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QUALIDADE DE ENERGIA COMPARAO DAS NORMAS IEC 61000-3-2 E IEEE 519

Felipe Menezes Ferreira dos Santos

PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA DA ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

Aprovada por:

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Prof. Walter Issamu Suemitsu, Dr.Ing. (Orientador)

___________________________________

Prof. Sergio Sami Hazan, Ph.D.

___________________________________

Gilson Ferreira dos Santos Junior, M. Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL OUTUBRO DE 2007

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RESUMO

O desenvolvimento tecnolgico permitiu aos fabricantes de dispositivos eltrico-eletrnicos obterem uma reduo de tamanho, custo e peso, assim como um menor consumo de potncia por estes dispositivos. Porm, acompanhado a essa srie de vantagens, os problemas relacionados qualidade de energia aumentaram nos ltimos anos devido ao nmero cada vez maior de cargas no lineares conectadas ao sistema eltrico. Essas cargas muitas vezes funcionam no modo descontnuo de operao e assim provocam distrbios na rede que atingem outros equipamentos sensveis a estas perturbaes. Alm disso, com o crescente interesse pela racionalizao e conservao da energia eltrica, tem aumentado o uso de equipamentos que, em muitos casos, aumentam os nveis de distoro harmnica e podem levar o sistema a condies de ressonncia. O resultado disso pode ser prejudicial para algumas indstrias (como por exemplo, as indstrias txtil, siderrgica e petroqumica), e por isso, h um esforo em se estabelecer limites de introduo de distrbios na rede de distribuio de energia eltrica.

Normas como a IEC 61000-3-2 e a IEEE 519 tratam especificamente de distrbios harmnicos e tm o objetivo de limitar a ocorrncia dessa perturbao na rede eltrica.

Esse trabalho tem o objetivo de apresentar os diversos distrbios relacionados qualidade de energia final percebida pelos consumidores, alm de apresentar as normas IEC 61000-3-2 e a IEEE 519, mostrando como elas limitam a introduo de harmnicas.

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NDICE

RESUMO_____________________________________________________________ i NDICE _____________________________________________________________ iii NDICE DE FIGURAS ________________________________________________ v NDICE DE TABELAS ________________________________________________ vi

I. Introduo _________________________________________________________ 1 I.1. Contexto atual __________________________________________________ 1 I.2. Motivao ______________________________________________________ 2

II. Qualidade de energia________________________________________________ 3 II.1. Introduo_____________________________________________________ 3 II.2. Tipos de perturbaes eltricas____________________________________ 5

II.2.1. Perturbaes na amplitude de tenso ______________________________ 5 II.2.2. Perturbaes na freqncia do sinal_______________________________ 7 II.2.3. Desequilbrios de tenso ou corrente em sistemas trifsicos____________ 7 II.2.4. As perturbaes nas formas de ondas _____________________________ 8

II.3. Os custos da m qualidade de energia ______________________________ 8 II.3.1. Distoro Harmnica __________________________________________ 8 II.3.2. Interrupes _________________________________________________ 9 II.3.3. Afundamentos e surtos de curta durao ___________________________ 9 II.3.4. Transitrios ________________________________________________ 11

III. Harmnicas______________________________________________________ 12 III.1. Introduo ___________________________________________________ 12 III.2. Espectro Harmnico ___________________________________________ 14 III.3. Taxa de Distoro Harmnica Total (THD)________________________ 15 III.4. Fator de Potncia e cos________________________________________ 18 III.5. Fator de reduo da capacidade nominal__________________________ 19 III.6. Fator de Crista _______________________________________________ 19 III.7 Cargas que produzem Harmnicas _______________________________ 20 III.8. Causas e Efeitos_______________________________________________ 21

III.8.1 Causas ____________________________________________________ 22 III.8.1.1. Cargas monofsicas: _____________________________________ 22

III.8.1.1.1. Fontes chaveadas ____________________________________ 22 III.8.1.1.2. Lmpadas Fluorescentes_______________________________ 23

III.8.1.2. Cargas trifsicas: ________________________________________ 24 III.8.2. Efeitos____________________________________________________ 26

III.8.2.1. Problemas causados por correntes harmnicas _________________ 26 III.8.2.1.1. Aquecimento do condutor neutro ________________________ 26 III.8.2.1.2. Efeito nos transformadores_____________________________ 27 III.8.2.1.3. Disparo de dispositivos de proteo ______________________ 28 III.8.2.1.4. Sobre estresse de capacitores de correo de fator de potncia (PFC) ______________________________________________________ 28 III.8.2.1.5. Efeito Pelicular ______________________________________ 29

III.8.2.2. Problemas causados por tenses harmnicas __________________ 29 III.8.2.2.1. Distores na tenso __________________________________ 30 III.8.2.2.2. Perdas nos motores de induo__________________________ 31 III.8.2.2.3. Rudos em detectores de zero ___________________________ 32

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III.9. Medidas para mitigao de harmnicas ___________________________ 32 III.9.1. Filtros Passivos_____________________________________________ 32 III.9.2. Transformadores de separao e reduo de harmnicas_____________ 35 III.9.3. Filtros Ativos ______________________________________________ 38

IV. Comparao das normas IEEE 519 e IEC 61000-3-2____________________ 41 IV.1. IEC _________________________________________________________ 41 IV.2. IEEE ________________________________________________________ 42 IV.3. IEC 61000-3-2 (2005) __________________________________________ 43 IV.4. IEEE 519 (1992) ______________________________________________ 46

V. Concluses _______________________________________________________ 50

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NDICE DE FIGURAS

Figura 1 Perturbaes de Tenso - % da tenso nominal X tempo _______________ 7 Figura 2 Curva ITIC - % da tenso nominal X tempo________________________ 10 Figura 3 Onda deformada e suas componentes harmnicas ___________________ 10 Figura 4 Forma de onda e espectro de um sinal praticamente senoidal __________ 14 Figura 5 Forma de onda e espectro de um sinal distorcido ____________________ 15 Figura 6 Forma de onda de corrente e seu espectro harmnico ________________ 10 Figura 7 Forma de onda de corrente e seus espectros harmnicos ______________ 10 Figura 8 Forma de onda com diferena entre fator de potncia e cos___________ 18 Figura 9 Exemplo de fator de crista______________________________________ 20 Figura 10 Forma de onda no circuito com dispositivo no linear _______________ 21 Figura 11 Espectro Harmnico de um computador com fonte chaveada _________ 23 Figura 12 Espectro Harmnico de uma lmpada fluorescente compacta _________ 25 Figura 13 Ponte trifsica ou de seis pulsos ________________________________ 24 Figura 14 Espectro Harmnico de uma tpica ponte de seis pulsos _____________ 25 Figura 15 Ponte de doze pulsos _________________________________________ 26 Figura 16 Correntes harmnicas de ordem 3N somadas ao neutro ______________ 25 Figura 17 Circuito equivalente de uma carga no linear com capacitor __________ 29 Figura 18 Distores de tenso causadas por cargas no lineares_______________ 10 Figura 19 Separao de cargas lineares e no lineares ______________________ 310 Figura 20 Filtro Passivo de Harmnicas em paralelo com a carga ______________ 33 Figura 21 Filtro Passivo em paralelo e srie com a carga _____________________ 33 Figura 22 Emprego de filtro de harmnicas no compensado para atenuao de uma harmnica especfica __________________________________________________ 34 Figura 23 Emprego de filtro de harmnicas compensado para atenuao de uma harmnica especfica __________________________________________________ 35 Figura 24 Ligao delta estrela _________________________________________ 36 Figura 25 Tranformador para confinamento de harmnicas de ordem 3N ________ 37 Figura 26 Tranformador para confinamento de harmnicas de 5 e 7 ordem _____ 37 Figura 27 Filtro ou condicionador ativo __________________________________ 38 Figura 28 Ligao em paralelo do Filtro Ativo _____________________________ 39 Figura 29 Exemplo de atuao de filtro ativo ______________________________ 40 Figura 30 Exemplo de sistema de distribuio _____________________________ 48

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NDICE DE TABELAS

Tabela 1 Indstria X Perdas financeiras por evento _________________________ 10 Tabela 2 Valores para os sinais 1, 5 e T da Figura III.1 ______________________ 13 Tabela 3 Ordem, freqncia e seqncia das harmnicas para equipamentos de eletrnica de potncia __________________________________________________ 13 Tabela 4 Exemplo de correntes harmnicas em um dado sinal_________________ 16 Tabela 5 Limites para equipamentos Classe A _____________________________ 44 Tabela 6 Limites para equipamentos Classe C _____________________________ 45 Tabela 7 Limites para equipamentos Classe D _____________________________ 45 Tabela 8 Mximo Limite para Harmnicas mpares em Sistema de Distribuio de 120V at 69kV _______________________________________________________ 46 Tabela 9 Mximo Limite para Harmnicas mpares em Sistema de Distribuio de 69,001kV at 161kV___________________________________________________ 47 Tabela 10 Mximo Limite para Harmnicas mpares em Sistema de Distribuio de alta tenso (maior do que 161kV) e Sistemas de Gerao e Cogerao isolados ____ 47 Tabela 11 Limites Percentuais de Distoro da Tenso de Alimentao em Relao Fundamental _________________________________________________________ 47

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CAPTULO I

I. Introduo

I.1. Contexto atual

Atualmente os dispositivos de eletrnica de potncia (fontes chaveadas, diodos, transistores, tiristores, etc.) so utilizados com maior freqncia pelos consumidores de energia eltrica. Para o sistema eltrico, esses equipamentos so vistos como cargas no

lineares, devido sua natureza, e em face de sua vasta utilizao, so fontes de perda de qualidade de energia na rede.

Alguns exemplos dessas perdas de qualidade de energia so:

Perturbaes na amplitude de tenso

Perturbaes na freqncia do sinal

Desequilbrios de tenso ou corrente em sistemas trifsicos

Perturbaes na forma de onda

Essa m qualidade de energia pode causar a perda da produo de uma indstria, a interrupo de energia em um grupo de residncias, danos ou mau funcionamento de equipamentos, etc.

Com isso, necessrio que seja definida a responsabilidade pelos investimentos necessrios para o correto funcionamento da rede de suprimento

Hoje existem normas internacionais como a IEC 61000-3-2 e a IEEE 519 que procuram definir limites para utilizao desses equipamentos de forma a no prejudicar, tanto o funcionamento da instalao, quanto da rede que a cerca.

O objetivo desse trabalho mostrar como a falta de qualidade de energia pode prejudicar os consumidores e comparar as normas IEC 61000-3-2 e IEEE 519. Para isso, ser necessrio apresentar o que qualidade de energia, como ela influencia no suprimento de energia eltrica dos diversos consumidores e os custos que a falta dessa qualidade gera para os consumidores. Aps isso, ser dada ateno especial para as perturbaes na forma de onda e a anlise ser direcionada ao comportamento das harmnicas. Ser apresentada uma descrio desse fenmeno, os seus principais

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indicadores, como aparecem na rede de suprimento, como podem afetar os equipamentos eltricos e as medidas mitigadoras necessrias para um melhor convvio com essa perturbao. Feita essa anlise, finalmente ser abordado o tema desse trabalho, com a descrio das organizaes internacionais IEC e IEEE, as normas objeto desse trabalho, as boas prticas recomendadas e onde elas so aplicadas.

I.2. Motivao

Os problemas gerados pelas perturbaes eltricas ainda so pouco conhecidos pela maioria das pessoas. Com o aumento do nmero de equipamentos com dispositivos de eletrnica de potncia como fontes chaveadas nas instalaes eltricas, muito importante que seja dada a devida ateno qualidade de energia na instalao, para evitar danos ou mau funcionamento de equipamentos. Porm, este esforo deve ser feito tanto pelos consumidores quanto pelas concessionrias de energia eltrica, no sentido de evitar que problemas na qualidade de energia gerados em uma instalao sejam propagados pela rede e atinja os demais consumidores. Uma anlise criteriosa de cada caso necessria para garantir a eficcia das solues.

Diante de uma regulamentao nacional ainda fraca no assunto, o estudo de normas internacionais como a IEC 61000-3-2 e IEEE 519 pode reduzir problemas como interrupo, danos a equipamentos e prejuzos para indstrias.

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CAPTULO II

II. Qualidade de energia

II.1. Introduo

A energia eltrica pode ser considerada uma commodity com caractersticas bem peculiares. Ela usada como um fluxo contnuo, no pode ser armazenada em grandes quantidades e no possvel fazer uma verificao na qualidade antes do uso. Assim, podemos dizer que a energia eltrica um exemplo de aplicao da filosofia Just in Time onde o produto entregue na linha de produo no ponto e tambm no momento em que utilizado. Para que isso seja satisfatrio, necessrio um efetivo controle da especificao do produto, uma alta confiabilidade de que o produto vai ser entregue pelo fornecedor no tempo e dentro das especificaes e o conhecimento de todo o comportamento do produto com seus componentes dentro dos limites. Apesar disso, o fato da energia eltrica ser gerada a quilmetros de distncia do ponto de uso, e por isso, precisar atravessar longas linhas de transmisso, passar por inmeros transformadores e tambm por equipamentos de propriedade dos clientes faz com que assegurar a qualidade da energia entregue aos consumidores no seja uma tarefa fcil. Alm disso, no possvel que a energia fora do padro seja retirada da cadeia de suprimento ou rejeitada pelo cliente.

A percepo de qualidade de energia do fornecedor pode ser muito diferente da percepo do cliente. O problema de fornecimento de energia mais conhecido a interrupo, que pode durar de poucos segundos at horas. Longas interrupes afetam a todos os consumidores, porm interrupes de curta durao podem representar grandes perdas para alguns consumidores. Alguns exemplos de operaes sensveis so:

operaes de processos contnuos, onde pequenas interrupes podem interromper o sincronismo das maquinas e resultar em grandes volumes de produtos semi-processados. Um exemplo tpico o da indstria de fabricao de papel, onde recomear o processo longo e caro.

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operaes de mltiplos-estgios, onde a interrupo durante um processo pode comprometer os processos anteriores. Um exemplo disso a indstria de semicondutores, que durante a produo de wafers requer diversos processos durante vrios dias e a falha de um processo compromete toda a produo.

processamento de dados, onde o valor das transaes alto mas o custo do processo baixo, como em transaes financeiras. A incapacidade de uma transao ser realizada pode resultar em grandes perdas que superam em muito o custo do processo.

Com isso, possvel perceber a importncia de um suprimento de energia de alta qualidade. Um suprimento que esteja sempre disponvel, sempre dentro das tolerncias de tenso e freqncia e com uma onda puramente senoidal sem distores. Mas quanto de desvio desse sistema pode ser tolerado depende da aplicao do usurio, do tipo de equipamento instalado e da percepo do cliente dos seus requisitos. Os defeitos na qualidade de energia (desvios da perfeio) podem ser segmentados em cinco categorias:

Interrupes (Blackouts) Sub ou Sobretenso de longa durao

Afundamentos de tenso e Surtos de curta durao

Transitrio

Distores Harmnicas

Cada um desses problemas de qualidade de energia possui diferentes causas. Alguns problemas que ocorrem na rede como defeitos, podem provocar problemas em muitos consumidores, assim como um problema em um cliente pode causar transitrio que vo afetar todos os outros clientes do mesmo subsistema. Isto gera uma discusso sobre de quem a responsabilidade por garantir a qualidade da energia.

As empresas fornecedoras de energia argumentam que os usurios crticos devem assumir o custo para assegurar a qualidade do suprimento deles mesmos ao invs de esperarem que a indstria de suprimento de energia fornea uma alta confiabilidade

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no fornecimento para todos os clientes em toda a rede. Essa garantia de qualidade no fornecimento requer um investimento substancial em ativos adicionais para a rede, para o beneficio de relativamente poucos clientes (em nmeros, no em termos de consumo) e assim, seria invivel economicamente. Por outro lado, os clientes se defendem dizendo que a responsabilidade na qualidade da energia no pode ser atribuda a eles por que com isso a indstria de fornecimento de energia no faria mais investimentos para aumentar a confiabilidade do sistema.

II.2. Tipos de perturbaes eltricas

II.2.1. Perturbaes na amplitude de tenso

Este tipo de perturbao ocorre quando, sobre um sinal perfeitamente senoidal, so produzidas variaes de tenso como, por exemplo: afundamento (sag), interrupo, sobretenso, sobretenso transitria, flutuao, cintilao (flicker) e subtenso.

O afundamento (sag) se caracteriza por uma diminuio brusca de tenso, seguida por um restabelecimento aps um curto intervalo de tempo. Geralmente um sag ocorre num intervalo de 10ms at 1 minuto.

J a interrupo ocorre quando a tenso inferior a determinado limite, geralmente de 1% da tenso de servio no local (fonte: Moreno, Hilton. Harmnicas nas Instalaes Eltricas Causas, efeitos e solues. Procobre, 2001).

Geralmente a causa principal para afundamento e interrupo o aumento brusco da corrente (fonte: Moreno, Hilton. Harmnicas nas Instalaes Eltricas Causas, efeitos e solues. Procobre, 2001), seja por curto-circuito, partidas ou comutaes de cargas com elevada potncia. As quedas de tenso provocadas por essas correntes elevadas desaparecem com a atuao da proteo ou quando as cargas que partiram atingem seu regime permanente.

A sobretenso uma tenso com valor eficaz superior a tenso de servio do local (geralmente 10%) e pode ser de curta e longa durao (fonte: Moreno, Hilton. Harmnicas nas Instalaes Eltricas Causas, efeitos e solues. Procobre, 2001). As de curta durao, em geral, so de maior amplitude do que as de longa durao.

A sobretenso transitria de curta durao e, normalmente, apresenta um forte amortecimento em sua forma de onda.

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As causas das sobretenses so: entrada em servio de grupo de geradores, conexes e desconexes de certos elementos da instalao, comutaes em bancos de capacitores, operao de retificadores controlados, variadores de velocidade, lmpadas de descarga, atuao de dispositivos de proteo, descargas atmosfricas, etc. A principal conseqncia desta sobretenso o comprometimento da vida til de equipamentos como motores e transformadores, perda de dados ou programas de equipamentos de eletrnica de potncia.

A flutuao de tenso tem origem em cargas que apresentam variaes na amplitude do sinal, peridicas ou aleatrias. Normalmente essas flutuaes situam-se na faixa de mais ou menos 10% do valor nominal. A variao da luminosidade das lmpadas o efeito mais visvel da flutuao.

A cintilao (flicker) pode ser notada pela sensao visual de que a luminosidade est variando no tempo.

A origem das flutuaes e cintilaes so as cargas que apresentam variaes rpidas no seu funcionamento e com isso produzem quedas de tenso na rede ao longo do tempo. Entre os equipamentos que mais provocam esses tipos de perturbao esto as mquinas de soldar por resistncia, os motores durante a partida, a conexo e desconexo de grandes cargas, as partidas de lmpadas de descarga, os aparelhos eletrodomsticos com regulao automtica (de tempo, temperatura, etc.) e outros.

Quando a flutuao ocorre com uma subtenso, os transformadores e mquinas girantes sofrem aquecimentos anormais devido ao aumento da corrente provocado pelas cargas de potncia ou torque constantes. A Figura 1 apresenta um diagrama dos principais tipos de perturbao na amplitude de tenso.

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Figura 1 Perturbaes de Tenso - % da tenso nominal X tempo

II.2.2. Perturbaes na freqncia do sinal

Apesar de serem incomuns em instalaes eltricas em geral, as perturbaes de freqncia so variaes em torno do valor nominal e so causadas, geralmente, nos sistemas de gerao e transmisso. Tambm ocorrem em sistemas que possuam grupo de geradores e sistemas de cogerao.

II.2.3. Desequilbrios de tenso ou corrente em sistemas trifsicos

Os desequilbrios de tenso so produzidos nos sistemas trifsicos quando existem diferenas significativas entre os valores eficazes das tenses presentes na instalao. J os desequilbrios de corrente ocorrem quando correntes de fases no so iguais e assim, existe corrente diferente de zero no condutor neutro. A conseqncia dessa circulao de corrente um sobreaquecimento geral nos componentes da instalao. Os desequilbrios mximos admitidos so 10% para correntes e entre 2% e 3% para tenses (fonte: Moreno, Hilton. Harmnicas nas Instalaes Eltricas Causas, efeitos e solues. Procobre, 2001).

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II.2.4. As perturbaes nas formas de ondas

Com o aumento do uso de equipamentos de eletrnica de potncia como diodos, tiristores, transistores, triacs, diacs, etc. a partir da dcada de noventa, as perturbaes harmnicas ganharam muita importncia. Isto porque estes equipamentos provocam

deteriorao da qualidade de energia e deformao nas formas de onda presente nas instalaes eltricas, o que resulta nas chamadas tenses e correntes harmnicas. Este tipo de deformao ser melhor apresentado no captulo 3.

II.3. Os custos da m qualidade de energia

Os custos decorrentes de uma m qualidade de energia podem ser muito elevados em relao aos custos necessrios para garantir uma boa qualidade de energia, porm estes custos no so proporcionais quantidade de energia consumida e sim s caractersticas do negcio e os desvios aceitveis por esses consumidores. A definio sobre quem o responsvel por assegurar a qualidade de energia e para isso garantir os investimentos necessrios muito complexa e polmica, visto que determinada qualidade de energia pode ser suficiente para um grande nmero de clientes e insuficiente para poucos.

Podemos analisar os impactos da m qualidade de energia de acordo com os defeitos abaixo:

II.3.1. Distoro Harmnica

As distores harmnicas so causadas pelas cargas no-lineares no sistema de energia eltrica e geram correntes no sistema com magnitude maior do que esperada com componentes de freqncias harmnicas. Essas correntes no podem ser medidas com os instrumentos convencionais, por isso pode-se subestimar a sua amplitude em at 40%. Com isso, os condutores podem ser mal dimensionados, ficarem superaquecidos e causar perdas de energia de aproximadamente 2% a 3% da carga.

Outro problema relativo distoro harmnica que as componentes de freqncia harmnica causam aumento das perdas por correntes parasitas nos transformadores, sendo que essas perdas so proporcionais ao quadrado da freqncia.

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Com o aumento das perdas, a temperatura tambm aumenta e com isso a vida til do equipamento reduzida consideravelmente.

Assim, os principais efeitos econmicos relacionados s distores harmnicas so a diminuio na vida til dos equipamentos, a reduo da eficincia energtica e a susceptibilidade a variaes constantes na amplitude de tenso.

II.3.2. Interrupes

As interrupes so os problemas de qualidade de energia mais comuns com duraes de alguns segundos at dias ou meses (em casos extremos). Estas interrupes no podem ser apenas atribudas s concessionrias de energia. Na realidade so vrios os fatores que podem causar as interrupes.

As protees contra as falhas no suprimento de energia requerem dois tipos de aes: o projeto deve ser elaborado de modo a evitar pontos com grandes riscos de falhas e deve ser verificada a necessidade de backup de suprimento de energia no sistema. Estas tcnicas no so complexas nem caras, alm de que podem gerar benefcios considerveis.

II.3.3. Afundamentos e surtos de curta durao

Afundamentos so diminuies na amplitude de onda da voltagem RMS em um tempo que pode durar de uma frao de segundo a muitos segundos. Os Surtos so descritos em termos da durao e da voltagem retida (percentual da voltagem remanescente). A Curva ITIC (Information Technology Industry Council) mostrada na figura 2, descreve a tolerncia dos equipamentos aos diversos tipos de distrbios na tenso que podem ser tolerados sem um mau funcionamento no tempo.

Esta curva foi originalmente produzida para ajudar os usurios de computadores a resolver problemas de qualidade de energia com as distribuidoras. Ao se padronizar os requerimentos do equipamento, ficou muito mais simples determinar quando a energia est sendo suprida de forma adequada atravs de medies no local.

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Figura 2 Curva ITIC - % da tenso nominal X tempo

Muitos afundamentos so causados por defeitos na rede de suprimento de energia sendo que o grau de severidade do surto depende da posio relativa do gerador e do defeito. A tabela 1 mostra algumas perdas tpicas, em euro, resultantes de distrbios na rede. Note que indstrias que realizam processos de mltiplos estgios e transaes financeiras so as reas que possuem as maiores perdas por evento.

Tabela 1 Indstria X Perdas financeiras por evento

Fonte: Chapman, David. Power Quality and Application Guide. Cooper Development Association, 2001

Existem ainda custos volumosos decorrentes de eventos com duraes menores do que um segundo. o caso da indstria de papel, em que o efeito de um afundamento pode ser igual a uma interrupo total, com os mesmos custos para recomear o processo, perdas de matria prima e produo. Outro exemplo o da indstria de semicondutores que tem uma durao demorada do processo de fabricao dos wafers e qualquer distrbio pode acarretar na perda de todas as etapas.

Indstria Perda Financeira por evento Produo de Semicondutor 3.800.000

Transaes Financeiras 6.000.000 por hora Centros de Computadores 750.000

Telecomunicaes 30.000 por minuto Trabalhos com Ao 350.000 Indstria do Vidro 250.000

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II.3.4. Transitrios

Transitrios so distrbios de corrente ou voltagem de curta durao (at alguns milisegundos), porm de alta intensidade. A maioria desses distrbios proveniente de descargas atmosfricas ou manobras de linhas ou cargas reativas. Devido s altas freqncias envolvidas, este fenmeno atenuado consideravelmente durante a sua propagao na rede. Assim transitrios que ocorrem perto do ponto de interesse so muito maiores do que aqueles que ocorrem mais distantes. Dispositivos de proteo na rede geralmente asseguram que os transitrios se mantenham em nveis seguros de operao e quando ocorrem problemas, normalmente so devido a transitrios originados perto ou at dentro das instalaes.

Os danos causados por transitrios podem ser instantneos como um desligamento de uma usina de energia eltrica ou uma corrupo de dados em computadores e cabeamentos de redes, ou ento podem ser progressivos com uma srie de eventos gerando pequenos danos at a ocorrncia de uma falha maior. Nestes casos, o custo de reposio de equipamentos assim como o tempo de interrupo deve ser considerado.

As principais premissas que devem ser seguidas so que a instalao do sistema de aterramento deve possuir baixa impedncia dentro de uma larga faixa de freqncias, com uma conexo tambm de baixa impedncia para o eletrodo de aterramento. O sistema de proteo para descargas atmosfricas deve ser projetado de modo a levar em considerao fatores locais como, por exemplo, o nvel cerunico. Os dispositivos de proteo para transitrios devem estar presentes nas entradas de todos os condutores, incluindo linhas telefnicas e outras de comunicao.

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CAPITULO III

III. Harmnicas

III.1. Introduo

As tenses e correntes harmnicas, como visto anteriormente, so perturbaes nas formas de onda. Elas so provocadas principalmente pelo uso de equipamentos de acionamentos estticos, fontes chaveadas e outros dispositivos eletrnicos nas plantas industriais.

As harmnicas so um fenmeno contnuo e no devem ser confundidas com outros fenmenos de curta durao como transitrios, picos de sobretenso e subtenso. Estas perturbaes no sistema podem normalmente ser eliminadas com a aplicao de filtros de linha (supressores de transitrios). Entretanto, estes filtros de linha no reduzem ou eliminam correntes e tenses harmnicas.

As tenses e correntes harmnicas podem ser definidas como um sinal senoidal cuja freqncia mltiplo inteiro da freqncia fundamental do sinal de alimentao. A Figura 3 mostra uma onda deformada devido presena de uma harmnica de corrente. Note que a onda T a soma ponto a ponto das ondas 1 e 5 que correspondem onda de freqncia fundamental e onda de quinto harmnico respectivamente.

Figura 3 Onda deformada e suas componentes harmnicas

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Tambm possvel visualizar este efeito na Tabela 2 atravs da soma dos valores de corrente das ondas 1 e 5 durante o mesmo intervalo de tempo

Tabela 2 Valores para os sinais 1, 5 e T da Figura III.1

tempo Sinal 1 (A) Sinal 5 (A) Sinal T (A) Sinal 1 + Sinal 5

3 90 50 140

6 190 0 190

9 230 -50 180

12 300 0 300

15 310 50 360

18 300 0 300

21 230 -50 180

24 190 0 190

27 90 50 140

30 0 0 0

Fonte: Moreno, Hilton. Harmnicas nas Instalaes Eltricas Causas, efeitos e solues. Procobre, 2001

As harmnicas podem ser classificadas quanto sua ordem, freqncia e seqncia, conforme indicado na Tabela 3.

Tabela 3 Ordem, freqncia e seqncia das harmnicas para equipamentos de eletrnica de potncia

Ordem Freqncia (Hz) Seqncia 1 60 +

2 120 -

3 180 0

4 240 +

5 300 -

6 360 0

n n * 60 (+,-,0) Fonte: Moreno, Hilton. Harmnicas nas Instalaes Eltricas Causas, efeitos e

solues. Procobre, 2001

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Pode-se observar da Tabela 3, que a ordem corresponde ao mltiplo da freqncia fundamental e a seqncia pode ser positiva, negativa ou nula. Alm disso, as harmnicas podem ser classificadas como mpares ou pares, onde as mpares so de origem de corrente alternada e as pares de corrente contnua. Geralmente as harmnicas mpares so encontradas nas instalaes eltricas e as pares nos casos em que h assimetrias devido presena de componente contnua.

O efeito das seqncias das harmnicas em instalaes alimentadas por quatro condutores (3F + N) pode ser entendido da seguinte forma: as harmnicas de seqncia positiva e negativa provocam aquecimento nos condutores de fase, enquanto as de seqncia zero somam-se algebricamente no condutor neutro, o que pode causar at mesmo a destruio de bancos de capacitores.

III.2. Espectro Harmnico

O espectro harmnico pode ser representado por um grfico de barras, onde cada barra representa uma harmnica com a sua freqncia, valor eficaz e defasagem. Um espectro poderia mostrar todas as componentes de uma onda, porm na prtica, a ordem limitada de modo a considerar apenas as harmnicas que podem perturbar o funcionamento de uma instalao. A figura 4 mostra um exemplo de espectro harmnico, onde a onda de tenso praticamente senoidal, e por isso, a nica componente visvel a fundamental.

Figura 4 Forma de onda e espectro de um sinal praticamente senoidal

J na figura 5, o espectro mostra uma onda de corrente distorcida com componentes de ordem 3, 5, 7, 9 e vrias outras.

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Figura 5 Forma de onda e espectro de um sinal distorcido

III.3. Taxa de Distoro Harmnica Total (THD)

A taxa de distoro harmnica (THD) definida de forma a medir o quanto a corrente ou tenso afetada pelas componentes harmnicas em um determinado ponto da instalao.

A THD pode ser quantificada de duas formas, conforme as equaes.

%100)(...)()()(

1

224

23

22

xh

hhhhTHD nf

++++= (1)

%100)(...)()()()(...)()()(

223

22

21

224

23

22

xhhhh

hhhhTHD

n

n

r

++++

++++= (2)

A primeira equao indica a distoro harmnica total em relao componente fundamental e a segunda distoro harmnica em relao ao sinal total.

Porm, possvel verificar que em ambas as equaes, na ausncia de componentes harmnicas o THD ser igual a zero, o que indica que quanto menor o valor da THD, menos distorcido o sinal em relao fundamental.

So definidos dois valores de THD, sendo um para tenso (THDV) e outro para corrente (THDI), os quais indicam, respectivamente, o grau de distoro das ondas de tenso e corrente, em relao onda puramente senoidal.

16

A THDI provocada pela carga, enquanto que a THDV pode ser produzida pela fonte geradora como conseqncia da circulao de correntes distorcidas pela instalao ou pela carga, o que provoca o efeito bola de neve.

Um exemplo de THDf para um sinal de corrente pode ser visto de acordo com as seguintes caractersticas medidas em um ponto do circuito, conforme mostra a Tabela 4.

Tabela 4 Exemplo de correntes harmnicas em um dado sinal Ordem Valor em A

1 3,63

3 2,33

5 0,94

7 0,69

9 0,50

11 0,41

13 0,33

Total 4,53 Fonte: Moreno, Hilton. Harmnicas nas Instalaes Eltricas Causas, efeitos e

solues. Procobre, 2001

Desses valores pode-se obter:

%5,74%10063,3

)33,0()41,0()50,0()69,0()94,0()33,2( 222222=

+++++= xTHD f (3)

A Figura 6 mostra o sinal de corrente e o seu respectivo espectro harmnico relativo ao exemplo.

17

Figura 6 Forma de onda de corrente e seu espectro harmnico

Como pode ser notado, a onda de corrente bastante deformada em relao fundamental, o que pode ser verificado atravs do valor do THDf (74,5%).

A Figura 7 mostra dois outros exemplos de ondas e respectivos espectros harmnicos associados a THDf bem distintos. O primeiro mostra uma onda quase senoidal com THDf = 2,5% enquanto que o segundo mostra uma onda bem distorcida com THDf = 79,1%.

Figura 7 Forma de ondas de corrente e seus espectros harmnicos

18

III.4. Fator de Potncia e cos

Fator de potncia e cos usualmente so considerados sinnimos, o que s apropriado para o caso em que no existam componentes harmnicas no circuito.

A definio de fator de potncia a relao entre a potncia ativa e a potncia aparente definida para um sinal peridico no senoidal. J a definio de cos a relao entre a potncia ativa e a potncia aparente definida para cada uma das componentes harmnicas (senoidais).

)()(

VASWPfp = (4)

)()(

cosVASWP

hn

hnn = (5)

O que pode ser feito para avaliar a quantidade de componentes harmnicas em um circuito medir o cos da componente fundamental e o fator de potncia do sinal deformado e aps isso comparar o resultado. Se os valores estiverem diferentes, significa que o circuito possui componentes harmnicas.

A Figura 8 mostra um exemplo onde possvel ver que fp = 0,70 e cos = 0,87, o que demonstra uma quantidade razovel de componentes harmnicas no sinal.

Figura 8 Forma de onda com diferena entre fator de potncia e cos

19

III.5. Fator de Reduo de capacidade nominal

Os transformadores so dimensionados considerando-se a potncia nominal e o calor dissipado em regime de plena carga, e so calculados com base na hiptese de que o sistema composto de cargas lineares e que no produzem harmnicas. No entanto, no isto o que ocorre. As cargas no lineares geram harmnicas que circulam nos transformadores e produzem um sobreaquecimento. Para evitar que estes equipamentos sejam danificados necessrio estabelecer um fator que indique o quanto deve ser reduzida a potncia mxima de sada para quando existirem harmnicas.

As expresses mais usuais para o fator K e a mxima potncia fornecida por um transformador so:

2rmspico

I

IK = (6)

KSS nommx = (7)

Para isso necessrio determinar o valor de pico e a corrente eficaz em cada fase do secundrio do transformador, para ento tirar a mdia desses valores e inserir na expresso acima.

Assim, supondo um fator de reduo da capacidade nominal K = 1,2 determinado para um transformador de 1000 kVA, ento para evitar o sobreaquecimento do equipamento, a mxima potncia permitida seria de 1000 / 1,2 = 833 kVA.

III.6. Fator de Crista

A definio de fator de crista (FC) a relao entre o valor de pico e o valor eficaz de um sinal.

rms

pico

II

FC = (8)

20

Um exemplo pode ser visto na Figura 9, onde existem dois sinais de corrente, sendo que as duas ondas possuem o mesmo valor eficaz enquanto que o valor de pico da onda 1 maior do que o valor de pico da onda 2. Com isso possvel perceber que em circuitos onde h a presena de harmnicas, o valor eficaz uma informao pouco significativa, e que para analisar o tipo de sinal a ser medido necessrio conhecer tambm o seu valor de pico e a sua distoro harmnica total (THD).

Figura 9 Exemplo de fator de crista

III.7 Cargas que produzem Harmnicas

As harmnicas esto diretamente associadas s cargas no lineares. Essas cargas possuem dispositivos de eletrnica de potncia como, por exemplo: diodos, transistores, tiristores, sendo que praticamente todos eles operam em modo de interrupo. Isto significa que funcionam em estado de conduo e bloqueio, onde o primeiro corresponde a um interruptor fechado, em que a corrente pode alcanar valores elevados enquanto a tenso praticamente nula e o segundo estado corresponde a um interruptor aberto, em que a corrente muito pequena enquanto a tenso elevada. Assim, o usurio pode alternar os instantes de conduo e bloqueio, e consequentemente a tenso e corrente desses dispositivos de controle. A Figura 10 mostra um exemplo das distores harmnicas causadas por dispositivos no lineares:

21

Figura 10 Formas de onda no circuito com dispositivo no linear

III.8. Causas e Efeitos

Assim como qualquer perturbao na forma de onda puramente senoidal afeta a qualidade de energia da instalao e pode causar danos a equipamentos, com as harmnicas no diferente.

22

As harmnicas podem causar aquecimentos excessivos, disparos de dispositivos de proteo, ressonncia, vibraes, aumento da queda de tenso e reduo do fator de potncia da instalao, tenso elevada entre neutro e terra, etc.

III.8.1 Causas

As correntes harmnicas das cargas so produzidas por todas as cargas no lineares que incluem cargas monofsicas e trifsicas.

III.8.1.1. Cargas monofsicas:

Fontes chaveadas (SMPS Switched Mode Power Supplies) Lmpadas fluorescentes

Pequenas fontes de potncia ininterrupta (UPS Uninterruptible Power Supplies)

III.8.1.1.1. Fontes chaveadas

Atualmente a maioria dos equipamentos utiliza fonte chaveada em detrimento aos transformadores. A vantagem do uso de fontes chaveadas que o tamanho, o custo e o peso so reduzidos significativamente. Em compensao, a principal desvantagem que ao invs de utilizar corrente contnua do suprimento, utiliza pulsos de corrente com grande quantidade de 3 harmnica e harmnicas maiores, alm de significantes componentes de alta freqncia (ver Figura 11 abaixo).

Essas componentes de alta freqncia podem at ser neutralizadas por um simples filtro, porm, este mesmo filtro no tem nenhum efeito sobre as harmnicas de ordem mais baixas.

23

Figura 11 Espectro Harmnico de um computador com fonte chaveada

III.8.1.1.2. Lmpadas Fluorescentes

As lmpadas fluorescentes ficaram populares recentemente devido a demanda por uma melhoria na eficincia. A vantagem principal que o nvel de iluminao mantido praticamente constante durante um longo tempo de vida. E a maior desvantagem que este equipamento produz harmnicas na corrente de suprimento. Algumas lmpadas chamadas de corretoras de fator de potncia so disponveis em nveis de tenso maiores e reduzem os problemas com as perturbaes harmnicas, porm com um custo significativamente maior. As lmpadas fluorescentes compactas esto sendo amplamente utilizadas na substituio das tradicionais lmpadas com filamento de tungstnio. Algumas dessas lmpadas de 11W podem substituir lmpadas tradicionais de 60W, o que corresponde a uma economia energtica de aproximadamente 80% do consumo de energia eltrica para iluminao, e possuem um tempo de vida maior (aproximadamente 8000 horas).

Um espectro de harmnicas da corrente da lmpada fluorescente compacta mostrado na Figura 12:

24

Figura 12 Espectro Harmnico de uma lmpada fluorescente compacta

III.8.1.2. Cargas trifsicas:

Variadores de velocidade (Variable Speed Drives) Grandes fontes de potncia ininterrupta (UPS Uninterruptible Power Supplies)

Os variadores de velocidade (Variable Speed Drives), as fontes de potncia ininterrupta (UPS Uninterruptible Power Supplies) e os conversores CC so geralmente baseados em pontes trifsicas como a da Figura 13.

Figura 13 Ponte Trifsica ou de seis pulsos

25

Essas pontes tambm so conhecidas como ponte de seis pulsos porque cada ciclo de onda possui seis pulsos. A ponte de seis pulsos produz harmnicas de ordem 6n 1, e a amplitude de cada harmnica o recproco do nmero, ou seja, 20% para quinta harmnica, 9% para dcima primeira harmnica e assim por diante.

Um espectro harmnico tpico dessa ponte mostrado na figura 14:

Figura 14 Espectro Harmnico de uma tpica ponte de seis pulsos

A amplitude das harmnicas pode ser reduzida atravs do uso de uma ponte de doze pulsos, que efetivamente duas pontes de seis pulsos alimentadas por um transformador delta-estrela com 30 graus de defasagem entre elas. Neste caso as harmnicas de ordem 12n 1 so as nicas que permanecem.

A Figura 15 mostra uma ponte de doze pulsos.

26

Figura 15 Ponte de doze pulsos

Os efeitos das harmnicas podem ocorrer tanto na instalao quanto no sistema de suprimento e as solues so bem diferentes e precisam ser consideradas separadamente. As medidas necessrias para reduo de correntes ou tenses harmnicas em uma instalao podem no necessariamente reduzir as distores harmnicas em um sistema de suprimento de energia eltrica, e vice versa.

III.8.2. Efeitos

Os principais problemas causados por harmnicas em uma instalao so apresentados a seguir:

III.8.2.1. Problemas causados por correntes harmnicas

Aquecimento do condutor neutro

Perdas nos transformadores

Disparo de dispositivos de proteo

Sobre estresse de capacitores de correo de fator de potncia

Efeito pelicular

III.8.2.1.1. Aquecimento do condutor neutro

27

Em sistemas trifsicos balanceados, as tenses fase-neutro esto defasadas em 120 umas das outras, e quando cada fase carregada igualmente, a corrente que flui pelo condutor neutro igual a zero. Quando existe um desbalano entre as tenses, as correntes so somadas ao neutro e a resultante diferente de zero. Isso no passado fez com que o condutor neutro fosse usualmente dimensionado com a metade da bitola dos condutores de fase. Entretanto, apesar das correntes fundamentais se cancelarem, o mesmo no ocorre com as correntes harmnicas, principalmente as harmnicas

mltiplas de trs (as chamadas 3N). Essas correntes harmnicas somam-se no condutor neutro atingindo de 150% a 210% da amplitude da corrente fundamental (fonte: Moreno, Hilton. Harmnicas nas Instalaes Eltricas Causas, efeitos e solues. Procobre, 2001). A Figura 16 mostra como as correntes harmnicas de ordem 3N se comportam no condutor neutro.

Figura 16 Correntes harmnicas de ordem 3N somadas ao neutro

III.8.2.1.2. Efeito nos transformadores

Os transformadores so afetados de duas maneiras pelas harmnicas. A primeira pelas perdas por correntes parasitas, cerca de 10% da perda em carga total, acrescida do quadrado da ordem da harmnica. Isto significa que para um transformador alimentando um equipamento com dispositivos de eletrnica de potncia no-lineares, as perdas do

28

transformador seriam o dobro de um transformador que estivesse alimentando uma carga linear. Isto resultaria em uma temperatura de operao mais elevada e consequentemente, em um menor tempo de vida do equipamento. A segunda maneira pela qual os transformadores so afetados pelas harmnicas so as harmnicas de ordem 3N. Estas harmnicas ficam presas no delta dos transformadores como correntes circulantes, assim, essas correntes devem ser levadas em considerao no dimensionamento dos transformadores.

III.8.2.1.3. Disparo de dispositivos de proteo

Dispositivos de proteo operados por corrente residual, funcionam somando as correntes de neutro e fase, e se o resultado ficar fora de um limite estabelecido, disparado o dispositivo. O disparo indesejvel pode ocorrer de duas maneiras na presena de harmnicas. A primeira que sendo um equipamento eletromecnico, no possvel medir corretamente a soma das componentes de alta freqncia e assim, pode disparar incorretamente. E a segunda que os equipamentos que usualmente geram harmnicas tambm geram rudos de manobra que devem ser filtrados nas conexes do equipamento. Os filtros geralmente utilizados para este propsito possuem um capacitor da linha e do neutro para a terra, e assim drenam uma pequena quantidade de corrente para terra. Essa corrente limitada por norma em menos de 3,5 mA, mas pode ser suficiente para disparar o dispositivo de proteo.

III.8.2.1.4. Sobre estresse de capacitores de correo de fator de potncia

Esses capacitores foram desenvolvidos para compensar as correntes com o ngulo de fase atrasado que circulam nas cargas, como os amplamente utilizados motores de induo, e assim aumentar o fator de potncia. A Figura 17 mostra um capacitor de correo de fator de potncia com uma carga no linear.

29

Figura 17 Circuito equivalente de uma carga no linear com um capacitor

A impedncia do capacitor de correo de fator de potncia diminui quando a freqncia aumenta, enquanto que a impedncia da fonte geralmente indutiva e aumenta com a freqncia. Dessa forma o capacitor carrega correntes harmnicas de ordens elevadas e caso no seja projetado para isso, pode sofrer algum tipo de dano.

Outro problema quando o capacitor e a indutncia do sistema de suprimento entram em ressonncia. Quando isso ocorre, grandes tenses e correntes podem ser geradas, e com isso, falhas no sistema do capacitor. Para resolver esse problema de ressonncia, uma impedncia pode ser instalada em srie com o capacitor para que o conjunto seja indutivo somente na componente harmnica de menor ordem. Essa soluo tambm limita a corrente harmnica que circula pelo capacitor.

III.8.2.1.5. Efeito Pelicular

A corrente alternada tende a fluir na superfcie externa do condutor. Esse fenmeno conhecido como efeito pelicular e mais perceptvel em freqncias elevadas. Geralmente este efeito ignorado por pouco influenciar nas freqncias de suprimento, porm em freqncias superiores a 350Hz o efeito pelicular torna-se significante, causando perdas adicionais e aquecimento. Por este motivo, este fenmeno deve ser considerado sempre que correntes harmnicas estiverem presentes na rede.

III.8.2.2. Problemas causados por tenses harmnicas

Distores na tenso

Perdas nos motores de induo

30

Rudos em detectores de zero

III.8.2.2.1. Distores na tenso

Por causa da impedncia da fonte, as correntes harmnicas das cargas do origem a distores harmnicas de tenso. Existem dois elementos para a impedncia: o do cabeamento interno a partir do ponto de acoplamento comum (PAC), e o inerente ao suprimento do PAC (o transformador de suprimento local). A Figura 18 mostra esta caracterstica:

Figura 18 Distores de tenso causadas por cargas no lineares

A corrente distorcida que circula pelas cargas no lineares causam uma tenso distorcida na impedncia do cabo. A onda de tenso distorcida resultante aplicada a todas as outras cargas conectadas ao mesmo circuito, causando um fluxo de correntes harmnicas, mesmo em cargas lineares.

A soluo separar os circuitos que geram correntes harmnicas daqueles que possuem cargas sensveis a estas harmnicas, conforme mostrado na Figura 19.

31

Figura 19 Separao de cargas lineares e no lineares

Na Figura 19, circuitos separados alimentam as cargas lineares e no lineares a partir do ponto de acoplamento comum (PAC), assim a tenso harmnica causada pela carga no linear no afeta a carga linear.

Quando for considerada a amplitude da tenso harmnica, deve ser levado em conta que quando a carga transferida para um UPS ou para um gerador de emergncia durante uma interrupo do fornecimento de energia eltrica, a impedncia da fonte e a distoro resultante de tenso podem ser maiores.

Onde os transformadores locais forem instalados, estes devem ser selecionados para terem baixa impedncia de sada e capacidade suficiente para suportar o aquecimento adicional, ou em outras palavras, devem ser superdimensionados.

III.8.2.2.2. Perdas nos motores de induo

As tenses harmnicas causam o aumento das perdas por correntes parasitas nos motores, da mesma maneira que causam nos transformadores. Contudo, perdas adicionais so geradas pela formao de campos harmnicos no estator, sendo que estes campos tendem a fazer o motor girar em diferentes velocidades e sentidos. Correntes de alta freqncia induzidas no rotor tambm aumentam as perdas.

Por estas razes, sempre que correntes harmnicas estiverem presentes, os

motores devem ser dimensionados para conviverem com estas perdas adicionais.

32

III.8.2.2.3. Rudos em detectores de zero

Muitos controladores eletrnicos detectam o ponto onde a tenso cruza o ponto zero para, por exemplo, determinar quando as cargas devem ser ligadas. Isso acontece porque ao manobrar cargas reativas no ponto zero de tenso, estas no geram transitrios, e dessa forma reduz-se a interferncia eletromagntica (EMI) e o estresse dos dispositivos semicondutores de manobra. Quando harmnicas e transitrios esto presentes no suprimento, o nmero de vezes que a tenso cruza o ponto zero dentro de um mesmo ciclo aumenta e dificulta a identificao por esses dispositivos, levando a uma operao incorreta.

III.9. Medidas para mitigao de harmnicas

Os mtodos de mitigao de harmnicas podem ser divididos em trs grupos:

Filtros Passivos

Transformadores de separao e reduo de harmnicas

Filtros Ativos

Cada grupo possui vantagens e desvantagens, sendo que no existe uma soluo melhor para todos os casos. importante que seja realizado uma anlise criteriosa de cada caso para no escolher uma soluo que no seja adequada.

III.9.1. Filtros Passivos

Filtros passivos so usados para prover um caminho de baixa impedncia para as correntes harmnicas, assim elas fluem no filtro e no no suprimento, como mostrado na Figura 20.

33

Figura 20 Filtro Passivo de Harmnicas em paralelo com a carga

O filtro pode ser projetado para uma simples harmnica ou para uma faixa de freqncia dependendo dos requisitos.

s vezes necessrio projetar filtros mais complexos para aumentar a impedncia srie nas freqncias harmnicas e assim reduzir a proporo da corrente que flui de volta para o suprimento, como mostrado na Figura 21.

Figura 21 Filtro Passivo em paralelo e srie com a carga

O filtro LC geralmente usado em paralelo com a fonte poluidora. A figura 22 mostra uma ligao tpica desse filtro, onde tambm pode ser visto o emprego adicional de uma indutncia para amortecimento das harmnicas.

34

Figura 22 Emprego de filtro de harmnicas no compensado para atenuao de uma harmnica especfica

Nesse caso a indutncia (LP) e a capacitncia (CP) so escolhidas de modo que a impedncia do filtro seja zero para a freqncia que se deseja eliminar e seja muito pequena para as outras freqncias prximas dessas, ou seja:

LP x CP x 2 = 1 (9)

Por exemplo, se necessrio eliminar a 5 harmnica, temos:

LP x CP x (2 x pi x 5 x 60)2 = 1 (10)

LP x CP = 0,281 x 10-6 (11)

O filtro de harmnicas passivo LC descrito chamado de filtro no compensado, porm h outro tipo chamado de filtro de harmnicas compensado, mostrado na Figura 23, que particularmente recomendado para instalaes onde seja utilizada uma fonte de substituio de energia, como por exemplo, grupos geradores. A indutncia adicional (LA) instalada em paralelo com o filtro LC reduz a energia capacitiva introduzida pelo filtro, tanto na partida quanto em regime permanente.

35

Figura 23 Emprego de filtro de harmnicas compensado para atenuao de uma harmnica especfica

As principais vantagens dos filtros de harmnicas passivos LC so:

Simples e confiveis

A indutncia de compensao pode ser instalada a qualquer momento

Aumento do fator de potncia da instalao, uma vez que a introduo do capacitor compensa parte da energia indutiva dos componentes existentes

E as principais desvantagens so:

Limite de espectro de atuao, ou seja, o filtro elimina apenas o sinal harmnico sintonizado e atenua outras harmnicas prximas, mas no eficaz para uma banda mais larga de sinais

Depende da fonte de alimentao, pois o uso de filtro compensado obrigatrio no caso da presena de grupos geradores

Funciona adequadamente apenas se no houver alterao nas cargas durante a vida da instalao, uma vez que, a mudana das cargas pode provocar alterao no espectro harmnico da instalao, fazendo com que a freqncia de sintonia previamente estabelecida para o filtro seja diferente do novo valor existente

III.9.2. Transformadores de separao e reduo de harmnicas

36

Os transformadores de separao so utilizados para mitigar problemas com harmnicas, principalmente por sua propriedade de poder isolar as cargas da fonte. Assim, possvel confinar equipamentos que geram harmnicas dos outros equipamentos que so sensveis a este distrbio. Entretanto, estes transformadores utilizados no devem ser tratados como equipamentos convencionais, j que so submetidos a um aquecimento excessivo. Alem disso, estes transformadores de separao, dependendo da forma como os enrolamentos primrio e secundrio so ligados, podem ser mais adequados para o confinamento de certas ordens de harmnicas.

Os transformadores com ligao delta estrela so recomendados para a eliminao de harmnicas de ordem 3N.

Figura 24 Ligao delta estrela

Porm, devem ser especificados levando em considerao a carga extra que estes transformadores devero suportar. Com isso, a terceira harmnica e suas mltiplas inteiras no iro poluir a instalao a montante do ponto onde foi instalado o transformador. Dessa forma, todos os equipamentos a montante do transformador podem ser dimensionados sem nenhuma preocupao adicional em relao s harmnicas 3N.

Conforme pode ser visto na Figura 25, a aplicao desses transformadores recomendada para atender principalmente equipamentos que possuem fontes monofsicas, tais como computadores pessoais, mquinas de fax, copiadoras, eletrodomsticos em geral, etc.

37

Figura 25 Transformador para confinamento de harmnicas de ordem 3N

Para as cargas trifsicas que produzem harmnicas, algumas das harmnicas que predominam so as de quinta e stima ordem. Nestes casos uma possvel tcnica o uso de transformador com duplo secundrio, onde se realiza um defasamento angular de 30 entre os enrolamentos. Outra soluo o uso de dois transformadores com diferentes ligaes de forma a tambm se obter um defasamento de 30 entre as tenses. A Figura 26 mostra esses esquemas.

Figura 26 Transformador para confinamento de harmnicas de 5 e 7 ordem

O resultado destas solues a obteno de uma reduo da taxa de distoro harmnica da corrente (THDI) e, em particular, das harmnicas de 5 e 7 ordem. Isto ocorre porque, com a defasagem angular, as harmnicas de 5 e 7 ordem de um enrolamento esto em oposio de fase em relao s mesmas ordens de harmnicas do outro enrolamento.

38

muito importante que as cargas sejam trifsicas em ambos os secundrios para que esta soluo oferea resultado satisfatrio. Tambm necessrio que as cargas apresentem caractersticas similares nas duas distribuies e os carregamentos dos dois transformadores sejam praticamente iguais para que a soma das correntes no primrio seja muito prxima de zero.

A aplicao desta soluo recomendada principalmente a equipamentos do tipo retificadores trifsicos e variadores de velocidade.

III.9.3. Filtros Ativos

Ao contrrio das solues anteriores, onde o objetivo era eliminar algumas harmnicas particulares, como no caso do transformador de separao, em que foi mostrado a possibilidade de eliminao das harmnicas 3N ou das de 5 e 7 ordem, e o caso do filtro passivo, onde o filtro projetado para uma componente harmnica especfica, o filtro ativo recomendado para os casos onde no possvel identificar quais harmnicas esto presentes na rede, como por exemplo, instalaes de Tecnologia da Informao (TI) em que a mistura de equipamentos e a localizao constantemente alterada e consequentemente as caractersticas das harmnicas.

O filtro ativo um dispositivo instalado em paralelo entre a fonte e a carga poluidora, conforme a Figura 27.

Figura 27 Filtro ou Condicionador Ativo

O filtro analisa cada uma das fases continuamente, em tempo real, monitorando a corrente de carga. Dessa anlise obtm-se o espectro harmnico com a indicao da

39

fundamental e de todas as outras componentes harmnicas do sinal. O filtro (condicionador) ento gera um sinal de corrente que igual a diferena entre a corrente total da carga e a fundamental defasado de 180, que injetado na carga de forma que a resultante seja uma corrente semelhante a fundamental da fonte. Assim possvel afirmar que no existe circulao de correntes harmnicas no trecho entre a fonte e o n A da figura abaixo, e que todos os equipamentos ligados nesse trecho da instalao no sero afetados pela presena da carga harmnica.

Figura 28 Ligao em paralelo do Filtro Ativo

Uma das grandes vantagens desse filtro o fato de sua instalao ser relativamente simples e pode ser conectado em qualquer ponto da instalao.

Geralmente esses condicionadores empregam transistores IGBT no mdulo de potncia e podem cobrir uma faixa de harmnicas de ordem 2 a 25, por exemplo.

A utilizao de um filtro ativo em uma instalao pode ser junto s cargas que geram grandes quantidade de harmnicas, assegurando que a filtragem seja realizada localmente; pode ser tambm junto aos quadros de distribuio, realizando uma compensao parcial das harmnicas ou ainda junto ao quadro geral da instalao, para prover uma compensao geral das correntes harmnicas.

A vantagem de se instalar no ponto de origem da gerao de harmnicas a no circulao de correntes harmnicas pela instalao eltrica, a reduo das perdas por efeito Joule nos cabos e a reduo da seo dos condutores.

A Figura 29 mostra um bom exemplo da atuao de um filtro ativo de harmnicas.

40

Figura 29 Exemplo de atuao de filtro ativo

41

CAPITULO IV

IV. Comparao das normas IEEE 519 e IEC 61000-3-2

IV.1. IEC

O IEC (International Electrotechnical Commission) uma organizao no governamental de normatizao internacional, sem fins lucrativos, que elabora e publica normas internacionais para tecnologias eltricas, eletrnicas e assuntos relacionados. As normas IEC abrangem uma vasta gama de assuntos como gerao de energia eltrica, transmisso, distribuio, etc. O IEC tambm publica normas tcnicas com o IEEE (Institute of Electrical and Eletronics Engineers) e desenvolve normas em conjunto com o ISO (International Organization for Standardization) assim como o ITU (International Telecommunication Union).

O IEC foi fundado em 26 de junho de 1906, aps discusses entre o IEE (Institution of Electrical Engineers) britnico, o IEEE americano e outros, que comearam em 1900 no congresso internacional eltrico de Paris, e continuou com o Coronel Rookes Evelyn Bell Crompton assumindo um papel de destaque.

Atualmente conta com mais de 130 pases, sendo 67 destes membros e 69 afiliados (que participam de um programa para incentivo a pases em industrializao a se envolverem com o IEC).

Inicialmente localizado em Londres, mudou-se para Genebra em 1948 e na atualidade possui centros regionais em Singapura, So Paulo e Boston.

Atualmente o IEC lder mundial neste campo de atuao, e suas normas so adotadas como normatizao nacional pelos pases membros. Um trabalho realizado por cerca de 10000 especialistas das reas de eltrica e eletrnica de diversas indstrias, governos, laboratrios e outros.

Em 1938, o IEC publicou um vocabulrio internacional para unificar a terminologia eltrica. Esse trabalho ainda hoje continua e o Vocabulrio Eletrotcnico Internacional continua sendo um trabalho importante nas indstrias eltricas e eletrnicas.

As normas IEC so usualmente mais utilizadas na Europa.

42

IV.2. IEEE

O IEEE (Institute of Electrical and Eletronics Engineers) uma organizao internacional sem fins lucrativos voltada para o aperfeioamento da tecnologia relativa a eletricidade. Atualmente possui mais de 360000 membros em 175 pases.

O IEEE foi fundado em 1963 pela fuso da AIEE (American Institute of Electrical Engineers, fundada em 1884) e a IRE (Institute of Radio Engineers, fundada em 1912). O maior interesse da AIEE era a comunicao atravs de cabos e sistemas de potncia. J a IRE voltava seus interesses para a rea de engenharia de radio.

Em 1961, as lideranas de ambas as instituies decidiram consolidar as duas organizaes no que hoje conhecido como IEEE. Isto ocorreu em 01/01/1963.

A constituio da IEEE define os objetivos da organizao como uma organizao cientfica e educacional, direcionada para o avano da teoria e prtica das engenharias eltrica, eletrnica, de comunicaes e de computao, assim como cincia da computao, outras engenharias e cincias relacionadas.

Com isso o IEEE tornou-se o maior divulgador de jornais cientficos e organizador de conferencias. Alm disso, um grande desenvolvedor de normas tcnicas em vrias reas.

O IEEE consiste em 39 sociedades, organizadas em diferentes campos tcnicos especializados, com mais de 300 organizaes locais que se renem regularmente.

Apesar disso tudo, o IEEE tem sido acusado de abusar do seu quase monoplio em certos domnios cientficos. Por exemplo, quando algum autor publica um artigo no IEEE, ele forado a transferir os seus direitos autorais para o IEEE que comercializa o artigo tanto em jornais quanto online sem pagar nada para o autor, nem para os revisores. Outras crticas so as taxas de atendimento em conferncias que esto notoriamente altas. Com isso, novos meios de comunicao de artigos cientficos tm surgido, porm publicar artigos no jornal da IEEE praticamente mandatrio para alcanar algum reconhecimento em certas comunidades cientificas.

O IEEE um dos lderes em produo de normas tcnicas, e em 2005, o IEEE atingiu a marca de 900 normas em atividade e outras 500 em processo de desenvolvimento.

As normas IEEE so usualmente mais utilizadas nos EUA.

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IV.3. IEC 61000-3-2 (2005)

A norma IEC 61000-3-2 de 2005 aborda o assunto de limites para intruduo de correntes harmnicas (corrente de entrada em equipamentos menores ou igual a 16A por fase).

O objetivo dessa norma tratar da limitao de introduo de corrente harmnica em sistemas de suprimento de energia eltrica. Ela especifica os limites mximos de componentes harmnicas da corrente de entrada que podem ser produzidas pelo equipamento testado sob condies especficas.

Esta norma aplicvel a equipamentos eltricos e eletrnicos com correntes de entrada at 16A por fase, e com o intuito de ser conectado ao sistema de distribuio em baixa tenso. Equipamentos de arco de solda para uso no profissionais com corrente de entrada at 16A por fase, esto includos nesta norma. J sistemas com tenso nominal inferior a 220 V (fase-neutro), ainda no possuem os limites definidos.

A norma define quatro classificaes de equipamentos (A, B, C e D) para propsito de limitao de corrente harmnica.

Para a classe A, esto includos os equipamentos com alimentao trifsica equilibrada, equipamentos de uso residencial (excludos os equipamentos identificados como classe D), ferramentas (excludas ferramentas portteis), dimmers para lmpadas incandescentes e equipamentos de udio. Nesta categoria tambm esto includos todos os demais equipamentos que no se enquadram nas outras categorias. A Tabela 5 mostra os limites de corrente harmnica para os equipamentos classe A.

44

Tabela 5 Limites para equipamentos Classe A Ordem harmnica

n

Mxima corrente harmnica permitida A

Harmnicas mpares 3 2,30

5 1,14

7 0,77

9 0,40

11 0,33

13 0,21

15

45

Tabela 6 Limites para equipamentos Classe C

Ordem harmnica n

Mxima corrente harmnica permitida expressa em percentagem da freqncia

fundamental

% 2 2

3 30 x *

5 10

7 7

9 5

11

46

IV.4. IEEE 519 (1992)

A norma IEEE 519 de 1992 aborda o assunto requisitos e prticas recomendadas para controle de harmnicas em sistemas de potncia eltrica. A norma tem a inteno de estabelecer metas para os projetos de sistemas eltricos com cargas lineares e no lineares. A interface entre as fontes e as cargas descrita como ponto de acoplamento comum (point of common coupling - PCC) e o documento define a qualidade de energia que deve ser fornecida no ponto de acoplamento comum.

Os limites estabelecidos nesta norma so para operao em regime permanente e so recomendados para condies de pior caso. Condies em regimes transitrios podem exceder os limites estabelecidos pela norma.

A filosofia desta norma fundamenta-se em que no interessa ao sistema o que ocorre dentro de uma instalao, mas sim, o que refletido para o exterior, ou seja, para os demais consumidores conectados mesma rede de alimentao.

Os limites de harmnicas na norma so baseados na relao entre a fundamental da corrente de carga e a corrente de curto circuito no ponto de acoplamento comum. Esses limites diferem de acordo com o nvel de tenso e com o nvel de corrente de curto circuito, sendo que, quanto maior a corrente de curto circuito em relao corrente de carga, maiores sero os limites.

A Tabela 8 apresenta os limites de correntes para sistemas de distribuio com tenso entre 120V e 69kV

Tabela 8 Mximo Limite para Harmnicas mpares em Sistema de Distribuio de 120V at 69kV

ICC / IL n < 11 11

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Tabela 9 Mximo Limite para Harmnicas mpares em Sistema de Distribuio de 69,001kV at 161kV

ICC / IL n < 11 11

48

Um dos pontos mais controversos da norma o chamado Ponto de Acoplamento Comum (PAC), que segundo a norma definido como a interface entre a fonte e as cargas. Embora de conceito simples, a identificao desse ponto s vezes pode ser confusa. A Figura 30 mostra um exemplo de um tpico sistema de distribuio.

Figura 30 Exemplo de sistema de distribuio

Na Figura 30, a concessionria distribui energia a uma tenso de 69kV, que reduzida para uma tenso de 13,8 kV por um transformador de 20MVA com 8,5% de impedncia interna, quando ento entregue ao cliente. Dessa linha o cliente utiliza um transformador de 1MVA com impedncia interna de 6,7%, para reduzir a tenso para 480V que alimenta todos os equipamentos. Em alguns casos, esse transformador de propriedade do cliente.

De acordo com os nveis de tenso deste exemplo, a tabela a ser utilizada a Tabela 8, porm os valores de limites de harmnicas dependem de onde considerado o ponto de acoplamento comum (se a concessionria de distribuio medir o consumo na

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linha de 13,8kV o ponto ser o PCC1, enquanto que se a medio for aps o transformador, na linha de 480V, o ponto ser o PCC2). Esta diferena pode ser percebida nos clculos abaixo, onde a relao ICC / IL para o PCC1 (283) muito maior do que para o PCC2 (16,9).

PCC1: PCC2:

AI L 8,34138004801000 == (12) AI L 1000= (17)

AIb 8381013800320 6

=

= (13) AIb 120410480320 6

=

= (18)

puI Lpu 0415,0= (14) puI Lpu 83,0= (19)

puICC 76,11085,01

== (15) puICC 0,14067,000425,01

=

+= (20)

283=L

CC

II

(16) 9,16=L

CC

II

(21)

Assim, caso a medio da concessionria fosse no PCC1, a instalao atenderia aos requisitos da norma sem maiores problemas, enquanto que caso fosse no PCC2, seria necessrio utilizar tcnicas para mitigao de harmnicas, como as apresentadas no captulo anterior.

Geralmente a concessionria quem determina o ponto de acoplamento comum, porm os engenheiros dos clientes devem estar atentos para o efeito desta deciso para atender a norma sem a necessidade de despesas excessivas para a indstria.

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CAPITULO V

V. Concluses

O objetivo deste trabalho explicitar os conceitos de qualidade de energia, mostrando a sua importncia para os consumidores. Foi possvel perceber que os prejuzos causados por uma m qualidade de energia, em muitos casos podem ser muito maiores do que o custo das respectivas solues.

Tambm foi apresentado o comportamento dos distrbios harmnicos, identificando as causas e conseqncias, assim como os mtodos para mitigao.

Atravs da anlise das normas IEC 61000-3-2 e IEEE 519, foi possvel perceber as diferentes formas de abordagem entre as respectivas normas. Enquanto que na norma IEC 61000-3-2 os limites so estabelecidos para cada equipamento de forma a limitar a introduo de corrente harmnica, na norma IEEE 519 o interesse na quantidade de harmnicas fornecidas rede no ponto de acoplamento comum, isto , no importa a quantidade de componentes harmnicas que circulam dentro da instalao. Do ponto de vista do sistema de distribuio de energia, a norma da IEEE mais completa e poderia servir como modelo para uma norma nacional a respeito desse assunto.

Desse modo, um estudo dirigido sobre uma elaborao de norma nacional para tratamento de distrbios harmnicos poderia ser uma tima proposta para trabalhos futuros nesta rea de pesquisa.

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BIBLIOGRAFIA

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[6] http://en.wikipedia.org/wiki/International_Electrotechnical_Commission 25/09/2007 15:00 [7] http://en.wikipedia.org/wiki/Ieee 25/09/2007 16:00 [8] http://www.dee.feis.unesp.br/qualienergi/dados/bican.pdf 25/09/2007 22:00 [9] http://www.transcoil.com/meetieee.pdf 25/09/2007 22:30