Dimmer Flex nos programas PROTEUS e ATPDraw. Na modelagem

realizada no programa ATPDraw são abordados quatro modos operacionais A, F, G e K com o

intuito de validação do mesmo. Para tanto foi realizada comparação entre os valores medidos

em simulação e os dados coletados no laboratório.

Capítulo VI - Considerações finais e trabalhos futuros, são apresentadas as

considerações sintetizadas deste trabalho e encera-se com as sugestões de trabalhos futuros.

25

CAPÍTULO II

REFERENCIAL TEÓRICO


Neste capítulo são apresentados os fundamentos teóricos necessários para o

desenvolvimento deste trabalho. A revisão teórica está dividida em três partes, sendo a primeira

um resgate dos conceitos de eletrônica de potência, com ênfase nas chaves eletrônicas e nos

circuitos de disparo das mesmas. Na segunda etapa são abordados os parâmetros de qualidade

da energia voltados para fator de potência e distorção harmônica. Na última etapa aborda-se o

sistema de medição e tarifação de energia elétrica vigente no país.

2.1.1 Eletrônica de potência

A denominação “eletrônica de potência” surgiu após a invenção do Retificador

Controlado de Silício (SCR), na década de 60, pela General Electric (AHMED, 2000). Desde

então, as técnicas de conversão e dispositivos semicondutores de potência vem sendo

introduzidos e disponibilizados comercialmente como: diodo de potência, tiristor, transistor de

junção bipolar (TJB), MOSFET de potência, transistores de porta isolada (IGBT) e transistor

de indução estática (SIT) (RASHID, 1999).

A eletrônica de potência trata da aplicação destes dispositivos, na conversão e no

controle da energia elétrica, através dos parâmetros de tensão, corrente e frequência (AHMED,

2000). Este tratamento eletrônico da energia elétrica por meio dos conversores envolve

elementos passivos (resistores, indutores e capacitores) e ativos (interruptores). Dentre os tipos

de conversores destacam-se: o retificador, conversor indireto de frequência, conversor direto

de frequência, inversor, conversor CC-CC, conversor indireto de tensão (BARBI, 2006). Estes

dispositivos possibilitam o controle e conversão do fluxo de energia, tornando a eletrônica de

potência, parte integrante dos sistemas de energia modernos (SZCZÉSNIAK e KANIEWSKI,

2015).

2.1.1.1 Dispositivos semicondutores

a) Dispositivos semicondutores de potência

26

Os dispositivos semicondutores de potência são classificados de acordo com o grau de

controle (acionamento e bloqueio). Dos quais segundo Lambert (2012) classificam-se em três

grupos de acordo com o grau de controle:

• Diodos são controlados (ligado e desligado) pelo circuito de potência;

• Tiristores (SCR e TRIAC) são ligados pelo sinal de controle e desligados pelo circuito

de potência;

• Chaves controladas (TJB, MOSFET, GTO e IGBT) são ligadas e desligadas pelo sinal

de controle.

Os dispositivos semicondutores de potência podem ser classificados de acordo com as

características de tensão de bloqueio, corrente de condução e frequência de comutação. A título

de ilustração, na Figura 5 estão indicados os limites de operação de alguns componentes.

Maiores detalhes podem ser encontrados em Lambert (2012).

Figura 5 - Limites de operação de componentes semicondutores de potência

Fonte: Lambert (2012)

b) Módulo de comando integrado para disparo de tiristor e chave controlada

Os módulos de comando integrado, nominalmente denominados de Circuito Integrado

(CI), que tem aplicação específica no disparo de tiristor ou chave, produzem sinais de tensão e

corrente periódicos, dos quais pode-se ter controle de frequência e amplitude. O CI de controle

analógico comumente utilizado em disparos é o controlador de fase TCA 785 da Siemens.

Segundo Barbi (2006), o dispositivo possui detector zero de sinal alternado, memoria de

sincronização, monitor de descarga, comparador de controle, transistor de descarga, unidade

27

lógica, regulador interno de tensão e fonte controlada de corrente constante. O dispositivo

permite variação linear de 0° a 180° no ângulo (α) para atraso de disparo.

2.1.1.2 Circuito de disparo de tiristor e chave para controle de sinal VCA

Os circuitos de controle são responsáveis pela produção de sinal que dispara tiritores e

chaves controladas, variadores de tensão (CA-CA) e conversores (CA-CC). Os variadores de

tensão, também conhecidos como gradadores, utilizam tipicamente o tiristor (SCR, TRIAC),

como semicondutor de potência. Desta maneira, o circuito de controle é montado apenas para

o disparo, tendo em vista que ocorre bloqueio natural nestes dispositivos quando ligados em

sinal alternado. Os conversores necessitam de circuitos mais elaborados, requerendo sinais

defasados e dispositivos para detecção de passagem por zero do sinal de entrada e isolação

(transformadores ou optoacopladores) dos sinais dos circuitos de controle e de potência.

a) Circuito de disparo 1

O circuito 1, mostrado na Figura 6, é um gradador que usa tiristor, o qual permite variar

o valor eficaz do sinal de tensão alternada (BARBI, 2006). Seu circuito de disparo é composto

por: resistor, potenciômetro, capacitor e DIAC. O disparo do tiristor ocorre quando a tensão do

capacitor atinge a tensão de condução do DIAC, o qual permite sinal para gatilhamento do

tiristor. O tempo de carregamento do capacitor para atingir a tensão do DIAC é ajustável por

meio da variação do potenciômetro (ALMEIDA, 2009).

Figura 6 - Circuito para disparo de tiristor -circuito 1

Circuito de disparo

Tiristor

G G G

Fonte: Adaptado de Almeida (2009)

28

b) Circuito de disparo 2

O circuito de disparo é composto por: resistores, potenciômetro, transistores e diodos

zener como ilustra a Figura 7. Trata-se de um protótipo de Dimmer desenvolvido por Chen et

al. (2013) que utiliza MOSFET como chave de potência. A proposta de Chen et al. (2013) é que

o dispositivo atinja um sinal de saída com o dobro da frequência comparativamente ao circuito

dotado de um Dimmer que utiliza TRIAC como semicondutor de potência. O disparo das

chaves (MOSFET) ocorre quando o circuito é ligado, já o controle de condução sobre a carga

é realizado com o potenciômetro.

Figura 7 - Circuito para disparo de chave -circuito 2

Circuito de disparo

Chave

G

G G G

GG

Fonte: Adaptado de Chen et al. (2013)

c) Circuito de disparo 3

O denominado circuito 3 é composto por: resistores, potenciômetro, TUJ, transformador

abaixador, transformador de pulso, diodos e diodo zener como ilustra a Figura 8. É um circuito

gradador que usa tiristor como semicondutor de potência e Transistor de unijunção (TUJ) como

mecanismo de disparo. Este tipo de circuito de disparo também é conhecido como oscilador de

relaxação com TUJ. O disparo do tiristor ocorre quando a tensão do capacitor atinge a tensão

de disparo do TUJ, o qual passa a conduzir permitindo pulso no gate do tiristor, já o controle

dos pulsos é realizado pelo potenciômetro, diminuindo ou aumentado o tempo de carregamento

do capacitor para o acionamento do TUJ (LAMBERT, 2012).

29

Figura 8 - Circuito para disparo de tiristor -circuito 3

Circuito de disparoTiristor

G

G

G

Fonte: Adaptado de Lambert (2012)

d) Circuito de disparo 4

O circuito 4, ilustra a topologia de gradador, que usa tiristor e módulo de comando

integrado para o circuito de disparo. O circuito de disparo é composto por: resistores,

potenciômetro, TCA785, diodos, capacitor e fonte VCC como ilustra a Figura 9. O disparo do

tiristor ocorre após a sincronização do sinal da rede elétrica pelo TCA785 e comparação do

sinal de tensão do capacitor com a tensão de controle VCC externa ao TCA785 (LAMBERT,

2012).

Figura 9 - Circuito para disparo de tiristor -circuito 4- Circuito de disparo

Tiristor

G

G

G

Fonte: Adaptado de Barbi (2006)

30

e) Circuito de disparo 5

O circuito 5, é um conversor CA-CC, que usa tiristores e módulo de comando integrado

no circuito de disparo, o qual permite controlar o valor da tensão retificada - VCC (Lambert,

2012). Seu circuito de disparo é composto por: resistores, potenciômetros, capacitores,

transformador abaixador, transformador de pulso, TCA785, LM555, diodos, diodos zener,

transistores e fonte VCC como ilustrado na Figura 10. O sinal de disparo do tiristor ocorre na

junção dos sinais produzidos pelo TCA785 e LM555 nos transistores montados em série

(LAMBERT, 2012).

Figura 10 - Circuito para disparo de tiristor -circuito 5- C

cu

to

d

e

dst

o

G

G

G

G3

3

G

Fonte: Adaptado de Lambert (2012)

2.1.2 Qualidade da energia elétrica

A Qualidade da Energia Elétrica (QEE) no Brasil, segundo a Agência Nacional de

Energia Elétrica (ANEEL) engloba tanto a qualidade do produto como a qualidade dos serviços

prestados. Na qualidade do produto segundo, a ANEEL (2016a), são abordados “os fenômenos,

parâmetros e valores de referência relativos à conformidade de tensão em regime permanente e

às perturbações na amplitude, frequência e forma de onda de tensão”. E na qualidade dos

31

serviços prestados, a ANEEL (2016a) “estabelece a metodologia para apuração dos indicadores

de continuidade e dos tempos de atendimento a ocorrências emergenciais, definindo padrões e

responsabilidades”.

A definição para qualidade da energia elétrica segundo Dugan et al. (2012) é sintetizada

como “qualquer problema manifestado em tensão, corrente ou desvio de frequência que

resultem em falhas ou má operação dos equipamentos dos consumidores”.

De modo geral a QEE está essencialmente atrelada com os parâmetros da tensão de

suprimento do sistema, que se apresente próximo às condições ideais de suprimento.

2.1.2.1 Indicadores de qualidade da energia elétrica– qualidade do produto

Os parâmetros de qualidade do produto são estabelecidos para regime permanente e

transitório, conforme constam nos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no

Sistema Elétrico Nacional (PRODIST) da ANEEL, em seu modulo 8. Nesta normativa são

considerados os aspectos de: tensão em regime permanente, fator de potência, harmônicos,

desequilíbrio de tensão, flutuação de tensão, variações de tensão de curta duração e variação de

frequência (ANEEL, 2016a). Neste trabalho são abordados os aspectos relacionados com o fator

de potência e harmônicos.

a) Fator de potência

Segundo a ANEEL (2016b) Fator de Potência (FP) é definido como a “Razão entre a

energia elétrica ativa e a raiz quadrada da soma dos quadrados das energias elétricas ativa e

reativa, consumidas em um mesmo período especificado”.

Para o cálculo do FP, a ANEEL (2016a) recomenda a utilização da equação (1), com

dados registrados das potencias ou energias ativa e reativa, por instrumentos apropriados, de

preferência os eletrônicos aprovados por órgão responsável pela conformidade metrológica.

2 2 2 2 ou P EAFP

P Q EA ER=

+ + (1)

O valor de referência para o FP para níveis de tensão inferiores a 230 kV é compreendido

entre 0,92 e 1,00 indutivo ou 1,00 e 0,92 capacitivo ANEEL (2016a). Esta observância é

facultativa para consumidores do Grupo B.

32

Segundo Junior (2011) se o fator de potência for baixo ocorre circulação de reativos no

sistema elétrico, ocasionando perdas nos condutores e isso afeta diretamente a qualidade da

energia, prejudicando dispositivos conectados ao sistema o que eleva custos de construção e

manutenção dos mesmos.

b) Harmônicos

A ANEEL (2016a) define os harmônicos como “fenômenos associados com

deformações nas formas de onda das tensões e correntes em relação à onda senoidal da

frequência fundamental”. A distorção harmônica pode ser expressa a nível individual ou total

conforme definição. As terminologias adotadas nas equações para cálculos das distorções

harmônicas de tensão são apresentadas no Quadro 1.

Quadro 1 - Terminologia utilizada para distorções harmônicas

Identificação da Grandeza Símbolo

Distorção harmônica individual de tensão de ordem h DITh%

Distorção harmônica total de tensão DTT %

Tensão harmônica de ordem h Vh

Ordem harmônica H

Ordem harmônica máxima Hmáx

Ordem harmônica mínima Hmin

Tensão fundamental medida V1

Fonte: ANEEL (2016a)

Segundo Tavares (2011) quando se analisa um sistema elétrico com cargas não lineares

é fundamental conhecer as características e espectro harmônico da mesma.

Para o cálculo da distorção harmônica individual de tensão usa-se a equação (2) e para

distorção harmônica total de tensão, a equação (3). De acordo com a norma, deve-se considerar,

no mínimo, da componente fundamental até a vigésima quinta ordem harmônica (hmin = 25)

ANEEL (2016a).

Distorção harmônica individual de tensão →1

% 100 hh

VDITV

= × (2)

Distorção harmônica total de tensão →

2

2

1

100

hmáx

hh

VDTT

V== ×∑

(3)

33

A ANEEL (2016a) estabelece os valores de referência para as distorções harmônicas

totais de tensão conforme o nível de tensão do barramento, estes valores são apresentados no

Quadro 2.

Quadro 2 - Valores de referência globais das distorções harmônicas totais de tensão

Tensão nominal do Barramento Distorção Harmônica Total de Tensão (DTT) [%]

VN≤ 1kV 10

1kV <VN≤ 13,8kV 8

13,8kV <VN≤ 69kV 6

69kV <VN≤ 230kV 3

Fonte: ANEEL (2016a)

O Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) recomenda valores máximos

de distorção no sinal de tensão no sistema elétrico de potência. Os limites de distorção nas

formas de onda da tensão e corrente elétrica são referenciados para o ponto comum de conexão

(PCC) segundo a IEEE Std 519-2014. No Quadro 3 estão os limites para a distorção de tensão

conforme o nível de tensão do barramento.

Quadro 3 - Limites de distorção de tensão

Tensão do barramento Distorção harmônica individual [%] Distorção harmônica total [%]

V≤ 1kV 5,0 8,0

1kV <V≤ 69kV 3,0 5,0

69kV <V≤ 161kV 1,5 2,5

161kV <V 1,0 1,5

Fonte: IEEE (2014)

2.1.3 Medição de energia elétrica

A medição de energia elétrica segundo a ANEEL (2012a) nas unidades consumidoras

conectadas em alta tensão, que utilizam instrumentos eletrônicos e eletromecânicos levando em

consideração, ou não, as distorções harmônicas, foi observado que os valores lidos alcançam

valores próximos, não havendo influência significativa das distorções harmônicas na medição,

devido à predominância de cargas lineares, como os motores utilizados pelo setor industrial. Já

para consumidores conectados em baixa tensão, a realidade é diferente. Devido a disseminação

34

de cargas eletroeletrônicas, com características não lineares, promovem a distorção das formas

de onda de corrente e da tensão e influenciam na medição do fator de potência (ANEEL, 2012a).

O estudo da energia ativa e reativa provinda dos sinais senoidais e cargas lineares está

consolidado segundo Elgerd (1970) e aceito na comunidade cientifica e técnica. O mesmo

consenso não ocorre quando o sinal é distorcido, e a carga do tipo não linear, haja vista que nos

conceitos da teoria convencional, ocorrem conexões diretas com os elementos indutivos e

capacitivos, segundo Watanabe e Aredes (1998).

Para a medição de energia elétrica via medidores eletrônicos, segundo Suhett (2008),

são empregados normalmente as técnicas do triangulo de potência, do deslocamento de noventa

graus e a transformada discreta de Fourier (DFT).

Na nota Técnica n° 0083/2012-SRD/ANEEL, estão descritas definições das potências

sob condições puramente senoidais e condições não senoidais (ANEEL, 2012a).

a) Grandezas para condições puramente senoidais

Para as potencias com sinais puramente senoidais usa-se as equações 4, 5 e 6 e para o

fator de potência nas mesmas condições da equação 7 (ANEEL, 2012a).

Potência ativa → cosP VI ϕ= (4)

Potência reativa → sQ VI enϕ= (5)

Potência aparente → 2 2S P Q VI= + = (6)

Fator de potência → cosPFPS

ϕ= = (7)

b) Grandezas para condições não senoidais

Para as grandezas de tensão e corrente com sinais distorcidos usa-se as equações 8 e 9.

E para as potências usa-se as equações 10, 11, 12 e 13 e para o fator de potência e fator de

potência fundamental as equações 14 e 15 respectivamente (ANEEL, 2012a).

Tensão → 2h

hV V= ∑ (8)

Corrente → 2h

hI I= ∑ (9)

Potência ativa → cos( )h h hh

P V I ϕ=∑ (10)

Potência reativa fundamental→ 1 1 1 1s ( )Q V I en ϕ= (11)

Potência não ativa → 2 2N S P= − (12)

35

Potência aparente → 2 2h h

h hS VI V I= = ∑ ∑ (13)

Fator de potência →2 2 2 2

ou P EAFPP Q EA ER

=+ +

(14)

Fator de potência fundamental → 11 2 2

1 1

PFPP Q

=+

(15)

No IEEE Std 1459-2010 estão descritas as definições referentes as grandezas elétricas

a serem medidas em circuitos monofásicos e trifásicos em condições senoidais, não senoidais.

A seguir são exibidas equações das grandezas elétricas com as respectivas unidades.

• Tensão e corrente;

Tensão não senoidal → 01

2 ( ) ( )H h hh

v V V sen h t Vω α≠

= + −∑ (16)

Corrente não senoidal → 01

2 ( ) ( )H h hh

i I I sen h t Aω β≠

= + −∑ (17)

• Potências;

Potência ativa fundamental → 1 1 1 1cos ( )P V I Wϕ= (18)

Potência reativa fundamental → 1 1 1 1 ( )Q V I sen VARϕ= (19)

Potência aparente fundamental → 2 2 21 1 1 ( )S P Q VA= + (20)

Potência ativa harmônica → 0 01

cos ( )H h h hh

P V I V I Wϕ≠

= +∑ (21)

Potência ativa → 1 ( )HP P P W= + (22)

Potência aparente → ( )S VI VA= (23)

Potência aparente não fundamental → 2 21 ( )NS S S VA= − (24)

Potência não ativa → 2 2 ( )N S P VAR= − (25)

Potência de distorção de corrente → 1( ) ( )i iD S THD VAR= (26)

Potência de distorção de tensão → 1( ) ( )v vD S THD VAR= (27)

Potência de distorção harmônica → 2 2 ( )H H HD S P VAR= − (28)

Potência aparente harmônica → 1( )( ) ( )H v iS S THD THD VA= (29)

36

• Distorção harmônica;

Distorção total de tensão →2

1 1

1Hv

V VDTT THDV V

= = = −

(30)

Distorção total de corrente →2

1 1

1Hi

I IDTI THDI I

= = = −

(31)

• Fator de potência fundamental e fator de potência.

Fator de potência fundamental → 11 1

1

cosFPPS

ϕ= = (32)

Fator de potência → FPPS

= (33)

Como pode-se verificar as equações de tensão (16) e corrente (17) da norma IEEE Std

1459-2010 utilizam a decomposição dos sinais, em componentes harmônicas por meio da

aplicação da transformada de Fourier, para que possam ser determinados os valores das

potências elétricas (VIEIRA, 2012).

Na Figura 11 é ilustrado a decomposição da potência aparente proposta pela norma

IEEE Std 1459-2010, em potência aparente fundamental e potência aparente não fundamental.

Figura 11 - Decomposição da potência aparente proposta pelo IEEE 1459-2010

Fonte: Lima (2014)

Segundo Melo (2006) a norma IEC 61000 de 2002 trata de técnicas para instrumentos

de medição que registram componentes de tensão e corrente, na faixa de frequências de 0 a

2500 Hz presentes nos sistemas elétricos de 50 e 60 Hz, e ainda ele descreve que a parte mais

significativa da norma IEC 61000 refere-se ao desenvolvimento da técnica para atendimento a

norma IEEE Std 1459-2000. A técnica especificada na norma IEC 61000 para análise de

componentes harmônicos está relacionada com o uso do método da transformada discreta de

Fourier, que possibilita decompor um sinal distorcido periódico, em senóides e cossenoides,

que se somadas reproduzem o sinal analisado (MELO, 2006).

37

2.1.4 Modalidades tarifarias do Brasil

A regulamentação do setor elétrico Brasileiro, quanto às condições gerais de

fornecimento de energia elétrica, é de responsabilidade da Agência Nacional de Energia

Elétrica (ANEEL), que trata desta matéria na resolução normativa n° 414, de 09 de setembro

de 2010 (ANEEL 2010b). A relação entre consumidores e concessionárias distribuidoras de

energia elétrica quanto a estrutura tarifaria é organizada em subgrupos, modalidades, classes,

subclasses e postos tarifários. Os subgrupos são denominados de “A e B”. O grupo A

compreende as unidades consumidoras atendidas em média e alta tensão, já o grupo “B”

compreende unidades consumidoras atendidos em baixa tensão.

a) Grupo A

O grupo “A” é subdividido em seis subgrupos sendo:

• A1 (tensão ≥230 kV),

• A2 (tensão de 88 kV a 138 kV),

• A3 (tensão 69 kV),

• A3a (tensão de 30 kV a 44 kV),

• A4 (tensão de 2,3 kV a 25 kV) e

• AS (tensão < 2,3 kV).

A tarifação no grupo “A” nas unidades consumidoras com nível de tensão maior ou

igual a 2,3 kV é denominada tarifa binômia, a qual é constituída pela cobrança do consumo de

energia ativa e a demanda de potência faturável. Na resolução 414/2010 da ANEEL (2010b)

para este grupo tem-se três modalidades tarifarias sendo:

• A tarifa convencional binômia que possui tarifa única para o consumo de energia

elétrica e demanda de potência.

• A tarifa horária verde possui tarifas diferenciadas no consumo de energia elétrica, de

acordo com as horas do dia, e uma única tarifa de demanda de potência.

• A tarifa horária azul possui tarifas diferenciadas de consumo de energia elétrica e de

demanda de potência, de acordo com as horas do dia.

Nesta mesma Resolução, está previsto para fins de cobrança, a verificação do fator de

potência de referência (fr), o qual pode ser indutivo ou capacitivo, tendo como limite mínimo

permitido o valor de 0,92. Para apuração do fator de potência capacitivo é considerado um

38

período de seis horas consecutivas, compreendido no intervalo entre 23:30 e 06:30 horas, sendo

considerados somente valores abaixo de 0,92 em intervalos de uma hora.

Para o período diário complementar ao intervalo definido, considera-se o fator de potência

indutivo, com valores inferiores a 0,92 também no período de uma hora.

Para os casos onde o montante de energia elétrica e demanda de potência reativos

excederem os limites estabelecidos, aplica-se as equações (34) e (35) (ANEEL, 2012b).

Energia elétrica reativa excedente (ERE):

1

11

nR

RE T ERET T

fE EEAM VRf=

= × − ×

∑ (34)

Demanda de potência reativa excedente (DRE):

2

1( ) ( )

nR

RE T DRET T

fD p PAM PAF p VRMAX f=

= × − ×

(35)

Onde:

• ERE = 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 horário “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 horário “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 horário fora de ponta, das tarifas de fornecimento

aplicáveis aos subgrupos do grupo A, para a modalidade tarifária horária azul e das TUSD

39

(Tarifa de Uso dos Sistemas de Distribuição) – 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 horário “p”;

• T = indica intervalo de 1 (uma) hora, no período de faturamento;

• p = indica posto horário, 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 o posto

horário de ponta e fora de ponta;

• n2 = número de intervalos de integralização “T”, por posto horário “p”, no período de

faturamento.

b) Grupo B

O grupo “B” é subdividido em quatro subgrupos sendo:

• B1 (residencial),

• B2 (rural),

• B3 (demais classes),

• B4 (iluminação pública).

A tarifação no grupo “B” é caracterizada por tarifas de consumo de energia elétrica

denominada monômia. Para este grupo a ANEEL (2010b) define duas modalidades tarifarias,

uma denominada convencional, com tarifa única ao longo do dia e outra, tarifa horária branca,

que possui tarifas diferenciadas de acordo com as horas de utilização do dia.

Também é previsto na resolução 414/2010 da ANEEL (2010b) o custo de

disponibilidade do sistema elétrico, aplicável ao faturamento mensal do consumidor do grupo

“B” que não atingir consumo mensal de 30 kWh, se monofásico ou bifásico a 2 (dois)

condutores, 50 kWh, se bifásico a 3 (três) condutores e 100 kWh, se trifásico.

No estado de M ato Grosso a resolução vigente no ano de 2016 é a resolução

homologatória n° 2.055 de abril de 2016 a qual traz o resultado do reajuste tarifário anual para

o ano de 2016 contendo tarifas de energia (TE) e tarifas de uso do sistema de distribuição

(TUSD) referentes à Energisa Mato Grosso (ANEEL, 2016c).

40

CAPÍTULO III

MATERIAIS E MÉTODOS


Este capítulo destina-se a apresentar os materiais e métodos empregados no

desenvolvimento deste trabalho. Os estudos foram conduzidos, inicialmente, com o

desenvolvimento via simulador de circuitos eletrônicos PROTEUS, de um protótipo de carga

não linear, o qual, posteriormente, foi implementado em laboratório. Com o protótipo

finalizado, realizaram-se estudos para verificar os efeitos dos chaveamentos eletrônicos perante

os medidores e analisadores de qualidade da energia. Na parte final, procedeu-se com a

modelagem computacional do protótipo, desta vez utilizando o simulador ATPDraw para

analises de QEE complementares dos efeitos do chaveamento eletrônico. Para a validação da

modelagem via ATPDraw foram utilizados os dados colhidos experimentalmente.

3.1.1 Materiais

Neste tópico são apresentados os materiais utilizados nos estudos. Os materiais estão

divididos em dois grupos, um relacionado com os recursos computacionais e outro com os

recursos materiais empregados na implementação do protótipo.

3.1.2 Programas computacionais

Para o desenvolvimento do trabalho de modelagens dos circuitos eletroeletrônicos,

foram utilizados os simuladores PROTEUS e ATPDraw. Para a coleta das grandezas elétricas

registrada nos equipamentos (MARH-21 e FLUKE 434) utilizados nos experimentos

laboratoriais, foram utilizados os programas ANAWIN e POWER LOG fornecidos pelos

fabricantes destes equipamentos.

3.1.2.1 Programas computacionais utilizados nas simulações

a) Programa PROTEUS

41

O programa computacional PROTEUS permite ao usuário a modelagem de circuitos

eletroeletrônicos via Virtual System Modelling (VSM). O programa possui biblioteca própria

de componentes, vinculado a fabricantes de componentes eletrônicos. Os componentes da

biblioteca correspondem as características fornecidas em datasheet pelos fabricantes, como as

dimensões físicas, características elétricas e tipos de invólucros. O programa possui uma única

plataforma, a qual traz três ferramentas distintas, mas, com comunicação constante entre elas,

de forma que uma mudança no esquemático do circuito é executado simultaneamente nos três

aplicativos (AA, 2013). A primeira ferramenta, o Inteligent Schematic Input System (ISIS) é

empregado para o desenvolvimento de circuitos eletro-eletrônicos, a segunda, o Advanced

Routing and Editing Software (ARES) é usada para modelagem da placas de circuito impresso

e a terceira ferramenta, o 3D é usada para visualização da placa de circuito impresso com os

respectivos componentes inseridos pelo usuário dentro do ISIS.

A versão empregada para o desenvolvimento deste trabalho foi o PROTEUS 8.0, cuja

tela principal está reproduzida na Figura 12. As três ferramentas ficam dispostas em abas que o

programa disponibiliza para facilitar o trabalho dentro da plataforma.

Figura 12 - Tela do programa PROTEUS 8.0

Fonte: Própria

Com o programa PROTEUS VSM foram desenvolvidos os circuitos de controle e

potência do protótipo, bem como o layout da placa de circuito impresso, que doravante será

denominado de Dimmer Flex.

42

b) Programa ATPDraw

O programa computacional ATPDraw, de domínio público, permite ao usuário

modelagem e edição de arquivos de circuitos eletroeletrônicos. As modelagens na interface do

programa ocorrem por pré-processamento gráfico, na plataforma MS-Windows por meio da

biblioteca própria disponibilizada, que é formada por componentes empregados na medição das

grandezas elétricas, funções de saída bem como os modelos disponibilizados de fontes, chaves,

linhas de transmissão, cabos, maquinas elétricas, modelos de rotinas MODELS e Transient

Analysis of Control Systems (TACS) onde o usuário, através da interface, pode desenvolver um

novo modelo inexistente na biblioteca, podendo ser um sistema de controle ou componentes

com caraterísticas não lineares, por exemplo (PRIKLER e HØIDALEN, 2009).

A versão do programa para o desenvolvimento deste trabalho foi o ATPDraw 6.1, cujos

ícones disponibilizados estão ilustrados na Figura 13.

Figura 13 - Tela do programa ATPDraw 6.1

Fonte: Própria

A MODELS dentro do programa ATPDraw pode ser entendida como uma rotina de

programação, que possibilita a modelagem voltada para a simulação de sistemas, tanto no

domínio do tempo quanto no domínio da frequência, cujas ferramentas disponibilizadas são

interativas possibilitando estudos e análises (DUBÉ, 1996). Nesta rotina o usuário tem a

possibilidade de controle sobre a programação, via interface que é gerada conforme as entradas

adicionadas na rotina desenvolvida.

43

A TACS possibilita uma modelagem no domínio do tempo de sistemas de controle, via

módulos do programa. Esta rotina possui módulos como: função de transferência, funções

algébricas (somadores, multiplicadores), funções logicas (E, OU), fontes de sinais, chaves,

bloco de entrada e saída de sinal programados em FORTRAN (FILHO e PEREIRA 1996). A

interface entre o circuito e a TACS é estabelecida por troca de sinais, como por exemplo: status

de chaves (aberta ou fechada), valores de resistência, tensão e corrente elétrica.

No programa ATPDraw, os circuitos de potência e controle do protótipo Dimmer Flex

foram modelados utilizando as rotinas TACS e MODELS.

3.1.2.2 Programas computacionais para transferência e análise de dados

a) Programa POWER LOG

O programa computacional POWER LOG, é a interface de comunicação disponibilizada

pelo fabricante FLUKE, o qual possibilita descarregar os dados registrados no instrumento de

medição - tensão, corrente, dentre outros. Este programa permite exportar dados e imagens das

telas capturadas no formado bitmap (FLUKE, 2012).

O programa POWER LOG permite exportar planilhas para o Excel, imprimir tabelas e

gerar relatórios. A versão do programa utilizada para a comunicação com o analisador de

qualidade energia FLUKE 434 foi o POWER LOG 4.4, que possibilita transferir os dados

armazenados do analisador para um computador, para posteriormente tratamento e análise. A

Figura 14, ilustra a tela inicial do programa.

Figura 14 - Tela inicial do programa POWER LOG

Fonte: Própria

44

b) Programa ANAWIN

O programa computacional ANAWIN, é a interface de comunicação dos registradores

fabricados pela RMS, a qual possibilita descarregar os dados registrados, possibilitando analise

por meio de gráficos e relatórios no ambiente Windows (RMS, 2011). A tela inicial do

programa é ilustra na Figura 15.

Figura 15 - Tela inicial do programa ANAWIN

Fonte: Própria

O programa utilizado foi o ANAWIN 4.17 para transferência de dados armazenados na

memória do registrador eletrônico marh-21 para um computador pessoal.

3.1.3 Equipamentos e materiais

Para realização dos experimentos foram utilizados componentes para o

desenvolvimento do protótipo e equipamentos para medição das grandezas elétricas envolvidas

com o dispositivo desenvolvido.

a) Materiais utilizados na montagem do protótipo Dimmer Flex

Para a montagem do protótipo Dimmer Flex foram utilizados os componentes

eletrônicos e materiais conforme descritos na Tabela 1.

45

Tabela 1 - Materiais utilizados na confecção do protótipo Dimmer Flex

Item Descrição Item Descrição

1 Borne 4mm 18 Led 5mm

2 Cabo flexível 0,75 mm² 19 MOSFET IRFP 460

3 Cabo flexível 2,5 mm² 20 Optoacoplador 4N25

4 Caixa plástica 20x20x10cm 21 Placa de circuito impresso

5 Capacitor eletrolítico 1000 uF 22 Ponte retificadora a diodo W08M

6 Capacitor eletrolítico 2200 uF 23 Porta fusível 5x20 mm

7 Capacitor poliéster 100 nF 24 Porta fusível 6x30 mm

8 Capacitor poliéster 250 nF 25 Potenciômetro linear rotativo 10 kΩ

9 Circuito integrado TCA 785 26 Potenciômetro linear rotativo 100 kΩ

10 Conector borne 2 vias 27 Regulador de tensão LM 7812

11 Cooler 12VCC 28 Resistor de carvão 1/4W 10 kΩ

12 Diodo retificador 1N4148 29 Resistor de carvão 1/4W 100 kΩ

13 Dissipador de alumínio 28x30cm 30 Resistor de carvão 1/4W 22 kΩ

14 Fusível de vidro 5x20 mm 1A 31 Resistor de carvão 1/4W 5 kΩ

15 Fusível de vidro 6x30 mm 10A 32 Resistor de fio 150W 110 Ω

16 Interruptor de alavanca 2 polos 33 Solda em fio estanho de 0,05 mm

17 Interruptor de tecla bipolar 6A 34 Transformador 110/220V para 12+12V

Fonte: Própria

b) Materiais e equipamentos utilizados para realizar as medições

Neste item são apresentados os materiais utilizados na montagem laboratorial bem como

na medição das grandezas de interesse, conforme listagem da Tabela 2, com vistas a,

posteriormente, realizar estudos distintos, num primeiro momento para registro das grandezas

de interesse objetivando à validação do modelo computacional e também para o cálculo de

grandezas elétricas de interesse e indicadores de qualidade.

Na Tabela 2 o item denominado de Dimmer Flex, é um conversor CA/CA, que

possibilita o controle manual de tensão sobre uma dada carga acoplada, cujo controle de tensão

é pleno, ou seja, a faixa de controle do ângulo de condução/bloqueio do sinal, varia de 0° até

180° por semiciclo.

46

Tabela 2 - Equipamentos e materiais utilizados na experimentação

Item Descrição Quantidade

01 Analisador de Qualidade de Energia (FLUKE 434) 01

02 Analisador de Qualidade de Energia (MARH-21) 01

03 Dimmer Flex 01

04 Fonte AC Programável (Chroma 61702) 01

05 Medidor de Energia A1055 (Elster) 01

06 Medidor de Energia E34A (Landis+Gyr) 01

07 Medidor de Energia SAGA 750 (Landis+Gyr) 01

08 Medidor de Energia SAGA 3000 (Landis+Gyr) 01

09 Medidor de Energia SL7000 (Actaris) 01

10 Micro Computador (Notebook) 01

11 Osciloscópio Tektronix (MSO 2022B) 01

12 Resistor (110 ohms e 146 watts) 01

Fonte: Própria

Para registro e avaliação dos indicadores de qualidade foram utilizados dois tipos de

analisadores de qualidade da energia, e para medição das grandezas elétricas faturáveis (energia

ativa, fator de potência) foram empregados cinco medidores de energia comerciais, utilizados

pela concessionaria de energia local, os quais se encontram no laboratório de medidas elétricas.

Para garantir um sinal de tensão com características próximas da ideal, foi utilizada uma

fonte AC programável (Chroma 61702). Na verificação da forma de onda de tensão e correntes

demandadas pela carga foi utilizado um osciloscópio com sondas de tensão e corrente elétrica.

Como carga foi utilizado o conjunto formado por um resistor e Dimmer Flex, o qual

controla o fluxo de potência demandado pelo resistor.

Dentre os equipamentos de medição apresentados na Tabela 2 o analisar de qualidade

de energia FLUKE 434 registra a potência aparente e reativa em dois modos de captura (FUND

e FULL). No modo FUND o analisador FLUKE 434 registra as potencias levando em conta tão

somente as componentes fundamentais, enquanto que no modo FULL as potencias são

registradas com sinais até a quinquagésima primeira ordem harmônica.

Os sinais de tensão (Vrms), corrente elétrica (Irms), fator de potência (FP) registrado

pelo equipamento também utilizam sinais até a quinquagésima primeira ordem harmônica. Já

o fator de potência fundamental (DFP) registrado pelo equipamento utiliza somente os sinais

fundamentais.

47

3.2 Método

Neste tópico são abordados os métodos adotados para o desenvolvimento deste trabalho,

voltados para atingir os objetivos propostos. Na primeira etapa são desenvolvidos os circuitos

eletroeletrônicos do protótipo Dimmer Flex via simulação (PROTEUS), na segunda etapa o

protótipo é construído e testado no laboratório, na terceira etapa o protótipo foi modelado

computacionalmente (ATPDraw) e validado com os dados coletados no laboratório de forma

comparativa entre os resultados obtidos. Na quarta etapa são realizadas as análises dos

resultados obtidos em laboratório e simulação computacional.

3.2.1 Etapas seguidas para o desenvolvimento do protótipo

Este item evidencia as diversas etapas que foram seguidas, computacionais e

experimentais, até a montagem e validação do protótipo. A sequência de interações entre os

estudos computacionais e laboratoriais estão organizados no fluxograma ilustrado na Figura 16.

Figura 16 - Fluxograma de interação nas etapas em que os programas são utilizados

Estudos

Validação do modelo

ATPDraw

ARES ISIS

PROTEUS

TACSMODELS

Computacional

Placa de circuito impresso

Modelo Validado

Medição

Laboratorial

Montagem do Protótipo

Montagem doExperimento

POWER LOG

ANAWIN

Interface PC

Análise de QEE

não

sim

Fonte: Própria

48

3.2.2 Desenvolvimento e construção do protótipo

O desenvolvimento e construção do protótipo iniciou-se com estudos de circuitos

eletrônicos existentes comercialmente, os quais embasaram o desenvolvimento dos circuitos de

controle e de potência do protótipo. Para dar início à construção do protótipo foram utilizados

os componentes empregados nos estudos computacionais, de acordo com a sequência descrita

a seguir:

a) Montagem dos componentes em protoboard;

b) Avaliação preliminar do protótipo: logo após a primeira montagem do protótipo,

constatou-se o funcionamento satisfatório do mesmo, portanto, alcançando as

expectativas criadas.

c) Uma vez funcionando satisfatoriamente, o passo seguinte foi a confecção da placa

de circuito impresso. Para tanto, foi utilizado o programa PROTEUS, via ferramenta

ARES, tendo como resultado uma placa, com marcação nas faces anterior e

posterior, com as trilhas e pontos para a fixação dos componentes, conforme

ilustrado na Figura 17 (a) e (b).

Figura 17 - Circuito implementado em placa de circuito impresso do Dimmer Flex

(a)

(b)

Fonte: Própria

Na etapa seguinte foi feita a soldagem dos componentes na placa de circuito impresso,

conforme layout gerado pelo programa. Na sequência, já com a placa finalizada, foi efetuada a

49

última etapa de construção, que corresponde: à acomodação da placa num invólucro, as ligações

externas da placa ao invólucro, instalação de bornes de entrada e saída, instalação dos

potenciômetros, instalação de fusíveis de proteção para os circuitos, instalação de led’s de

sinalização, instalação de cooler e interruptores bipolares para os modos operacionais. Na

Figura 18 mostra-se o protótipo finalizado no invólucro.

Figura 18 - Protótipo do Dimmer Flex

Fonte: Própria

3.2.3 Medições laboratoriais

Para as medições das grandezas elétricas foi montado um arranjo com os materiais

apresentados na Tabela 2. As grandezas monitoradas foram as seguintes: tensão, corrente

elétrica, potência ativa, potência reativa, potência aparente, fator de potência, fator de potência

fundamental, distorção total de tensão e distorção total de corrente. Estas medições

possibilitaram analises dos parâmetros de qualidade da energia, bem como a validação do

modelo computacional. O esquemático das ligações dos materiais utilizados na medição está

ilustrado na Figura 19.

Figura 19 - Arranjo de ligações para as medições

RedeFonte Programável

Medidores de energia

Analisadores de qualidade de energia

Dimmer FlexResistor

Carga

Osciloscópio

Sondas de sinal

Fonte: Própria

50

O arranjo da montagem está ilustrado na Figura 20. A fonte programável foi ajustada

com tensão senoidal de 127 VRMS e frequência de 60Hz, que alimenta a carga, neste trabalho,

considerada como sendo formada pelo Dimmer Flex e o resistor.

Figura 20 - Montagem laboratorial

Fonte Programável

VCA

Dimmer Flex

Osciloscópio

ResistorMedidores de energia elétrica

Analisadores de energia

Notebook

Fonte: Própria

Os medidores de energia elétrica foram ligados em série, já os analisadores de qualidade

da energia e osciloscópio tiveram as sondas de corrente instaladas no circuito sem interrupção

do mesmo, e as respectivas sondas de tensão foram instaladas sobre a carga para capturas dos

sinais elétricos e telas com as formas de onda.

3.2.4 Estudos computacionais via simuladores

Neste item é descrita a forma de implementação do protótipo Dimmer Flex no programa

computacional PROTEUS, cujo circuito é exibido na forma de blocos, cada componente sendo

explanado quanto à sua funcionalidade. No programa ATPDraw é descrita a modelagem do

protótipo Dimmer Flex utilizando as plataformas MODELS e TACS, próprias do programa

ATP.

3.2.4.1 Implementação do Dimmer Flex no programa PROTEUS

Os estudos computacionais iniciaram com o desenvolvimento do protótipo no programa

PROTEUS. Para tanto, foram selecionados, dentro da biblioteca do PROTEUS, os

51

componentes necessários para a implementação dos circuitos do Dimmer Flex, conforme

Tabela 3. Vale registrar que os componentes podem ser inseridos pela palavra-chave.

Tabela 3 - Componentes utilizados na implementação e simulação do Dimmer Flex no PROTEUS

Item Referência Palavra-chave Item Referência Palavra-chave

1 C1 CAP (100 nF) 22 R5 RES (100 Ω)

2 C2 CAP-ELEC (2200 uF) 23 R6 RES (10 kΩ)

3 C3 CAP (250 nF) 24 R7 RES (10 kΩ)

4 C4 CAP-ELEC (1000 uF) 25 R8 RES (10 kΩ)

5 C5 CAP (100 nF) 26 R9 RES (10 kΩ)

6 C6 CAP-ELEC (2200 uF) 27 R10 RES (110 Ω)

7 C7 CAP (250 nF) 28 U1 TCA785

8 C8 CAP-ELEC (1000 uF) 29 U2 4N25

9 C9 CAP (100 nF) 30 U3 4N25

10 D1 1N4148 31 U4 7812

11 D2 1N4148 32 U5 7812

12 D3 1N4148 33 M1 IRFP460

13 D4 1N4148 34 M2 IRFP460

14 PONTE 1 SK202L5 35 FUSÍVEL 1 FUSE (1A)

15 PONTE 2 SK202L5 36 FUSÍVEL 2 FUSE (10A)

16 POT 1 POT-HG (10 kΩ) 37 TR1 TRAN-2P2S

17 POT 2 POT-HG (100 kΩ) 38 TR2 TRAN-2P2S

18 R1 RES (100 kΩ) 39 CH1 SW-DPST



21 R4 RES (100 Ω) 42 CH4 SW-DPST

Fonte: Própria

Vale salientar, que esta tabela foi elaborada para identificar os componentes de acordo

como foi definido no simulador PROTEUS e que correspondem aos componentes constantes

na Tabela 1. Após a seleção dos modelos de elementos descritos na Tabela 3 e as respectivas

montagens, por blocos de circuitos, que compõem o Dimmer Flex obteve-se, como topologia

final, o circuito apresentado na Figura 21, o qual possibilita o controle da corrente nos

semiciclos positivo e negativo.

52

Figura 21 - Circuito do Dimmer Flex separado em blocos

Q2 15

Q2 2

Q1 14

Q1 4

QU 3

QZ 7C1212

VSYNC5

V1111

C1010

R99

INHIBIT6

L13

VREF 8

VS

16

GND

1

U1

TCA785

D11N4148

D21N4148

R1100k

C1100nF R3

22k

POT 2

100k

D3

1N4148

D4

1N4148

R4100

‘’

A

K

C

E

B1

2 4

56

U2

4N25R710k

CARGA

R5100

A

K

C

E

B1

2 4

56

U3

4N25R910k

R610k

R810k

CH1

CH2

CH3

CH4

M1IRFP460

M2IRFP460

VCA

127 V

R25k

POT 1

10k

PONTE1SK202L5

C22200 uF

PONTE2

SK202L5

VI 1VO3

GN

D2

U57812

C62200uF

TR1

TRAN-2P2S TR2

TRAN-2P2S

VI 1VO3

GN

D2

U4

C3250 nF

C41000 uF

C5100 nF

C7250nF

C81000uF

C9100 nF

FUSÍVEL

1A 10A

FUSÍVEL

__Q2

Q2

__Q1

Q1

7812

01B

01A

02 03B

03A

04

Fonte: Própria

Os blocos componentes do protótipo apresentados na Figura 21 são explorados, quanto as

funcionalidades, individualmente nos itens a seguir, elucidando o uso desta topologia.

a) Blocos 01A e 01B - circuito de retificação e de estabilização de sinal VCC

Neste bloco são mostrados os circuitos utilizados para a retificação do sinal, de corrente

alternada para corrente contínua, que alimenta o circuito integrado TCA785 com 12 VCC (Bloco

01A) e também o sinal de gatilhamento das chaves (MOSFET), com sinal de 12 VCC (Bloco

01B).

Os circuitos retificadores foram modelados utilizando os seguintes itens: transformador

abaixador de 127 VCA para 12 VCA, ponte retificadora de onda completa, capacitores

eletrolíticos, capacitores de poliéster, regulador de tensão positivo e fonte VCA, conforme

apresentado na Figura 22.

Figura 22 - Circuito retificador com saída regulada - Bloco 01A - 01B

PONTE 1SK202L5

C22200uF

VI 1VO3

GN

D2

U47812

C3250nF

C41000uF

C5100nF

VCA127V

TR 1

12/127V

Fonte: Própria

53

O transformador TR 1 tem a função de reduzir o sinal da rede de 127 VCA para 12 VCA,

o qual segue para a ponte retificadora, que converte o sinal alternado num sinal contínuo

pulsante. O capacitor C2 se comporta como um filtro de baixa frequência, responsável por

reduzir o ripple do sinal VCC pulsante, enquanto o capacitor C3, C4 e C5 têm a função de filtros

de ruídos.

Ambos os circuitos retificadores empregados no protótipo Dimmer Flex têm a mesma

topologia construtiva, sendo estes montados com regulador de tensão LM7812, para sinais de

saída com 12 VCC positivo.

b) Bloco 02 - circuito de produção de sinal para controle das chaves eletrônicas (MOSFET)

Neste bloco é apresentado o circuito responsável pela amostragem do sinal da rede

(VCA) e também pela produção de pulso para o gatilhamento das chaves eletrônicas. O circuito

de controle de fase TCA785 permite o controle do gatilhamento das chaves eletrônicas

(MOSFET) que ocorre a partir do instante em que o zero do sinal da rede é identificado.

O circuito foi modelado utilizando os seguintes itens: circuito integrado para controle

de fase TCA785, potenciômetros, resistores, capacitor, diodos, fonte VCA e uma fonte VCC,

conforme apresentado na Figura 23. O TCA785, identificado por U1 na Figura 23, tem a função

de controle de fase, em sincronismo com o sinal da fonte CA.

Figura 23 - Circuito gerador de sinal ajustável - Bloco 02

Q2 15

Q2 2

Q1 14

Q1 4

QU 3

QZ 7C1212

VSYNC5

V1111

C1010

R99

INHIBIT6

L13

VREF 8

VS

16

GND

1

U1

TCA785

D11N4148

D21N4148

R1100k

C1100nF R3

22k

POT 2

100k

R25k

POT 1

10k

VCA127V

VCC12V

Fonte: Própria

54

A amostragem do sinal para detecção da passagem por zero do sinal da rede é realizada

através do resistor R1 e diodos D1 e D2. Onde R1 é o responsável por limitar o valor da corrente

elétrica que chega no pino 5 do TCA785 e os diodos D1 e D2, montados em antiparalelo, servem

para garantir que a tensão da fonte CA não ultrapasse 0,7 volts sobre o pino 5 do TCA785,

preservando assim o dispositivo.

Os resistores R2 e R3 têm a função de assegurar uma resistência mínima de operação

do circuito, na situação dos potenciômetros assumirem ajuste de resistência nula.

O potenciômetro POT 2, juntamente com capacitor C1, são responsáveis pela geração e

controle do sinal em rampa, aos quais se têm acesso no pino 10 do TCA785. Já o potenciômetro

POT 1 controla o sinal CC que é acessado no pino 11 do TCA785. Este sinal é comparado com

o sinal de rampa e, na intersecção destes dois sinais, o TCA785 libera pulsos de sinal nos pinos

de saída 14 (Q1) ou 15 (Q2). Nesta configuração do TCA785, os pulsos de sinal referentes aos

semiciclos negativo e positivo incidem, respectivamente, nos pinos 14 (Q1) e 15 (Q2) do

TCA785.

O controle do ângulo de atraso (α) do TCA785 é realizado pelo potenciômetro (POT 1).

Como exemplo de caso, mostra-se na Figura 24 a produção de sinal conforme topologia

modelada na Figura 23. Neste exemplo, o circuito de amostragem do sinal do TCA785 detecta

a passagem do sinal de referência senoidal pelo zero e libera o início do sinal de rampa,

conforme regulagem do POT 2.

Para o caso do semiciclo negativo, no ponto de intersecção dos sinais de rampa (pino 10

do TCA785) e do ajuste do ângulo de atraso (α) (pino 11 do TCA785) é o instante em que ocorre

o início do pulso, em 270°. Para o ciclo positivo, o processo ocorre de forma análoga, porém,

com uma defasagem de 180º. Dessa forma, as saídas do TCA785, pinos 14 (Q1) ou 15 (Q2) são

levadas ao nível alto até o termino dos respectivos semiciclos, devido ao pino 12 estar aterrado.

Figura 24 - Forma de onda nos pinos do TCA 785

Pino 11

Pino 14 Q1

Pino 15 Q2

Pino 10

180° 360°0° 90º 270°

α

α 180° 360°0° 90º 270°

180° 360°0° 90º 270°

180° 360°0° 90º 270°

Ângulo ( °)

Tensão (V)

Fonte: Própria

55

c) Blocos 03A e 03B - circuito de isolação e inversão de sinal para controle das chaves

eletrônicas

Este bloco é constituído por dois blocos, definidos como Bloco 03A e Bloco 03B, sendo

o primeiro projetado para operar no semiciclo positivo e o segundo no semiciclo negativo.

Nestes blocos, apresenta-se os circuitos responsáveis pela isolação, envio e inversão dos sinais

gerados pelo TCA785, destinados ao gatilhamento das chaves eletrônicas (MOSFET).

O circuito foi modelado utilizando os seguintes itens: fontes de geração de pulso

(TCA785), fonte VCC, diodos, resistores, optoacoplador e interruptor bipolar, conforme

apresentado na Figura 25.

Figura 25 - Circuito de isolação e modos de chaveamento - Bloco 03A e 03B

D3

1N4148

D4

1N4148

R4100

A

K

C

E

B1

2 4

56

U2

4N25R710k

R5100

A

K

C

E

B1

2 4

56

U3

4N25R9

10k

R610k

R810k

CH1

CH2

CH3

CH4

VCC

12V

Q2TCA785

Q1TCA785

__Q2

Q2

__Q1

Q1

G1

S

S

G2

Fonte: Própria

Os diodos D3 e D4 têm a função de garantir o envio de sinal do TCA785 em um único

sentido; os resistores R4 e R5 têm a função de limitar a corrente demandada pelos

optoacopladores na entrada do dispositivo. Os optoacopladores U2 e U3 têm a função de isolar

eletricamente os sinais produzidos nas fontes retificadoras de 12 VCC. Os resistores R6 e R8

têm a função de limitar a corrente nos optoacopladores, na saída do dispositivo. Já os resistores

R7 e R9 têm a função de divisor de tensão.

Os interruptores CH1, CH2, CH3 e CH4, operados manualmente, podem ser acionados

independentemente uns dos outros em várias combinações possíveis, como apresentado na

Tabela 4. Interruptores fechados são representados pelo número um (1) e abertos por zero (0).

56

Tabela 4 - Modos operação do Dimmer Flex em função da combinação dos interruptores CHi Modos

Interruptor

A B C D E F G H I J K L M N O P

CH1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

CH2 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

CH3 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

CH4 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

Fonte: Própria

Os interruptores CH1 e CH2, quando acionados de forma independente, possibilitam o

controle de sinal no semiciclo positivo da rede. O interruptor CH1 tem início de condução em

0° e controle até 180°, já o interruptor CH2 tem início de condução em 180° e controle até 0°

conforme mostram as setas de controle apresentadas na Figura 26.

Para semiciclo negativo tem-se os interruptores CH3 e CH4 que quando acionados de

forma independente, possibilitam o controle de sinal. O interruptor CH3 tem início de condução

em 180° e controle até 360°, enquanto o interruptor CH4 tem início de início de condução em

360° e controle até 180° conforme indicam as setas apresentadas na Figura 26.

Figura 26 - Controle de operação por semiciclo conforme modo de operação dos interruptores CHi

360°0° 90° 270°

CH1

CH2

180°

CH3

CH4

Ângulo ( °)

Tensão (V)

Fonte: Própria

Os interruptores CH1 e CH3, CH2 e CH4 permitem a operação nas funções

denominadas de inversora e seguidora, respectivamente. Na função seguidora, a condução das

chaves M1 e M2 ocorrem de acordo com o ajuste do ângulo (α) produzido pelo TCA785.

Vale destacar, que a operação do Dimmer Flex nas funções seguidora e inversora, tem

por finalidade o comando do circuito de potência do dispositivo, cujo detalhamento é feito ao

longo deste capítulo.

57

A função seguidora é elucidada por meio de um exemplo, para tanto, definem-se quatro

intervalos, de mesma duração, conforme ilustra a Figura 26 (x1 de 0° a 90°, x2 de 90° a 180°,

x3 de 180° a 270° e x4 de 270° a 360°). A condução da chave M1 na função seguidora

(semiciclo positivo) foi definida para ocorrer no período x2 e bloqueio em x1. Já a condução

de M2 na função seguidora (semiciclo negativo) foi definida para ocorrer em x4 e bloqueio em

x3.

Na Figura 27 está ilustrado o intervalo x1 (0° a 90°) onde a saídas (pino 14 e 15) do

TCA785 possuem nível baixo. Os interruptores CH2 e CH4 estão fechados (modo F, Tabela 4)

possibilitando que o sinal negativo de VCC2 chegue através de R7 e R9, aos gatilhos de M1 e

M2, desligando o circuito de potência. No intervalo x2 (90° a 180°) o optoacoplador U2 satura

e M1 conduz, enquanto que M2 permanece desligada. Em x3 (180° a 270°) M1 e M2

permanecem desligadas e por fim em x4 (270° a 360°) o optoacoplador U3 satura, M2 conduz

e M1 permanece desligada até que se inicie um novo ciclo.

Figura 27 - Protótipo operando na função seguidora

R4A

K

C

E

B

U2

R7

R5

A

K

C

E

B

U3

R9

R6

R8

CH1

CH2

CH3

CH4

M1

M2

D4

D3

VCA

POT1

C1R3

R2

VCC1VCC2

POT2

D1 D2R1

CARGA

Pino 15 Q2α

360°0° 90º 270°

x1

180°

x2 x3 x4Pino 14

Q1α

360°0° 90º 270°

x1

180°

x2 x3 x4

Fonte: Própria

Já a função inversora, representa o complemento do ângulo (α), gerando assim o sinal

𝑄𝑄 (sinal negado) das saídas 14 e 15 do TCA785. Tomado como exemplo a mesma situação

anterior a condução de M1 na função inversora (semiciclo positivo) ocorre em x1 e bloqueio

em x2. A condução de M2 na função inversora (semiciclo negativo) ocorre em x3 e o bloqueio

em x4. Com os interruptores CH1 e CH3 fechados (modo K, Tabela 4) no intervalo x1 (0° a

90°) o sinal positivo de VCC2 chega aos gatilhos de M1 e M2, acionando o circuito de potência.

58

No intervalo x2 (90° a 180°) o optoacoplador U2 satura e M1 bloqueia, enquanto que M2

permanece conduzindo. Em x3 (180° a 270°) M1 e M2 conduzem, e por fim em x4 (270° a

360°) o optoacoplador U3 satura e M2 não conduz e M1 continua conduzindo até que se inicie

o próximo ciclo.

d) Bloco 04 - circuito de potência do Dimmer Flex

Neste bloco é apresentado o circuito de potência desenvolvido para o Dimmer Flex. O

circuito foi modelado utilizando os seguintes itens: fontes de pulso (Q1 e Q2), fonte VCA, carga

fusível e chaves eletrônicas (MOSFET) conforme ilustrado na Figura 28. Para a proteção do

circuito de potência foi utilizado fusível.

Figura 28 - Circuito de potência do Dimmer Flex - Bloco 04

FUSIVEL

CARGA

M1IRFP460

M2IRFP460

10A

VCA127V

Q2

Q1

G1

G2

S

Fonte: Própria

As chaves M1 e M2 (MOSFET) têm a função de controlar a tensão média sobre a carga.

A chave M1 controla a tensão do semiciclo positivo, de acordo com os pulsos gerado pelo

TCA785 e configuração dos interruptores CH1 e CH2, como apresentado na Tabela 4. De forma

análoga, a chave M2 controla o semiciclo negativo do sinal CA.

Uma vez descrita a montagem dos diversos blocos componentes dos circuitos de

controle e potência, no item relacionado com a simulação, todos os blocos são conectados para

realizar a simulação e verificações dos sinais do controle, com as respectivas formas de onda

via oscilogramas que os programas disponibilizam.

3.2.4.2 Implementação do Dimmer Flex no programa ATPDraw

Para a implementação do Dimmer Flex no simulador ATPDraw, foram utilizadas a

rotina MODELS e a rotina TACS, conforme já mencionado.

59

a) Implementação utilizando a rotina MODELS

Para a implementação e simulação do Dimmer Flex na rotina MODELS, inicialmente,

foram selecionados todos os componentes necessários dentro da biblioteca do programa. A

partir desse ponto, o circuito foi “construído” utilizando os seguintes itens: sw_tacs, swmeas,

model default, resistor e fonte acsource. A montagem final do circuito o Dimmer Flex com os

componentes está ilustrado na Figura 29 (a).

Para facilitar o uso do circuito, foi criado um ícone representativo, conforme

apresentado na Figura 29 (b). O algoritmo desenvolvido para os modos de operação A, F e K

do Dimmer Flex, em linguagem MODELS se encontra no Apêndice A deste trabalho.

Figura 29 - Dimmer Flex em MODELS

(a)

(b)

Fonte: Própria

A inserção de valores/estado para as variáveis de interesse (frequência, ângulo, CH1,

CH2, CH3 e CH4) é realizada por meio de uma tela disponibilizada pelo simulador, conforme

ilustrado na Figura 30.

Figura 30 - Janela de ajustes no algoritmo do Dimmer Flex em MODELS

Fonte: Própria

60

O dado denominado “ângulo”, na figura anterior, foi implementado na programação,

com a finalidade de possibilitar o controle do sinal de tensão aplicada à carga acoplada ao

Dimmer Flex, podendo ser ajustada de 0° a 180°. Os interruptores CH1, CH2, CH3 e CH4

recebem uma lógica de operação para gatilhamento do Dimmer Flex, de acordo com os modos

de operação a seguir conforme Tabela 4:

• Modo A (CH1=0, CH2=0, CH3=0 e CH4=0);

• Modo F (CH1=0, CH2=1, CH3=0 e CH4=1);

• Modo K (CH1=1, CH2=0, CH3=1 e CH4=0).

b) Implementação utilizando a rotina TACS

Para a implementação e simulação do Dimmer Flex via rotina TACS, inicialmente

foram selecionados todos os itens necessários dentro da biblioteca do programa. O circuito foi

modelado utilizado os seguintes itens: sw_tacs, diode, pulse03, resistor e fonte acsource. A

montagem final do circuito o Dimmer Flex com os componentes está ilustrado na Figura 31 (a)

que, posteriormente, foi comprimido em um bloco como ilustra a Figura 31 (b).

Figura 31 - Dimmer Flex em TACS

(a)

(b)

Fonte: Própria

No circuito de potência construído via TACS, o Dimmer Flex possui duas chaves (M1

e M2) montadas em anti-série. Cada chave possui um diodo em anti-paralelo conforme se vê

na Figura 31. O controle de abertura e fechamento das chaves M1 e M2 é realizada na fonte de

pulso_03, onde os parâmetros são inseridos via janela do componente, que possui as variáveis

de controle da fonte de maneira que o usuário possa alterar de acordo com o desejado dentro

do que está disponibilizado pelo programa (amplitude do sinal, período do sinal, tempo de

duração de pulso, tempo de início de pulso e tempo de parada de pulso).

61

O ajuste de condução e bloqueio de sinal é realizado com variáveis de tempo, sendo

estas inseridas em “segundos”, controlando a duração do sinal, e início do mesmo, conforme

exemplo ilustrado na Figura 32 (a) e (b) para os semiciclos positivo e negativo, respectivamente.

Figura 32 - Janela de configuração da fonte PULSE_03

(a)

(b)

Fonte: Própria

62

CAPÍTULO IV

RESULTADOS LABORATORIAIS E DISCUSSÕES


Este capítulo destina-se a apresentar 4 tipos de configuração do Dimmer Flex, que

servem para ilustrar a operação do mesmo. Os casos que são apresentados ilustram os modos

de operação sem chaveamento (a), na função seguidora (F), função inversora e seguidora (G)

e. por último, a função inversora (K), conforme visto, atuando sobre um resistor, com as

respectivas das grandezas de interesse medidas em laboratório.

4.1.1 Dimmer Flex modo operacional A

No modo operacional A do Dimmer Flex, todos os interruptores manuais CHi estão

desligados, inibindo o controle de chaveamento eletrônico do sinal de corrente demandada pelo

resistor conectado ao Dimmer Flex. Nesta condição operativa tem-se o sinal de corrente

senoidal, conforme registrado pelo osciloscópio e ilustrado na Figura 33.

Figura 33 - Tela do osciloscópio dos sinais de tensão e corrente - modo operacional A

Fonte: Própria

Com o analisador de energia FLUKE 434 foram registradas as potências ativa 140 W,

aparente 140 VA, e reativa 0 Var, fator de potência 1, fator de potência fundamental 1 e corrente

elétrica 1,1 A, nos modos de captura FULL e FUND conforme Figura 34 (a) e (b),

respectivamente.

63

Figura 34 - Telas de grandezas elétricas em FULL e FUND - modo operacional A

(a)

(b)

Fonte: Própria

Como esperado, as telas de captura FULL e FUND não apresentaram diferenças nas

grandezas medidas, uma vez que o sinal imposto foi senoidal. Corroborando esta constatação,

mostra-se, na Figura 35 (a) e (b), cujos histogramas de tensão e corrente verifica-se um baixo

conteúdo de componentes harmônicas sendo DTT (THDV) 0,1% e DTI (THDI) 0,5%.

Figura 35 - Telas de distorção harmônica total de tensão (a) e corrente elétrica (b)

- modo operacional A

(a)

(b)

Fonte: Própria

Salienta-se que a fonte programável utilizada disponibilizou um sinal de tensão com

DTT (THDV) praticamente nulo (0,1 %) que resultou num DTI (THDI) de 0,5% de distorção.

As formas de onda de tensão e corrente envolvidas estão ilustradas na Figura 36 (a) e o

correspondente diagrama fasorial com sinais, fundamental defasados de 1° na Figura 36 (b).

64

Figura 36 - Telas de forma de onda e diagrama fasorial dos sinais de tensão e corrente fundamental -

modo operacional A

(a)

(b)

Fonte: Própria

Os componentes harmônicos da tensão e corrente foram obtidos por meio do analisador

de energia MARH-21, conforme ilustra a Figura 37 (a) e (b), respectivamente. Nota-se que o

ângulo do componente fundamental da tensão é de 359,97° e da corrente de 0,82°, o que resulta

numa defasagem de 0,85°, corroborando com os dados apresentados na Figura 36 (b) cuja

defasagem é de 1°, que se aproxima deste valor.

Figura 37 - Componentes harmônicos de tensão e corrente com MARH-21 - modo operacional A

(a)

(b)

Fonte: Própria

65

4.1.2 Dimmer Flex modo operacional F

No modo operacional “F” os interruptores manuais CH2 e CH4 estão fechados,

permitindo controle nos semiciclos positivo e negativo sobre o resistor conectado ao Dimmer

Flex. A condução do sinal tem início em 0° e 180°, já o bloqueio foi realizado próximo a 90°

conforme Figura 38, mas poderia ser realizado em qualquer ângulo dentro do semiciclo.

Figura 38 - Tela do osciloscópio dos sinais de tensão e corrente - modo operacional F

Fonte: Própria

Neste modo operacional as telas de captura FULL Figura 39 (a) e FUND Figura 39 (b)

apresentaram diferenças nas potências aparente e reativa devido ao método de captura

configurado, que leva em consideração as harmônicas presentes nos sinais elétricos (FULL).

Figura 39 - Telas de grandezas elétricas em FULL e FUND - modo operacional F

(a)

(b)

Fonte: Própria

66

Os modos FULL e FUND registraram as mesmas magnitudes para potência ativa (70W),

FP (0,7), FP1(0,83), e corrente (0,8). Neste modo operacional o analisador de energia registrou

potência reativa capacitiva nos dois modos de captura. Sendo registrado no modo FULL 70 Var

e no modo FUND 50 Var, já a potência aparente foi 100 VA e 80 VA respectivamente FULL e

FUND. A distorção harmônica total de tensão teve registro de 0,4 % conforme Figura 40 (a), e

na corrente, registro de 64,7 % conforme na Figura 40 (b).

Figura 40 - Telas de distorção harmônica total de tensão e corrente elétrica, modo operacional F

(a)

(b)

Fonte: Própria

Foi capturada a forma de onda de tensão e corrente conforme Figura 41 (a) e diagrama

fasorial entre o sinal de tensão e corrente fundamental conforme Figura 41 (b), apresentando

34° de defasagem entre os sinais, indicando que a carga possui características capacitivas.


modo operacional F

(a)

(b)

Fonte: Própria

67

De maneira análoga ao caso anterior, para o modo de operação em tela foram registrados

os componentes harmônicos da tensão e corrente conforme ilustrados na Figura 42 (a) e (b),

respectivamente. O ângulo da componente fundamental da tensão foi 0,75°, e da corrente e

34,85° o que resulta em uma defasagem entre os sinais, fundamental de 34,10° corroborando

com os dados apresentados na Figura 41 (b) cuja defasagem é de 34°.

Figura 42 - Componentes harmônicos de tensão e corrente com MARH-21- modo operacional F

(a)

(b)

Fonte: Própria

Complementarmente aos valores dos componentes harmônicos de corrente, na Figura

43 é apresentado o espectro harmônico da corrente obtido com auxílio do analisador de energia

MARH-21. Observa-se a existência de harmônicas de ordem ímpar e par.

Figura 43 - Espectro harmônico da corrente via analisador de energia MARH-21 modo operacional F

Fonte: Própria

68

4.1.3 Dimmer Flex modo operacional G

No modo operacional “G” os interruptores CH2 e CH3 estão fechados, permitindo

controle nos semiciclos positivo e negativo sobre o resistor conectado ao Dimmer Flex. A

condução do sinal ocorre em dois momentos: 0° a 90° no semiciclo positivo e 270° a 360° no

semiciclo negativo, conforme ilustra a Figura 44.

Figura 44 - Tela do osciloscópio dos sinais de tensão e corrente - modo operacional G

Fonte: Própria

No modo de captura FULL, Figura 45 (a) e FUND, Figura 45 (b), a potência ativa foi

de 70 W, fator de potência 0.7, fator de potência fundamental 1.0 e corrente 0.8 A. Já a potência

reativa no modo FULL 70 Var e no modo FUND 0 Var, indicando característica resistiva.

Figura 45 - Telas de grandezas elétricas em FULL e FUND - modo operacional G

(a)

(b)

Fonte: Própria

69

A distorção harmônica total de tensão teve registro de 0,4 % conforme Figura 46 (a) e a

corrente registro de 100,6 % com presença de componentes harmônicos par devido o sinal não

apresentar simetria entre os semiciclos, conforme ilustra a Figura 46 (b).

Figura 46 - Telas de distorção harmônica total de tensão e corrente elétrica - modo operacional G

(a)

(b)

Fonte: Própria

Foi capturada a forma de onda de tensão e corrente conforme Figura 47 (a) e diagrama

fasorial entre o sinal de tensão e corrente fundamental conforme Figura 47 (b), apresentando 1°

de defasagem entre os sinais de tensão e corrente.


modo operacional G

(a)

(b)

Fonte: Própria

Os componentes harmônicos da tensão e corrente obtidos estão ilustrados na Figura 48

(a) e (b) respectivamente. O ângulo do componente fundamental da tensão foi 0,38°, e da

70

corrente e 1,96° o que resulta em uma defasagem entre os sinais de 1,58°, valor este aproximado

com os dados apresentados na Figura (b) cuja defasagem é de 1°.

Figura 48 - Componentes harmônicos de tensão e corrente com MARH-21- modo operacional G

(a)

(b)

Fonte: Própria

Na Figura 49 é apresentado o espectro harmônico da corrente obtido com o analisador

de energia MARH-21, no qual observa-se valores significativo na ordem de harmônicos par,

indicando que os sinais dos semiciclos positivo e negativo não são simétricos.

Figura 49 - Espectro harmônico da corrente via analisador MARH-21 - modo operacional G

Fonte: Própria

71

4.1.4 Dimmer Flex modo operacional K

No modo “K” os interruptores CH1 e CH3 estão fechados, permitindo controle em

ambos semiciclos assim como no modo “F”. A condução de sinal foi iniciada próximo de 90°

e 270° e interrompida na passagem por zero, (180° e 360°) em ambos semiciclos conforme

Figura 50 da tela do osciloscópio.

Figura 50 - Tela do osciloscópio dos sinais de tensão e corrente - modo operacional K

Fonte: Própria

Como no modo operacional “F” as telas de captura FULL Figura 51 (a) e FUND Figura

51 (b) apresentaram diferenças nas potencias aparente e reativa enquanto que as demais

grandezas registraram a mesma magnitude.

Figura 51 - Telas de grandezas elétricas em FULL e FUND - modo operacional K

(a)

(b)

Fonte: Própria

72

No modo operacional “K” o analisador de energia registrou potência ativa 70 W, fator

de potência 0.71, fator de potência fundamental 0,85 e corrente 0,8 A em ambos modos de

captura. Já as potências reativas foram 70 Var e 40 Var, e as aparentes 100 VA e 80 VA

respectivamente nos modos FULL e FUND. A distorção harmônica total de tensão teve registro

de 0,3 % conforme Figura 52 (a), e na corrente, registro de 65,0 % conforme na Figura 52 (b).

Figura 52 - Telas de distorção harmônica total de tensão e corrente elétrica - modo operacional K

(a)

(b)

Fonte: Própria

As formas de onda de tensão e corrente foram capturadas conforme ilustra a Figura

53 (a), e diagrama fasorial entre o sinal de tensão e corrente fundamental conforme Figura 53

(b) registrou uma defasagem entre os sinais de -32°.


modo operacional K

(a)

(b)

Fonte: Própria

73

Com o analisador de energia MARH-21 foram registrados os componentes harmônicos

da tensão e corrente conforme ilustra a Figura 54 (a) e (b) respectivamente. O ângulo da

componente fundamental da tensão foi de 0,93° e da corrente de 329,15° °, o que resulta em

uma defasagem entre os sinais de -31,78° corroborando com os dados apresentados na Figura

53 (b) cuja defasagem é de -32°.

Figura 54 - Componentes harmônicos de tensão e corrente com MARH-21 - modo operacional K

(a)

(b)

Fonte: Própria

Na Figura 55 é apresentado o espectro harmônico da corrente medido com o analisador

de energia MARH-21, no qual observa-se majoritariamente harmônicas ímpar.

Figura 55 - Espectro harmônico da corrente via analisador MARH-21 - modo operacional K

Fonte: Própria

74

Na Tabela 5 são apresentados os resultados dos quatro modos de operação do Dimmer

Flex sendo destacado na tabela o FP para comparação com os medidores de energia utilizados.

Tabela 5 - Resumo das medições nos quatros modos de operação do Dimmer Flex com Fluke 434

Grandeza A F G K

U (Vrms) 127,00 127,00 127,00 127,00

I (Arms) 1,10 0,80 0,80 0,80

FP 1,00 0,70 0,70 0,71

FP1 1,00 0,83 1,00 0,85

DTT (%) 0,10 0,40 0,40 0,30

DTI (%) 0,50 64,70 100,60 65,00

S (VA) 140,00 100,00 100,00 100,00

P (W) 140,00 70,00 70,00 70,00

Q (VAr) 0,00 -70,00 70,00 70,00

S1 (VA) 140,00 80,00 70,00 80,00

P1 (W) 140,00 70,00 70,00 70,00

Q1 (VAr) 0,00 -50,00 0,00 40,00

Fonte: Própria

Na Figura 56 (a) e (b) são apresentadas imagens dos displays dos medidores de energia

(Saga 750, SL7000 e Saga 3000 respectivamente) com os valores do FP e as respectivas

características (indutiva ou capacitiva) da carga, para os modos operacionais F e K

respectivamente. Os valores medidos do FP, apontam que estão sendo utilizados os sinais

distorcidos da carga (Dimmer Flex + resistor) para a verificação do FP conforme dados

apresentados na Tabela 5 do Fluke 434.

Figura 56 – Foto dos displays dos medidores de energia: Saga 750, SL7000 e Saga 3000

(a)

(b)

Fonte: Própria

75

CAPÍTULO V

RESULTADOS COMPUTACIONAIS E DISCUSSÕES


Neste capítulo são apresentados os estudos realizados com o circuito computacional

implementado do protótipo Dimmer Flex, valendo-se dos programas PROTEUS e ATPDraw.

Na modelagem no programa PROTEUS os estudos englobam os dezesseis modos operacionais

que o dispositivo possibilita, para tanto, são avaliadas as formas de onda de corrente e tensão.

Para o caso do uso do programa ATPDraw, apenas quatro modos operacionais são

contemplados: A, F, G e K, e a avaliação também é feita por meio da observação e análise das

formas de onda de tensão e corrente no ponto de conexão entre a carga e fonte de alimentação.

Para a coleta de dados das grandezas elétricas foi implementado um algoritmo pautado na teoria

da IEEE Std 1459-2010, na rotina MODELS.

A modelagem no programa ATPDraw é validada por meio de comparação entre os

valores da simulação e os dados coletados nas medições laboratoriais, e por fim é realizada uma

análise dos impactos financeiros que o chaveamento eletrônico pode causar.

Simulação do Dimmer Flex no programa PROTEUS

Com o uso do programa PROTEUS são apresentadas as formas de onda de tensão e

corrente dos 16 modos operacionais. Para tanto a carga é considerada como o conjunto formado

pelo Dimmer Flex e resistor conforme ilustra a Figura 57.

Figura 57 - Circuito do Dimmer Flex.

Q2 15

Q2 2

Q1 14

Q1 4

QU 3

QZ 7C1212

VSYNC5

V1111

C1010

R99

INHIBIT6

L13

VREF 8

VS

16

GND

1

U1

TCA785

D11N4148

D21N4148

R1100k

C1100nF R3

22k

POT 2

100k

D3

1N4148

D4

1N4148

R4100

‘’

A

K

C

E

B1

2 4

56

U2

4N25R710k

Resistor

R5100

A

K

C

E

B1

2 4

56

U3

4N25R910k

R610k

R810k

CH1

CH2

CH3

CH4

M1IRFP460

M2IRFP460

VCA

127 V

R25k

POT 1

10k

PONTE1SK202L5

C22200 uF

PONTE2

SK202L5

VI 1VO3

GN

D2

U57812

C62200uF

TR1

TRAN-2P2S TR2

TRAN-2P2S

VI 1VO3

GN

D2

U4

C3250 nF

C41000 uF

C5100 nF

C7250nF

C81000uF

C9100 nF

FUSÍVEL

1A 10A

FUSÍVEL

__Q2

Q2

__Q1

Q1

7812

Fonte: Própria

76

Na Figura 58 estão ilustradas as formas de onda de tensão e corrente resultantes dos

modos operacionais do Dimmer Flex, dos quais são explanados os modos A, F, G e K.

No modo “A” todos os interruptores estão abertos, inibindo o controle de chaveamento

do sinal de corrente demandada pela carga conectada ao Dimmer Flex, assim tem-se um sinal

de corrente senoidal conforme ilustrado na Figura 58 (A).

Figura 58 - Formas de onda de tensão e corrente modos operacionais do Dimmer Flex

(A) (B) (C) (D) Tensão Corrente

Tensão Corrente

Tensão Corrente

Tensão Corrente

(E) (F) (G) (H)

Tensão Corrente

Tensão Corrente

Tensão Corrente

Tensão Corrente

(I) (J) (K) (L) Tensão Corrente

Tensão Corrente

Tensão Corrente

Tensão Corrente

(M) (N) (O) (P) Tensão Corrente

Tensão Corrente

Tensão Corrente

Tensão Corrente

Fonte: Própria

77

No modo “F” os interruptores CH2 e CH4 estão fechados, permitindo controle nos

semiciclos positivo e negativo sobre o resistor conectado ao Dimmer Flex. A condução do sinal

tem início em 0° e 180°, já o bloqueio pode ser realizado em qualquer ângulo dentro do

semiciclo. Como exemplo na Figura 58 (F) o bloqueio de sinal foi realizado em 90° e 270°.

No modo “G” os interruptores CH2 e CH3 estão fechados, a condução do sinal tem

início em 0° e 360°, já o bloqueio pode ser realizado a qualquer tempo dentro do semiciclo.

Como exemplo na Figura 58 (G) o bloqueio de sinal foi realizado em 90° e 360°.

Por fim, no modo operacional “K” os interruptores CH1 e CH3 estão fechados,

permitindo controle em ambos semiciclos assim como no modo “F”. Como no caso anterior

este tipo de chave (MOSFET) permite condução a qualquer instante dentro do semiciclo. O

bloqueio do sinal tem início nos instantes correspondentes a 0° e 180°. A título de exemplo, na

Figura 58 (K) a condução de sinal foi iniciada em 90° e 270° e interrompida na passagem por

zero, (180° e 360°), em ambos semiciclos.

Simulação do Dimmer Flex no ATPDraw

Com a modelagem do Dimmer Flex concluída, iniciou-se as simulações e verificações

das grandezas elétricas - formas de onda da corrente e tensão no ponto de conexão entre a carga

e fonte de alimentação. Seguindo a mesma metodologia utilizada com simulador PROTEUS,

nesta seção, também são apresentados estudos dos quatro modos de operação (A, F, G e K).

Vale reforçar, que a carga é o conjunto composto pelo Dimmer Flex e resistor de 110

ohms, suprida com tensão nominal de 127 V e frequência de 60 Hz. A Figura 59 ilustra a

configuração do circuito utilizado para realizar os estudos computacionais. Neste caso, para o

registro das grandezas elétricas foi implementado um medidor de grandezas elétrica, tendo por

base a teoria da IEEE Std 1459-2010, utilizando a linguagem Models. O equacionamento

utilizado encontra-se no Apêndice B deste trabalho.

Figura 59 - Circuito com Dimmer Flex e medição no ATPDraw

Fonte: Própria

Para os quatro modos (A, F, G e K) de chaveamentos do Dimmer Flex, foram plotados

os gráficos de V, I, S, P, Q1, N, FP, FP1 e o espetro harmônico de corrente em “pu”.

78

5.1.2.1 Chaveamento Dimmer Flex no modo operacional A

No modo operacional A (CH1=0; CH2=0; CH3=0; CH4=0) o Dimmer Flex não tem

nenhum efeito sobre o sinal da corrente elétrica demandada pelo resistor, e consequentemente,

a forma de onda da corrente é senoidal, conforme Figura 60. A corrente elétrica demandada

pela carga atinge um valor de pico de 1,63 A ou 1,15 A eficaz.

Figura 60 - Forma de onda de tensão e corrente no modo operacional A

0,00 2,08 4,16 6,24 8,33 10,41 12,49 14,57 16,66Tempo [ms]

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200[V]

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0[A]Tensão Corrente

Fonte: Própria

Como pode se verificar na Figura 60 os sinais são senoidais, resultado das caraterísticas

lineares e, neste caso, puramente resistiva. Em decorrência disto, na Figura 61 pode-se observar

que a potência ativa tem mesma magnitude da potência aparente (146,63 VA) em consequência,

a potência reativa Q1 e não ativa N apresentam valores nulos.

Figura 61 - Potências elétrica no modo operacional A

0,00 2,08 4,16 6,24 8,33 10,41 12,49 14,57 16,66Tempo [ms]

0

20

40

60

80

100

120

140

160[VA; W; VAr] S NP Q1

Fonte: Própria

79

Nesta configuração o fator de potência e o fator de potência fundamental medidos

possuem valores iguais a 1,0 conforme pode se constatar na Figura 62, o que reforça a

característica resistiva da carga.

Figura 62 - Fator de potência e potência fundamental no modo operacional A

0,00 2,08 4,16 6,24 8,33 10,41 12,49 14,57 16,66Tempo [ms]

FP1 FP

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Fonte: Própria

5.1.2.2 Chaveamento Dimmer Flex no modo operacional F

No modo operacional F (CH1=0; CH2=1; CH3=0; CH4=1), o Dimmer Flex atua sobre

o sinal da corrente elétrica demandada pelo resistor, e, consequentemente, a forma de onda da

corrente não é senoidal conforme mostra a Figura 63. O Dimmer Flex foi ajustado para bloqueio

em 90° e 270°. A corrente elétrica demandada pela carga alcançou o mesmo valor do caso

anterior – corrente de pico de 1,63 A, porém, a corrente eficaz é de 0,81 A.

Figura 63 - Forma de onda de tensão e corrente no modo operacional F

0,00 2,08 4,16 6,24 8,33 10,41 12,49 14,57 16,66Tempo [ms]

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200[V]

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5


Fonte: Própria

80

Como pode se verificar na Figura 63 a forma de onda da corrente não apresenta

característica senoidal. Por meio da decomposição em série de Fourier, disponibilizada no

programa ATPDraw, pode-se verificar que a componente fundamental da corrente, encontra-se

adiantada do sinal da tensão fundamental, cujo valor de pico atinge 0,97 A, adiantada de 32,5º

da tensão fundamental, conforme ilustra a Figura 64.

Figura 64 - Forma de onda fundamental da tensão e corrente

0,00 2,08 4,16 6,24 8,33 10,41 12,49 14,57 16,66Tempo [ms]

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200[V]

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0[A]Tensão fund Corrente fund

Fonte: Própria

Na Figura 65 é apresentado o espectro harmônico da corrente em “pu”, obtida com a

função FOUR do ATPDraw, correspondente ao modo F, no qual observa-se a predominância

das harmônicas ímpares, até a 51° ordem.

Figura 65 - Espetro harmônico da corrente em pu

Fonte: Própria

Como pode se verificar neste modo operacional a carga apresenta comportamento não

linear. Esta característica modifica os módulos das potências ativa, aparente e reativa. Na Figura

66 tem-se as quatro potências elétricas avaliadas, sendo a potência aparente 103,37 VA, ativa

81

73,43 W, reativa fundamental (Q1) -46,67 Var e não ativa -72,75 Var. Como pode ser

observado, duas potencias elétricas possuem valores negativos, o que indica se tratar da uma

carga com características capacitivas.

Figura 66 - Potências elétrica no modo operacional F

0,00 2,08 4,16 6,24 8,33 10,41 12,49 14,57 16,66Tempo [ms]

-110

-82,5

-55

-27,5

0

27,5

55

82,5


Fonte: Própria

Ainda neste modo de operação, foram verificados o fator de potência (FP) e o fator de

potência fundamental (FP1) os quais possuem valores diferentes, sendo: FP1= 0,84 e FP=0,71

conforme Figura 67. Esta diferença, como esperado, deve-se à modelagem de cálculo, que

emprega a decomposição pela série de Fourier nas formas de ondas distorcidas pelo

chaveamento eletrônico.

Figura 67 - Fator de potência e fator de potência fundamental no modo operacional F

0,00 2,08 4,16 6,24 8,33 10,41 12,49 14,57 16,66Tempo [ms]

FP1 FP

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Fonte: Própria

82

5.1.2.3 Chaveamento Dimmer Flex no modo operacional G

No modo operacional G (CH1=0; CH2=1; CH3=1; CH4=0) o Dimmer Flex atua sobre

o sinal da corrente elétrica demandada pelo resistor, e consequentemente, como no caso

anterior, a forma de onda da corrente também é não senoidal conforme Figura 68. O Dimmer

Flex foi ajustado para iniciar a condução de sinal em 0° e 270° e bloqueio em 90º e 360°. A

corrente elétrica demandada pela carga, atingiu um pico de 1,63 A, cuja corrente eficaz equivale

a 0,81 A.

Figura 68 - Forma de onda de tensão e corrente no modo operacional G

0,00 2,08 4,16 6,24 8,33 10,41 12,49 14,57 16,66Tempo [ms]

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200[V]

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5


Fonte: Própria

Como pode se verificar na Figura 68, a forma de onda da corrente não é senoidal,

decompondo-se em série de Fourier, pode-se verificar que o sinal da corrente fundamental,

encontra-se em fase com o sinal da tensão fundamental, conforme ilustra a Figura 69, indicando

se tratar de uma carga de característica resistiva.


0,00 2,08 4,16 6,24 8,33 10,41 12,49 14,57 16,66Tempo [ms]

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200[V]

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5


Fonte: Própria

83

Na Figura 70 é apresentado o espectro harmônico da corrente em “pu”, no qual observa-

se existência significativa de harmônicas pares. A corrente fundamental apresenta pico de 0,82

A, e ângulo de 1,38°.


Fonte: Própria

Na Figura 71 tem-se a potências aparente com valor de 103,56 VA, potência ativa 72,77

W, potência não ativa 73,68 Var e potência reativa fundamental (Q1) -0,03 Var.

Figura 71 - Potências elétrica no modo operacional G

0,00 2,08 4,16 6,24 8,33 10,41 12,49 14,57 16,66Tempo [ms]

0,00

140


120

100

80

60

40

20

Fonte: Própria

A característica desta carga, baseando-se na defasagem dos sinais fundamentais de

tensão e corrente indicam tratar-se de uma carga resistiva. Corroborando para esta afirmativa

foi plota na Figura 72, o fator de potência e o fator de potência fundamental os quais possuem

valores 0,70 e 1,0 respectivamente.

84

Figura 72 - Fator de potência e fator de potência fundamental no modo operacional G

0,00 2,08 4,16 6,24 8,33 10,41 12,49 14,57 16,66Tempo [ms]

FP1 FP

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Fonte: Própria

5.1.2.4 Chaveamento Dimmer Flex no modo operacional K

Por fim, no modo operacional K (CH1=1; CH2=0; CH3=1; CH4=0) o Dimmer Flex

também atua sobre o sinal da corrente elétrica demandada pelo resistor, e consequentemente na

forma de onda da corrente que deixa de ser senoidal conforme visto Figura 73. O Dimmer Flex

foi ajustado para iniciar a condução de sinal a 90° e 270°, e bloqueio na passagem por zero, ou

seja, 180° e 360°. A corrente elétrica demandada pela carga atingiu um pico de 1,63 A, cuja

corrente eficaz foi de 0,81 A.

Figura 73 - Forma de onda de tensão e corrente no modo operacional K

0,00 2,08 4,16 6,24 8,33 10,41 12,49 14,57 16,66Tempo [ms]

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200[V]

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5


Fonte: Própria

Como pode se verificar na Figura 73, a forma de onda da corrente da carga não apresenta

comportamento linear. Com decomposição em série de Fourier, pode-se verificar que o sinal

85

da corrente fundamental, encontra-se atrasado do sinal da tensão fundamental de 32,5º

conforme ilustra a Figura 74.


0,00 2,08 4,16 6,24 8,33 10,41 12,49 14,57 16,66Tempo [ms]

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200[V]

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5


Fonte: Própria

Na Figura 75 é apresentado o espectro harmônico da corrente em “pu”, no qual observa-

se a presença das harmônicas majoritariamente ímpares. A corrente fundamental possui pico de

0,97 A, e ângulo de -32,5°.


Fonte: Própria

Na Figura 76 tem-se o gráfico das potências, a potência aparente alcança um valor de

103,20 VA, potência ativa 73,20 W, potência não ativa 72,75 Var e potência reativa

fundamental (Q1) 46,67 Var.

86

Figura 76 - Potências elétrica no modo operacional K

0,00 2,08 4,16 6,24 8,33 10,41 12,49 14,57 16,66Tempo [ms]

0

20

40

60

80

100

120

140

160[VA; W; Var] S NP Q1

Fonte: Própria

Neste modo de operação o fator de potência e o fator de potência fundamental, simulado

possuem valor de FP1= 0,84 e FP=0,71 conforme ilustra a Figura 77.

Figura 77 - Fator de potência e fator de potência fundamental no modo operacional K

0,00 2,08 4,16 6,24 8,33 10,41 12,49 14,57 16,66Tempo [ms]

FP1 FP

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Fonte: Própria

5.1.2.5 Síntese dos resultados das simulações nos modos operacionais A, F, G e K

Nos itens 5.1.2.1 a 5.2.1.4 foram apresentadas as formas de onda da corrente, tensão e

gráficos das potências S, P, Q1 e N definidos pela IEEE Std 1459-2010. Todavia, esta norma

faz referência a outras grandezas, conforme equações 16 a 33 já apresentadas. Os resultados

destas grandezas adicionais, estão apresentadas na Tabela 6, complementarmente aos dados

obtidos anteriormente. Os resultados dos modos de operação (A, F, G e K) evidenciam que a

carga pode apresentar características: resistiva (R), resistiva capacitiva (RC) e resistiva indutiva

87

(RL), dependendo do estado das chaves (aberta ou fechada) perante o sistema de medição, no

instante que ocorre o chaveamento eletrônico.

Tabela 6 - Resumo das medições nos quatros modos de operação do Dimmer Flex no ATPdraw

Grandeza A F G K

U (Vrms) 127,00 127,00 127,00 127,00

I (Arms) 1,15 0,81 0,81 0,81

FP 1,00 0,71 c 0,70 0,71 i

FP1 1,00 0,84 c 1,00 0,84 i

THDV (%) 0,00 0,00 0,00 0,00

THDI (%) 0,00 64,14 101,19 64,28

S (VA) 146,63 103,37 103,56 103,20

P (W) 146,63 73,43 72,77 73,20

N (VAr) 0,00 -72,75 73,69 72,75

S1 (VA) 146,63 87,00 73,90 86,81

P1 (W) 143,63 73,43 73,90 73,20

Q1 (VAr) 0,00 -46,67 -0,03 46,67

SH (VA) 0,00 0,02 2,52 0,02

PH (W) 0,00 0,00 0,00 0,00

DI (VAr) 0,00 55,80 73,19 55,80

DV (VAr) 0,00 0,00 0,00 0,00

DH (VAr) 0,00 0,02 2,61 0,02

SN (VA) 0,00 55,80 73,23 55,80

Fonte: Própria

Onde: c = capacitivo i = indutivo

5.1.2.6 Verificação de comportamento de S, P, Q1, N, FP e FP1 com ângulo de controle

variando de 0° a 180° para os modos operacionais F, G e K

As simulações de chaveamento nos modos F, G e K até então foram realizadas com o ângulo

de condução/bloqueio em 90° e 270°. Afim de explorar os demais ângulos de

condução/bloqueio, nos modos F, G e K foi então realizado o controle de 0° a 180°. Na Figura

78 estão plotadas as potencias elétricas (S, P, Q1 e N) para o modo operacional F, sendo

destacados os valores obtidos com ângulo de 90°, obtidos anteriormente. As potencias reativas

88

Q1 e N atingem valores máximos com o ângulo de 90° e depois decaem com o aumento do

ângulo, já as potencias S e P crescem com incremento do ângulo atingindo valores máximos

com ângulo de 180°.

Figura 78 - Comportamento da potencias elétricas em função do ângulo de condução modo F

Fonte: Própria

Na Figura 79 estão plotados o FP e FP1 no qual verifica-se que, com o incremento do

ângulo, o FP e FP1 aumentam, e para ângulos superiores a 120° o FP fica acima de 0,9.

Figura 79 - Comportamento do FP e FP1 em função do ângulo de condução modo F

Fonte: Própria

103,37

73,43

-46,67

-72,75-90,00

-40,00

10,00

60,00

110,00

160,00

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

Potê

ncia

(VA

, W, V

ar)

Ângulo (°)

S P Q1 N

0,71

0,84

0,000,100,200,300,400,500,600,700,800,901,00

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180Ângulo (°)

FP FP1

89

No modo operacional F a distorção harmônica total de corrente atingiu 500% com a

variação do ângulo de controle conforme ilustra a Figura 80. A potência ativa foi plotada em

PU, o que permite verificar que os índices de distorção harmônicos são maiores quando o

chaveamento eletrônico restringe quase que na totalidade a potência ativa consumida. Em 90°

a distorção de corrente fica em torno de 64,3% e a potência ativa atinge 50%, ponto este de

linearidade da potência ativa.

Figura 80 - Curvas de DTI e potência ativa em função do ângulo de controle no modo operacional F

Fonte: Própria

No modo G de operação o ângulo foi incrementado igualmente nos dois semiciclos até

atingir o valor máximo de condução, assim como nos modos operacionais F e K.

Na Figura 81 estão ilustrados os resultados de operação no modo G. Observa-se que as

potências S e P crescem com o incremento do ângulo e a potência N atinge valor máximo em

90°, apresentando característica capacitiva, e após 90º a característica passa a ser indutiva com

valor próximo do máximo, e decai até o ângulo de 180°.

Já a potência Q1 no intervalo de controle (0° a 180°) atinge valores próximos de zero,

alternando entre o negativo até 90° e depois passando para positivo, de 90° até 180°. No instante

correspondente a 90° foi verificado um valor de -0,03 Var, valor este próximo de zero, mas

ainda indicando característica capacitiva. Com o incremento do ângulo, as potencias aparente

(S) e ativa (P) não possuem comportamento linear, conforme pode ser verificado na Figura 81.

64,3

0,5

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0

050

100150200250300350400450500

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

Potê

ncia

Ativ

a (p

u)

DTI

(%)

Ângulo (°)

DTI P

90

Figura 81 - Comportamento da potencias elétricas em função do ângulo de condução modo G

Fonte: Própria

Na Figura 82 são ilustradas as variações de FP1 e FP com o incremento de ângulo. Nota-

se que o FP aumenta suavemente com o aumento do angulo, enquanto que o FP1 tem

crescimento abrupto com incremento de ângulo o qual, para gatilhamento superior a 30° atinge

valor superior a 0,90, conforme ilustra a Figura 82.

Figura 82 - Comportamento do FP e FP1 em função do ângulo de condução modo G

Fonte: Própria

103,56

72,77

-0,03

-73,69

-80,00

-40,00

0,00

40,00

80,00

120,00

160,00

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180Potê

ncia

(VA

, W, V

ar)

Ângulo (°)

S P Q1 N

0,70

1,00

0,000,100,200,300,400,500,600,700,800,901,00

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180Ângulo (°)

FP FP1

91

Na Figura 83 estão plotados as potencias elétricas (S, P, Q1 e N) do modo operacional

K destacando os valores obtidos com ângulo 90°. As potencias S e P decrescem com o

incremento do ângulo de controle, já as potencias Q1 e N atingem valores máximos com ângulo

de 90° conforme ilustra a Figura 83 e após decrescem com incremento do ângulo.

Figura 83 - Comportamento da potencias elétricas em função do ângulo de bloqueio modo K

Fonte: Própria

Na Figura 84 estão plotados o FP e FP1 no intervalo de 0° a 180°, ambos fatores de

potência decrescem com o aumento do ângulo, e se tornam nulos com ângulo de 180°.

Figura 84 - Comportamento do FP e FP1 em função do ângulo de bloqueio modo K

Fonte: Própria

103,37

73,43

46,67

72,75

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

Potê

ncia

(VA

, W, V

ar)

Ângulo (°)

S P Q1 N

0,71

0,84

0,000,100,200,300,400,500,600,700,800,901,00

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180Ângulo (°)

FP FP1

92

No modo operacional K a distorção harmônica total de corrente também atingiu 500%,

como no modo operacional F, porém, a distorção desta vez cresceu com o incremento de ângulo.

Na Figura 85 pode-se verificar que os índices de distorção harmônicos são maiores quando o

chaveamento eletrônico restringe a potência ativa consumida.

No ângulo de 90° a distorção de corrente fica em torno de 64,3%, e potência ativa atinge

os 50% ponto este de linearidade dentro da faixa de controle do protótipo.

Figura 85 - Curvas de DTI e Potencia ativa em função do ângulo de controle modo operacional K

Fonte: Própria

Na Figura 86 está plotado o comportamento do FP versus DTI para os modos

operacionais F e K, na qual nota-se que o fator de potência diminui com o aumento da distorção

na corrente elétrica.

Verificou-se então que com uma DTI de 33% implica em um FP de 0,92 valor este, que

atende ao valor indicado na resolução normativa n° 414 da Aneel de 2010, como valor de

referência para este indicador de qualidade da energia elétrica. Ainda na Figura 86 pode-se

observar que com DTI de 20% tem-se FP é de 0,97. Com DTI de 50% o FP cai para 0,81 e com

100% de DTI o FP ficou com 0,45.

0,5

64,3

050100150200250300350400450500

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

DTI

(%)

Potê

ncia

Ativ

a (p

u)

Ângulo (°)

P DTI

93

Figura 86 - FP em função da DTI para os modos operacionais F e K

Fonte: Própria

5.2 Estudo computacional e validação do modelo

Neste tópico é realizada a comparação de resultados obtidos na simulação no programa

ATPDraw e dados da medição em laboratório registrados com analisador de qualidade de

energia FLUKE 434. Para estes estudos, o Dimmer Flex foi ajustado com ângulo de controle

de 90°.

Na Tabela 7 estão apresentados os resultados obtidos com o analisador de qualidade de

energia FLUKE 434 e dados da simulação no programa ATPDraw. Pode-se observar diferenças

de valores entre algumas grandezas, as quais podem ser justificadas de duas maneiras.

A primeira, pode ser atribuída ao ajuste manual (impreciso) do ângulo de controle sobre

o protótipo nas medições laboratoriais, e outra é que o analisador de qualidade de energia

FLUKE 434 trunca os dados com uma casa decimal podendo, o valor, ficar abaixo ou acima do

que realmente foi medido.

Apesar destas limitações, os resultados alcançados nos quatros modos operacionais

mostram-se satisfatórios, uma vez que os resultados da simulação apresentam-se muito

próximos daqueles obtidos via simulação. Diante disto, a modelagem do protótipo no programa

ATPDraw, bem como o algoritmo da teoria IEEE Std 1459-2010 pode ser considerado

adequado e, portanto, válido dar sequência aos estudos e análises de qualidade de energia

elétrica conforme objetivos propostos neste trabalho.

0,000,100,200,300,400,500,600,700,800,901,00

0 100 200 300 400 500

FP

DTI (%)

94

Tabela 7 - Resultados do programa ATPDraw e Analisador FLUKE 434

Grandeza Programa ATPDraw Analisador FLUKE 434

A F G K A F G K

Tensão (Vrms) 127,00 127,00 127,00 127,00 127,00 127,00 127,00 127,00

Corrente (Arms) 1,15 0,81 0,81 0,81 1,10 0,80 0,80 0,80

FP 1,00 0,71 0,70 0,71 1,00 0,70 0,70 0,71

FP1 1,00 0,84 1,00 0,84 1,00 0,83 1,00 0,85

THDV (%) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,10 0,40 0,40 0,30

THDI (%) 0,00 64,14 101,19 64,28 0,50 64,70 100,60 65,00

S (VA) 146,63 103,37 103,56 103,20 140,00 100,00 100,00 100,00

P (W) 146,63 73,43 72,77 73,20 140,00 70,00 70,00 70,00

N (VAr) 0,00 -72,75 73,69 72,75 0,00 -70,00 70,00 70,00

S1 (VA) 146,63 87,00 73,90 86,81 140,00 80,00 70,00 80,00

P1 (W) 143,63 73,43 71,90 73,20 140,00 70,00 70,00 70,00

Q1 (VAr) 0,00 -46,67 -0,03 46,67 0,00 -50,00 0,00 40,00

Fonte: Própria

Com a modelagem validada segue-se para a avaliação de impactos no faturamento da

energia elétrica consumida com uso das modalidades tarifarias aplicadas para consumidores da

classe A, considerando-se as modalidades tarifárias:

• Convencional,

• Verde e,

• Azul.

5.3 Avaliação do impacto do chaveamento eletrônico no faturamento da energia elétrica

Neste item são verificados os possíveis impactos financeiros devido ao chaveamento

eletrônico do protótipo, com uso do FP e FP1, evidenciando diferenças entre ambos, as quais,

podem representar custos adicionais ao consumidor ou concessionaria de energia. Nesta análise

também é contemplada a variação do ângulo de controle de 0° a 180° para os modos

operacionais F, G e K. Os resultados do excedente da energia reativa foram obtidos com uso da

equação 34 e valores da TE e TUSD da resolução homologatória n°2.055 da Aneel (2016c).

A Figura 87 mostra a razão entre a energia reativa excedente e a energia ativa consumida

no modo operacional F com uso do FP. A relação na modalidade tarifaria verde se mostrou com

95

valores inferiores as modalidades tarifarias convencional e azul. A relação atingiu valor

máximo de 4,75 para angulo de 10° nas modalidades tarifária convencional e azul.

Figura 87 - Relação entre ERE e kWh via FP - modo operacional F

Fonte: Própria

Quando utilizado o FP1 na verificação do ERE, os valores máximos obtidos

relacionando-se a ERE e kWh, atingiram amplitude de 1,33 vezes nas modalidades tarifárias

convencional e azul, porém, bem menor quando utilizado FP conforme ilustra Figura 88.

Figura 88 - Relação entre ERE e kWh via FP1 - modo operacional F

Fonte: Própria

No modo operacional G a relação máxima obtida foi de 15,7 vezes, nas modalidades

tarifárias convencional e azul com uso do FP conforme ilustra a Figura 89.

0,00,51,01,52,02,53,03,54,04,55,0

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

E RE

/ kW

h

Ângulo (°)CNV Verde Azul

0,00,10,30,40,60,70,81,01,11,31,4

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

E RE

/ kW

h


96

Figura 89 - Relação entre ERE e kWh via FP - modo operacional G

Fonte: Própria

Na Figura 90 pode-se observar que a relação máxima usando FP1, diminui para 1,33

vezes nas modalidades tarifárias convencional e azul e 1,08 na modalidade tarifária verde e

como no caso anterior a relação é muito menor quando é empregado o FP para verificação.

Figura 90 - Relação entre ERE e kWh via FP1 - modo operacional G

Fonte: Própria

No modo operacional K, Figura 91 a relação entre ERE e kWh inicia com pequenos

valores e atinge amplitude máxima de 15 vezes, nas modalidades tarifárias convencional e azul

quando utilizado o FP para verificação do ERE.

0,01,63,24,86,48,09,6

11,212,814,416,0

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

E RE

/ kW

h


0,00,10,30,40,60,70,81,01,11,31,4

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

E RE

/ kW

h


97

Figura 91 - Relação entre ERE e kWh via FP - modo operacional K

Fonte: Própria

Por fim na Figura 92 observa-se que a relação máxima entre ERE e kWh, quando

utilizado FP1, diminui para 4,1 vezes nas modalidades tarifárias convencional e azul.

Figura 92 - Relação entre ERE e kWh via FP1 - modo operacional K

Fonte: Própria

Pode-se notar nos casos exemplificados que se for empregado FP ou FP1 pode-se ter

impactos financeiros tanto para consumidores ou concessionarias de energia, haja vista que em

cada caso os valores das razões são significativos. Quando comparados os modos F e K,

oberserva-se uma diferença de aproximadamente de 3 vezes nos valores das relações entre ERE

e kWh, tanto com uso de FP ou FP1. Esta diferença ocorre devido a tempo de verificação do

fator de potência, sendo 18 horas com de FP indutivo e 6 horas com FP capacitivo.

0,01,53,04,56,07,59,0

10,512,013,515,0

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

E RE

/ kW

h


0,00,50,91,41,82,32,73,23,64,14,5

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

E RE

/ kW

h


98

CAPÍTULO VI

CONSIDERAÇÕES FINAIS

À luz dos desenvolvimentos e resultados apresentados, constatou-se que o trabalho

proposto atingiu os objetivos concebidos, resultando no desenvolvimento de um protótipo de

chaveamento eletrônico, que possibilitou entender melhor o que está ocorrendo com os atuais

medidores de energia quando os mesmos estão submetidos a sinais distorcidos oriundos de

cargas não linear chaveadas eletronicamente.

Vale destacar, que a modelagem computacional corresponde de forma adequada ao

desempenho do modelo real, de forma que se constitui numa ferramenta importante para

realizar estudos com foco na qualidade e eficiência elétricas, de relevância e atualidade

inconteste.

Os diversos casos estudados, tanto pela estratégia experimental como computacional,

permitiram visualizar de que forma ocorrem os fluxos de potência reativa, e como esses fluxos

podem impactar tanto os consumidores como as concessionárias de energia elétrica, sob o ponto

de vista técnico e sobre tudo financeiro. Este fato, certamente permitirá que estudos sejam

conduzidos voltados para definir ou pelo menos reavaliar os atuais protocolos de medição dos

registradores de energia e qualímetros, uma vez que, nos dias de hoje, há controvérsias inclusive

com relação a definição do tipo de potência reativa, mais ainda, quando na presença de cargas

não lineares, como é o caso em tela.

Por último, apesar da simplicidade do protótipo desenvolvido, frente aos sofisticados

dispositivos eletrônicos existentes no mercado, não diminui sua importância e potencialidade

para contribuir em estudos dentro da engenharia elétrica, com foco principalmente para a

qualidade e faturamento da energia elétrica. Desta forma, pode-se afirmar que os objetivos

inicialmente propostos foram atingidos, tendo como produto concreto um protótipo físico e

modelos computacionais na plataforma ATPDraw e PROTEUS.

99

Sugestões para trabalhos futuros

Como sugestão de trabalhos futuros, indica-se:

• Aperfeiçoamento do protótipo com implementação de microtrolador visando controle

individualizado por semiciclo.

• Introduzir outros elementos no lugar do resistor como indutor e capacitor é verificar o

comportamento do fluxo de reativos e demais grandezas elétricas.

• Implementação de rotina models como a teoria de potência conservativa (CPT), no

programa ATPDraw para verificação do fluxo de reativos de demais grandezas elétricas

e realizar comparação com a teoria da IEEE Std 1459-2010.

100

Referências

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103

Apêndice

Apêndice A - Algoritmo do Dimmer Flex na Models do programa ATPDraw

MODEL DIMMER_FLEX

INPUT

v --Tensão instantânea de alimentação do Dimmer Flex [V]

OUTPUT

M --Comando da chave eletrônica do Dimmer Flex

DATA

freq dflt:60 --Frequência

Angulo dflt:90 --Ângulo de disparo (0 a 180 graus)

CH1 dflt:1 -- Interruptor 1




VAR

M -- Comando da chave eletrônica do Dimmer Flex

t1 --Tempo de fechamento da chave M

t2 --Tempo de abertura da chave M

cs --variável de auxiliar de controle de sinal de tensão

cs0 --valor anterior da variável de auxiliar de controle de sinal de tensão

t0 --tempo para chaveamento da chave M na passagem por zero do sinal de tensão

HISTORY

cs dflt:0 --memoriza os pontos anterior a mudança de polaridade-variável de controle da

tensão positiva ou negativa

INIT

t1:=(Angulo * (1/freq))/360 --Tempo de fechamento da chave M

t2:=((1/freq)/2)-t1 --Tempo de abertura da chave M

M:=0

t0:=0

ENDINIT

EXEC

104

---------------------------------------Encontrando o ponto zero da tensão-------------------------------

IF v <= 0 THEN

cs:=0

ELSE

cs:=1

ENDIF

cs0:=prevval(cs) --leitura do valor anterior da variável de controle da tensão

-----------------------------------Controle de disparo do Dimmer Flex - Modo A---------------------

IF CH1 = 0 AND CH2 = 0 AND CH3 = 0 AND CH4 = 0 THEN

M:=1

ENDIF

-----------------------------------Controle de disparo do Dimmer Flex - Modo F----------------------


IF cs <> cs0 THEN --Se cs for diferente de cs0 indica passagem por zero

M:=1

t0:=(t+t2-timestep) --A chave abre de acordo com o Angulo

ENDIF

IF t >= t0 THEN

M:=0

ENDIF

ENDIF

------------------------------------Controle de disparo do Dimmer Flex - Modo K --------------------


IF cs <> cs0 THEN -- Se cs for diferente de cs0 indica passagem por zero

M:=0

t0:=(t+t1-timestep) --A chave fecha de acordo com o Angulo

ENDIF

IF t >= t0 THEN

M:=1

ENDIF

ENDIF

ENDEXEC

ENDMODEL

105

Apêndice B - Algoritmo de medidor com teoria IEEE Std1459-2010 na Models do programa

ATPDraw

MODEL med2_1 -- Medidor com teoria IEEE Std 1459-2010 --

INPUT

v -- sinal de tensão, [V];

i -- sinal de corrente, [A];

DATA

freq dflt:60 -- frequência, [Hz];

n dflt:51 --Número de ordem harmônica a ser calculada;

VAR

Sh1 -- potência aparente fundamental, [VA];

Ph1 -- potência ativa fundamental, [W];

Qh1 -- potência reativa fundamental, [VAr];

PhH -- potência ativa harmônica [W];

DhI -- potência de distorção de corrente [VAr];

DhV -- potência de distorção de tensão [VAr];

ShH -- potência aparente de distorção harmônica[VA];

DhH -- potência de distorção harmônica [VAr];

Sht -- potência aparente total [VA];

Pht -- potência ativa total[W];

ShN -- potência aparente não fundamental [VAr];

HNa -- potência não ativa [VAr];

THD1 -- distorção harmônica de tensão;

THD2 -- distorção harmônica de corrente;

Vrms -- tensão rms, [V];

Vt -- tensão True-rms, [V];

Irms -- corrente rms, [A];

It -- corrente True-rms, [A];

fp1 --fator de potência;

fd1 --fator de potência fundamental;

NSAMPL -- número de pontos por ciclo;

OMEGA -- velocidade angular para fundamental;

h -- ordem harmônica ;

106

V_A

absH_VA[1..51] -- amplitude calculada para cada harmônica;

angH_VA[1..51] -- ângulo em radianos;

angH2_VA[1..51]-- ângulo em graus;

H0_VA -- amplitude da componente contínua;

reH_VA[1..51] -- parte real de cada harmônica;

imH_VA[1..51] -- parte imaginária de cada harmônica;

D_VA

F1_VA

F2_VA

F3_VA

F4_VA

Vh_VA[1..51]

I_A

absH_IA[1..51] -- amplitude calculada para cada harmônica;

angH_IA[1..51] -- ângulo em radianos;

angH2_IA[1..51] -- ângulo em graus;

H0_IA -- amplitude da componente contínua;

reH_IA[1..51] -- parte real de cada harmônica;

imH_IA[1..51] -- parte imaginária de cada harmônica;

D_IA

F1_IA

F2_IA

F3_IA

F4_IA

Ih_IA[1..51]

DELAY CELLS (V_A): 1/(freq*timestep) + 2

CELLS (I_A): 1/(freq*timestep) + 2

INIT

Sh1:=0

Ph1:=0

Qh1:=0

PhH:=0

DhI:=0

107

DhV:=0

ShH:=0

DhH:=0

Sht:=0

Pht:=0

ShN:=0

HNa:=0

Vrms:=0

Irms:=0

Vt:=0

It:=0

THD1:= 0

THD2:= 0

fp1:= 0

fd1:= 0

OMEGA:= 2*PI*freq

NSAMPL:= 1/(freq*timestep)

histdef(V_A):= 0

histdef(I_A):= 0

H0_VA:= 0

FOR h:= 1 to 51 DO

reH_VA[h]:= 0

imH_VA[h]:= 0

absH_VA[h]:= 0

angH_VA[h]:= 0

angH2_VA[h]:= 0

Vh_VA[h]:= 0

ENDFOR

H0_IA:= 0

FOR h:= 1 to 51 DO

reH_IA[h]:= 0

imH_IA[h]:= 0

absH_IA[h]:= 0

angH_IA[h]:= 0

108

angH2_IA[h]:= 0

Ih_IA[h]:= 0

ENDFOR

ENDINIT

EXEC

---------------------------Transformada de Fourier no sinal de tensão----------------------------------

V_A:= v

f1_VA:= delay(V_A, (NSAMPL + 1)*timestep, 1)

f2_VA:= delay(V_A, NSAMPL*timestep, 1)

f3_VA:= delay(V_A, timestep, 1)

f4_VA:= V_A

H0_VA:= H0_VA + (f4_VA + f3_VA - f2_VA - f1_VA)/(2*NSAMPL)

FOR h:= 1 to n DO

D_VA:= 1/(h*PI)*((f4_VA - f2_VA)*sin(h*OMEGA*T) - (f3_VA -

f1_VA)*sin(h*OMEGA*(t - timestep)) + (f4_VA - f3_VA - f2_VA +

f1_VA)/(timestep*h*OMEGA)*(cos(h*OMEGA*t)-cos(h*OMEGA*(t-timestep))))

reH_VA[h]:= reH_VA[h] + D_VA

D_VA:= 1/(h*PI)*((f4_VA - f2_VA)*cos(h*OMEGA*T) - (f3_VA -

f1_VA)*cos(h*OMEGA*(t - timestep))-(f4_VA - f3_VA - f2_VA +

f1_VA)/(timestep*h*OMEGA)*(sin(h*OMEGA*t)-sin(h*OMEGA*(t-timestep))))

imH_VA[h]:= imH_VA[h] + D_VA

absH_VA[h]:= sqrt(reH_VA[h]**2 + imH_VA[h]**2)

IF abs(imH_VA[h]) < 1E-4 THEN

angH_VA[h]:= 0

ELSE

angH_VA[h]:= atan2(imH_VA[h], reH_VA[h])

angH2_VA[h]:= angH_VA[h]*(180/pi)

ENDIF

Vh_VA[1]:=absH_VA[1]

Vh_VA[h]:=absH_VA[h]*absH_VA[h]

ENDFOR

THD1:=(sqrt(Vh_VA[2]+Vh_VA[3]+Vh_VA[4]+Vh_VA[5]+Vh_VA[6]+Vh_VA[7]+Vh_V

A[8]+Vh_VA[9]+Vh_VA[10]+Vh_VA[11]+Vh_VA[12]+Vh_VA[13]+Vh_VA[14]+Vh_VA

[15]+Vh_VA[16]+Vh_VA[17]+Vh_VA[18]+Vh_VA[19]+Vh_VA[20]+Vh_VA[21]+Vh_VA

109





[50]+Vh_VA[51])/Vh_VA[1])*100

----------------------------Transformada de Fourier no sinal de corrente-------------------------------

I_A:= i

f1_IA:= delay(I_A, (NSAMPL + 1)*timestep, 1)

f2_IA:= delay(I_A, NSAMPL*timestep, 1)

f3_IA:= delay(I_A, timestep, 1)

f4_IA:= I_A

H0_IA:= H0_IA + (f4_IA + f3_IA - f2_IA - f1_IA)/(2*NSAMPL)

FOR h:= 1 to n DO

D_IA:= 1/(h*PI)*((f4_IA - f2_IA)*sin(h*OMEGA*T) - (f3_IA -

f1_IA)*sin(h*OMEGA*(t - timestep)) + (f4_IA - f3_IA - f2_IA +

f1_IA)/(timestep*h*OMEGA)*(cos(h*OMEGA*t)-cos(h*OMEGA*(t-timestep))))

reH_IA[h]:= reH_IA[h] + D_IA

D_IA:= 1/(h*PI)*((f4_IA - f2_IA)*cos(h*OMEGA*T) - (f3_IA -

f1_IA)*cos(h*OMEGA*(t - timestep)) - (f4_IA - f3_IA - f2_IA +

f1_IA)/(timestep*h*OMEGA)*(sin(h*OMEGA*t)-sin(h*OMEGA*(t-timestep))))

imH_IA[h]:= imH_IA[h] + D_IA

absH_IA[h]:= sqrt(reH_IA[h]**2 + imH_IA[h]**2)

IF abs(imH_IA[h]) < 1E-4 THEN

angH_IA[h]:= 0

ELSE

angH_IA[h]:= atan2(imH_IA[h], reH_IA[h])

angH2_IA[h]:= angH_IA[h]*(180/pi)

ENDIF

Ih_IA[1]:=absH_IA[1]

Ih_IA[h]:=absH_IA[h]*absH_IA[h]

ENDFOR

THD2:=(sqrt(Ih_IA[2]+Ih_IA[3]+Ih_IA[4]+Ih_IA[5]+Ih_IA[6]+Ih_IA[7]+Ih_IA[8]+Ih_IA[9

]+Ih_IA[10]+Ih_IA[11]+Ih_IA[12]+Ih_IA[13]+Ih_IA[14]+Ih_IA[15]+Ih_IA[16]+Ih_IA[17]

+Ih_IA[18]+Ih_IA[19]+Ih_IA[20]+Ih_IA[21]+Ih_IA[22]+Ih_IA[23]+Ih_IA[24]+Ih_IA[25]+

110

Ih_IA[26]+Ih_IA[27]+Ih_IA[28]+Ih_IA[29]+Ih_IA[30]+Ih_IA[31]+Ih_IA[32]+Ih_IA[33]+Ih

_IA[34]+Ih_IA[35]+Ih_IA[36]+Ih_IA[37]+Ih_IA[38]+Ih_IA[39]+Ih_IA[40]+Ih_IA[41]+Ih_I

A[42]+Ih_IA[43]+Ih_IA[44]+Ih_IA[45]+Ih_IA[46]+Ih_IA[47]+Ih_IA[48]+Ih_IA[49]+Ih_IA

[50]+Ih_IA[51])/Ih_IA[1])*100

-------------------------------------- Tensão e corrente-----------------------------------------------------

Vrms:= Vh_VA[1]/(sqrt(2))

Vt:=sqrt(Vh_VA[1]**2+Vh_VA[2]+Vh_VA[3]+Vh_VA[4]+Vh_VA[5]+Vh_VA[6]+Vh_VA

[7]+Vh_VA[8]+Vh_VA[9]+Vh_VA[10]+Vh_VA[11]2+Vh_VA[12]+Vh_VA[13]+Vh_VA[1

4]+Vh_VA[15]+Vh_VA[16]+Vh_VA[17]+Vh_VA[18]+Vh_VA[19]+Vh_VA[20]+Vh_VA[2





9]+Vh_VA[50]+Vh_VA[51])/sqrt(2)

Irms:= Ih_IA[1]/(sqrt(2))

It:=sqrt(Ih_IA[1]**2+Ih_IA[2]+Ih_IA[3]+Ih_IA[4]+Ih_IA[5]+Ih_IA[6]+Ih_IA[7]+Ih_IA[8]+

Ih_IA[9]+Ih_IA[10]+Ih_IA[11]+Ih_IA[12]+Ih_IA[13]+Ih_IA[14]+Ih_IA[15]+Ih_IA[16]+Ih_

IA[17]+Ih_IA[18]+Ih_IA[19]+Ih_IA[20]+Ih_IA[21]+Ih_IA[22]+Ih_IA[23]+Ih_IA[24]+Ih_I

A[25]+Ih_IA[26]+Ih_IA[27]+Ih_IA[28]+Ih_IA[29]+Ih_IA[30]+Ih_IA[31]+Ih_IA[32]+Ih_IA

[33]+Ih_IA[34]+Ih_IA[35]+Ih_IA[36]+Ih_IA[37]+Ih_IA[38]+Ih_IA[39]+Ih_IA[40]+Ih_IA[4

1]+Ih_IA[42]+Ih_IA[43]+Ih_IA[44]+Ih_IA[45]+Ih_IA[46]+Ih_IA[47]+Ih_IA[48]+Ih_IA[49]

+Ih_IA[50]+Ih_IA[51])/sqrt(2)

---------------------------------- Potência aparente fundamental-----------------------------------------

Sh1:=(Vh_VA[1]*Ih_IA[1])/2

---------------------------------------------- Potência ativa ------------------------------------------------

Ph1:=((Vh_VA[1]*Ih_IA[1])/2)*cos(angH_VA[1]-angH_IA[1])

PhH:=((Vh_VA[2]*Ih_IA[2])/2)*cos(angH_VA[2]-angH_IA[2])+

((Vh_VA[3]*Ih_IA[3])/2)*cos(angH_VA[3]-angH_IA[3])+







111



































112








((Vh_VA[51]*Ih_IA[51])/2)*cos(angH_VA[51]-angH_IA[51])

Pht:=Ph1+PhH

----------------------------------------------- Potência reativa ---------------------------------------------

Qh1:=((Vh_VA[1]*Ih_IA[1])/2)*sin(angH_VA[1]-angH_IA[1])

-------------------------------------------- Potências totais e distorção ----------------------------------

DhV:=Sh1*THD1/100

DhI:=Sh1*THD2/100

ShH:=Sh1*(THD1*THD2/100)

DhH:=sqrt((ShH**2)-(PhH**2))

Sht:=sqrt((Sh1**2)+(DhI**2)+(DhV**2)+(ShH**2))

ShN:=sqrt((DhI**2)+(DhV**2)+(ShH**2))

IF Qh1 < 0 THEN

HNa:=-1*sqrt((Sht**2)-(Pht**2))

ELSE

HNa:=sqrt((Sht**2)-(Pht**2))

ENDIF

-------------------------------------Fator de potência e potência fundamental---------------------------

--------

fp1:= Pht/Sht

fd1:= Ph1/Sh1

ENDEXEC

ENDMODEL

RECORD

med2_1.Irms AS I1

med2_1.Vrms AS V1

med2_1.It AS I

med2_1.Vt AS V

113

med2_1.fp1 AS FP

med2_1.Sht AS S

med2_1.Pht AS P

med2_1.fd1 AS FP1

med2_1.Sh1 AS S1

med2_1.Ph1 AS P1

med2_1.Qh1 AS Q1

med2_1.ShH AS SH

med2_1.PhH AS PH

med2_1.DhI AS DI

med2_1.DhV AS DV

med2_1.DhH AS DH

med2_1.ShN AS SN

med2_1.HNa AS N

med2_1.THD1 AS THDv

med2_1.THD2 AS THDi

cargas nÃo lineares no contexto da eficiÊncia e...

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