1

Conceitos Gerais em Qualidade de Energia

Nelson KaganDepartamento de Eng. de Energia e

Automação ElétricasEscola Politécnica da USP

Conceitos Gerais em Conceitos Gerais em Qualidade de EnergiaQualidade de Energia

Nelson Nelson KaganKaganDepartamento de Eng. de Energia e Departamento de Eng. de Energia e

AutomaAutomaçção Elão EléétricastricasEscola PolitEscola Politéécnica da USPcnica da USP

2

Qualidade de Energia em uma Empresa de Energia Elétrica

TS

E

P

Atendimento

GestãoEmpresarial

Desvios V e I/ Forma de

Onda

Falha

3

PRODUTO SERVIÇO

ATENDIMENTOCOMERCIAL

Q

Qualidade de Energia

4

O Momento Atual

EMPRESAS CLIENTES

REGULADOR

5

Pesquisas deSatisfação

Indicadorese Padrões

Auditorias

ReclamaçõesRelatóriosEspecíficos

Instrumentos de Avaliação da Qualidade - Orgão Regulador

6

Qualidade da Energia

Interrupções de Longa Duração

Segurança Continuidade

Qualidade da TensãoConfiabilidade do Sistema

Interrupções de Curta DuraçãoVTCD´s

Desvios da Freqüência

FlutuaçõesDesequilíbrioHarmônicos

Inter-harmônicosTransitórios

Uma visão da QEE

7

Qualidade de Serviço

8

indicadores para a qualidade do serviindicadores para a qualidade do serviçço:o:

• DEC Duração Equivalente de Interrupção por Consumidor• DEP Duração Equivalente de Interrupção por Potência• DIC Duração de Interrupção Individual• FEC Frequência Equivalente de Interrupção por Consumidor• FEP Frequência Equivalente de Interrupção por Potência• FIC Frequência de Interrupção Individual

TA Tempo de AtendimentoTMA Tempo Médio de AtendimentoTX% Tempo X% de AtendimentoFMA Frequência Média de Ocorrências

Qualidade de Serviço

9

Continuidade de Fornecimento

• Resolução 024 ANEEL– Fev. 2000• Conceitos de Conjuntos• Indicadores• Definição de Padrões • Penalidades

10

Clusters

11

Metas para IndicadoresIndividuais

12

Penalidades

Valores dos padrões indicados nas contas

13

Variações de Tensão de Longa Duração

14

Padrões de Níveis de Tensão

Gestão amostral da concessionária e individual por reclamaçãoMedição com protocolo definidoValores de tensão individuaisÍndices coletivos (ICC)Penalidades

15

Padrões de Níveis de Tensão

Classificação MTClassificação Intervalo

Adequada 0,95 V ≤ Vm ≤ 1,05 V

Precária 0,93 V ≤ Vm < 0,95 V

Crítica Vm < 0,93 V or Vm > 1,05 V

Vm – tensão medida

V – nominal /contratada

16

Padrões de Níveis de Tensão

Classificação BT –127 VClassificação Intervalo

Adequada 0,91 V ≤ Vm ≤ 1,04 V

Precária 0,86 V ≤ Vm < 0,91 V 1,04 V ≤ Vm ≤ 1,06 V

Crítica Vm < 086 V or Vm > 1,05 V

Vm – tensão medida

V – nominal

17

Nível de Tensão em Regime Permamente

Duração na Faixa Precária

Duração na Faixa Crítica

[ ]%1001008

xnlpDRP =

[ ]%1001008

xnlcDRC=

1008 = número de intervalos de 10 minutos em uma semana

18

Padrões de Níveis de Tensão

Voltagemprecáriacrítica

DRPDRP

DRCDRC

crítica

DRCDRC

Índices Individuais (MT)

19

Nível de Tensão

Índice Coletivo

[%]100xCACCICC=

CC: número de consumidores com tensões na faixa crítica

CA: numero de consumidores da amostra

20

PenalidadesTransgredindo o padrão de DRP ou tendo tensões na faixa crítica e a concessionária não tendo adequado a tensão nos prazos limites a penalidade é;

MM CkDRCk

DRPDRPValor ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ ×+×

−= 2

1001

100

21

Desequilíbrios de Tensão

Fonte: Alex McEachern – power quality toy

22

Método das componentes simétricas

%100

3

1201,3

2

2

2

1

2

2

∗=

++=

∠=++

=

V

Vdeseq

caVbcVabVV

caVbcVabVV o

&

&

&&&&

&&&&

αα

ααα

23

Método NEMA

( ) 3/VcaVbcVabVMax

Deseq++∆

=

24

Método do Cigré

( )2222

444

21

631631

VcaVbcVabVcaVbcVab

Deseq

++

++=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+

−−=

β

ββ

25

VTCDs

Variações de tensão de curta duração afundamentos e elevações de tensão

26

Variações de Curta Duração

Segundo o IEEE, tais fenômenos englobam tempos desde 0.5 ciclo até 1 minuto. Afundamentos: tensões compreendidas entre 0.1 e 0.9 pu. (redução a tensões inferiores a 0.1 pu, o fenômeno é classificado como interrupção de curta duração). Elevações de tensão de curta duração a níveis acima de 1.1 pu.

27

Causas Principais de Sags

Ocorrência de faltas na rede elétrica (caráter aleatório)

Nos defeitos mais freqüentes (fase-terra), há o surgimento de um transitório de curtíssima duração (alguns ciclos, no máximo), com redução da tensão na fase defeituosa e, geralmente, elevação de tensão nas fases sãs. Verifica-se este comportamento não só no alimentador onde se dá o defeito, mas pelo menos em todos aqueles alimentados pela mesma subestação supridora, perdurando até que seja acionada a proteção da rede.

28

Fenômenos na Qualidade de EnergiaVariações de Curta e Longa Duração

29

Fenômenos na Qualidade de EnergiaVariações de Curta Duração

30

Causas Principais de Sags

manobras de grandes cargas na rede, principalmente partida de grandes motores.

No caso da partida de grandes motores de indução, cuja corrente associada pode atingir de 6 a 10 vezes o valor da corrente nominal, a queda de tensão também pode ser significativa

31

Susceptibilidade dos Equipamentos

A ocorrência de afundamento de tensão pode causar sérios prejuízos a consumidores industriais. Com a utilização cada vez maior de equipamentos eletrônicos no controle de processos, tais como PLCs (Controladores Lógicos Programáveis) e ASDs (Acionamentos de Velocidade Variável), que são vulneráveis a variações de tensão, a questão do controle e limitação das variações momentâneas de tensão se torna fundamental na eficiência do processo produtivo.

32

Susceptibilidade dos Equipamentos

Equipamentos de informática:norma do IEEE (Std 446 de 1987 e atualizada em 1995) curva da CBEMA (Computer Business EquipmentManufacturers Association).

33

Susceptibilidade de PLCs e ASDs

PLCsASDs

34

Susceptibilidade de Contatores

Atuação indevida de contatores e relés auxiliares, devido a falha de energização das bobinas dos primeiros;

35

Equipamentos Eletrodomésticos

36

Equipamentos Mais Sensíveis

Industriais:- Acionamentos de velocidade variável;- Microcomputadores;- Controladores lógicos programáveis;- Contatores.

Residenciais- Microcomputadores;- Aparelhos de videocassete;- Forno microondas;- Relógios digitais.

37

Área de vulnerabilidade para uma dada carga do sistema

38

Indicadores - SARFIx

Um Indicador usado para a avaliação do desempenho do Sistema é SARFIx (System Average RMS (Variation) FrequencyIndex Voltage ) definido como a relação entre Ni / NT . Para um consumidor representa o número de VTCDs com valor além do limiar, em um dado período.

x: limiar da tensão eficaz da VTCD, com os possíveis valores: 140, 120, 110, 90, 80, 70, 50, e 10%Ni: número de consumidores afetados por desvios momentâneos de tensão com magnitude maiores que X% para X > 100 ou abaixo de X% para X < 100, devido a um evento medido i. NT: número de consumidores supridos pela seção do sistema a ser avaliado

39

SARFIx

40

Exemplo de Monitoramento Amplitude Duração (s)

(pu) 0.01 a0.02

0.02 a0.10

0.10 a0.50

0.50 a1.00

1.00 a3.00

3.00 a20.0

20.0 a60.0

60.0 a180.0

Total

0.10 a 0.15 151 50 20 6 4 5 0 0 236 0.15 a 0.30 38 84 50 32 3 1 0 0 208 0.30 a 0.60 6 65 132 11 2 0 0 0 216 0.60 a 0.99 0 22 71 11 5 0 0 0 109 0.99 a 1.00 0 0 0 0 10 4 1 1 16

Total 195 221 273 60 24 10 1 1 785

0.01

a 0

.02

0.02

a 0

.10

0.10

a 0

.50

0.50

a 1

.00

1.00

a 3

.00

3.00

a 2

0.0

20.0

a 6

0.0

60.0

a 1

80.0

0.10 a 0.15

0.15 a 0.30

0.30 a 0.60

0.60 a 0.990.99 a 1.00

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Núm

ero

de d

epre

ssõe

s

Duração da Depressão (s)

Valor da Depressão (p.u.)

Figura 9 - Levantamento de Depressões por Ano

37 pontos saídas de SEs138/13.8kV1 ano

Amantegui, J. et alli. “Characterisation of VoltageDips in Electrical Networksand their Impact on CustomerInstallations”. CIGRE Task

Force 36-104.

41

Harmônicos

2 5 0 2 6 0 2 7 0 2 8 0 2 9 0- 1 5

- 1 0

- 5

0

5

1 0

1 5

V [ k V ]

t [ m s ]

42

O que são harmônicos?Harmônicos são causados por distorções periódicas nas formas de onda de correntes e tensõesA distorção é proveniente de dispositivos não lineares, principalmente cargas

V(t)

I(t)

V

I

Nonlinear Resistor

43

Exemplo de forma de onda de corrente num escritório

44

Fourier, Jean B.J.1768 - 1830, Auxerre France

45

Decomposição em componentes harmônicas

·

+

+

+

+

+

+

··

+

60 Hz(h = 1)

300 Hz(h = 5)

420 Hz(h = 7)

540 Hz(h = 9)

660 Hz(h = 11)

780 Hz(h = 13)

180 Hz(h = 3)

46

Parâmetros ou índices Relativos a Harmônicos

• Distorção Harmônica Total (Fator de Distorção)

• Fator de Influência Telefônica

• Distorção Total de Demanda

• Produtos V T e I T

• Fator de perdas harmônicas de Transformador

• Constante harmônica

47

1

2h

2h

V V

V

THD∑∞

==1

2h

2h

I I

I

THD∑∞

==

Distorção Harmônica Total (Fator de Distorção)

,

2V1ef )100/THD(1VV +=

2I1ef )100/THD(1II +=

2I

2V11

tot)100/THD(1)100/THD(1IV

PFP++

=

48

D

2h

2h

I

I

TDD∑∞

==

Distorção Total de Demanda (IEEE 519-1992)

ID : Corrente máxima de demanda

ef

picoc V

VF =

Fator de Crista

49

Harmônicos de corrente vs. tensão

PureSinusoid Distorted Load

Current

Distorted Voltage

+ -(Voltage Drop)

Correntes harmônicas em impedânciasdo sistema resultam em tensõesharmônicas na carga

50

Exemplo de forma de onda de

corrente de um aparelho

eletrônico

51

0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10-400

-200

0

200

400

Time (Seconds)

TYPE 1 Waveform100 HP PWM ASD - No Choke

Amps

TYPE 2 Waveform100 HP PWM ASD - 3% Choke

0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10-400

-200

0

200

400

Time (Seconds)

Amps

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25Harmonic Number

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

H

ITHD = 80.6%IRMS = 148.2 AmpsIFund = 115.4 Amps

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25Harmonic Number

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

ITHD = 37.7%IRMS = 117.6 AmpsIFund = 110.1 Amps

Exemplos de correntes de acionadores de velocidade variável com diferentes níveis de distorção harmônica

52

Ponte retif icadora monof . - RC

Ponte retificadoramonofásica - filtro C

Ponte retificadoratrifásica- filtro C

Ponte retif icadora trif ás ica. - RC

Ponte retif icadora monof . - RL Ponte retif icadora trif ás ica - RL

Ponte retificadoramonofásica - filtro L

Ponte retificadoratrifásica - filtro L

Exemplos de formas de onda típicas de retificadores

53

Forma de Onda Típica de Cargas Residenciais

TV

Computador

Forno de micro-ondas

Dimmer e chuveiro com controle eletrônico

TV

Microcomputador Dimmer 50%

Forno de microondas

54

Reator, Lâmp. Fluoresc. B

Lâmpada fluorescente com reator magnético

Reator, Lâmp. Fluoresc. A

Lâmpada fluorescente com reator magnético

Lâmpada fluorescente compacta (com reator eletrônico)

Lâmp. fLuoresc compacta A Lâmp. fLuoresc compacta B

Lâmpada fluorescente compacta (com reator eletrônico)

55

Para onde os harmônicos vão?

Distribution Substation Bus

56

Ressonância paralela

Cargas não lineares

Correntesharmônicasampliadas

AltaDistorção De tensão

57

Freqüências de ressonância

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

HARMONIC NUMBER

MA

GN

IFIC

ATI

ON

OF

HA

RM

ON

IC

CU

RR

ENT

FRO

M A

SDS 300 kVAr

500 kVAr700 kVAr

No Capacitor Bank

Ressonância vs. tamanho do capacitor para um consumidor típico supridoCom um transformador de 1500 kVA, x=6%.

58

Ressonância série

Distribution Substation Bus

CustomerPower FactorCorrection

HighVoltageDistortion

HighHarmonicCurrents

59

Atendendo a limites de tensão

Limitar as correntes harmônicas de dispositivos não lineares no sistema (limites de correntes harmônicas de consumidores).Garantir que ressonâncias no sistema não resultem em magnificação das correntes harmônicas (controle da empresa pela resposta do sistema).

60

Limites de correntes harmônicas

Responsabilidade do consumidor

Valores apresentados sao percentuais da máxima corrente de cargaSCR é a relação entre a corrente de curto circuito e a máxima corrente de

cargaTDD é a distorção total de demanda, tomando como base a máxima corrente

de carga

SCR =Isc/IL <11 11<h<17 17<h<23 23<h<35 35<h TDD

4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0

<2020 - 5050 - 100

100 - 1000>1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0

61

Flicker – flutuação de tensão

62

Exemplos de Flutuação de Tensão

Comportamento da tensão de suprimento de um forno a arco - Barra de 14.4 kV

63

Impactos Técnicos da QEEImpactos TImpactos Téécnicos da QEEcnicos da QEE

Desempenho de equipamentos:

interferências, Perdas, vida útil, fatores limitadores, etc.

Equipamentos para mitigação

64

Impactos Econômicos da QEEImpactos Econômicos da QEEImpactos Econômicos da QEE

Prejuízos relacionados com a QEE

Custo da poluição

Mitigação de perturbações

e “Pay-back”

Contratos de Fornecimento

x Qualidade

65

•• Perdas econômicas nos EUA, relacionadas a Perdas econômicas nos EUA, relacionadas a fenômenos de QEE atingiram um montante de fenômenos de QEE atingiram um montante de US$ US$ 2424 bi anuais, como informa relatbi anuais, como informa relatóório do EPRI rio do EPRI (EUA) de julho de 2001. Atualmente estima(EUA) de julho de 2001. Atualmente estima--se em se em cerca de US$ 35 bilhõescerca de US$ 35 bilhões

no Brasil estimano Brasil estima--se na ordem de US$ 3.0bi !!!!!se na ordem de US$ 3.0bi !!!!!

Há Necessidade de Eletricidade de Qualidade Digital: continuidade (always on) e conformidade (always perfect), afirma mesmo relatório.

A Questão EconômicaA Questão Econômica

66

US$50 bilhões por ano foram gastos nos EUA comoresultado de interrupções por qualidade de energiaFonte: Bank of America Report

“Um afundamento de tensão em indústria de papel podelevar à perda de um dia inteiro de produção — US$250.000”

Fonte: Busines Week, June 17, 1996

Metade dos problemas com computadores e um terçode todas as perdas de dados têm como fonte a rede de alimentação.Fonte: Contingency Planning Research, LAN Times

Uma empresa fabricante perdeu mais de US$ 3 milhões num único dia no vale do Silício (Califórnia, EUA)

Fonte: New York Times, January, 2000

Quanto custa a má qualidadede energia?

67

Exemplos de Custos devidos àQualidade de Energia

DuPont: Economizou US$75 milhões/ano implementandosolução de qualidade de energia

Fabricante de compressores: afundamentos e interrupçõescustam em torno de US$1.700.000/ano

Indústria de papel: Estudo de Billington determinou custonuma interrupção de 2s de US$30.000

Indústria automotiva: Interrupções momentâneascustam em torno de US$ 10 milhões / ano

Controle de tráfico aéreo: Perdade controle em um grandeaeroporto pode custarUS$15.000/minuto

68

Fatores que afetam os custoscom Qualidade de Energia

Perdas na produçãoSucataRe-inicializaçãoMão de obraDanos e reparos emequipamentosOutros

69

US$1K US$ 10K US$ 100K US$ 1M US$ 10MPerdas por afundamento de tensão

Indústria têxtil

Indústria plástico

Indústria vidro

Indústria de processos especializados

Indústria semi-condutores

Exemplos de custosPerda produção

Sucata

Reinicialização do processo

Mão de obra

Danos e reparos em equips

Outros custos

70

Indústrias são submetidas a muitomais afundamentos de tensão do que interrupções no fornecimento

1.27

6

10

18

50

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Number of Events

per Year

SAIFI (Outages) MAIFI (MomentaryInterruptions)

SARFI-50 SARFI-70 SARFI-90

Typical Interruption and Sag Performance for Distribution System Customer

71

Custo típicos de afundamentos emindústrias

Source: Technical and Economic Considerations for Power Quality Improvements, EPRI TR-1005910

No. Process Reported

Cost Service Voltage Load 1 Semiconductor $1,500,000 69 kV 25 MW 2 Semiconductor $1,400,000 161 kV 30 MW 3 Semiconductor $ 700,000 12.5 kV 10 MW 4 Metal Casting $ 200,000 13.8 kV 16 MW 5 Chemical Plant $ 160,000 12.5 kV 5 MW 6 Pulp and Paper Mill $ 110,000 161kV 100 MW 7 Aerospace Engine Machining $ 100,000 13.8kV 10 MW 8 Food and Beverage $ 87,000 12.5 kV 5 MW 9 Chemical Plant $ 75,000 66kV 3 MW 10 Chemical Plant $ 75,000 66kV 5 MW 11 Electronic Components $ 75,000 12.5 kV 5 MW 12 Crystal Growth $ 60,000 12.5 kV 1 MW 13 Chemical Plant $ 46,175 66kV 30 MW 14 Wiring Manufacturing $ 34,000 12.5 kV 2 MW 15 Chemical Plant $ 18,000 12.5 kV 2 MW 16 Fibers Plant $ 15,000 12.5 kV 1 MW 17 Paper and Packaging $ 10,000 12.5 kV 4 MW 18 Plastic Bag Manufacturing $ 10,000 480V 4 MW 19 Plastics $ 7,500 12.5 kV 4 MW 20 Stainless Steel Manufacturing $ 5,500 12.5 kV 2 MW

72

Onde resolver o problema?

73

Avaliação econômicaConversão para custosanuaisCalcular custo base a partir de condiçõesexistentesAvaliar redução de custos associados a cada alternativaDeterminar osmínimos custos totais

$0

$50,000

$100,000

$150,000

$200,000

$250,000

$300,000

$350,000

$400,000

$450,000

$500,000

Base Case - Nochanges

Primary static switch Service EntranceEnergy Storage

(2 MVA)

Protect MachineControls and

Winders

Combined staticswitch with

controls protection

Solution CostsPQ Costs

74

Perdas Econômicas em motores (outros fenômenos)

Os motores representam 75% de todas as cargas industriais.

Efeito de corrente de sub-harmônicos e harmônicos na perda de vida de motores

Efeito do desequilíbrio na perda de vida de motores

75

Efeito De Desequilíbrios naPerda de Vida de Motores

Efeito De DesequilEfeito De Desequilííbrios nabrios naPerda de Vida de MotoresPerda de Vida de Motores

76

VII CBQEE

Conferência Brasileira sobre Qualidade da Energia ElétricaSantos, 5 a 8 de agosto de 2007

77

78

enerq-ct

Centro de Estudos em Regulação e Qualidade de EnergiaCentro TecnológicoEscola Politécnica - USP

79

Vista do edifVista do edifíício na USPcio na USP

80

Alguns equipamentos disponAlguns equipamentos disponííveisveis

81

Algumas linhas de atuação do enerq-ct:

Pesquisa aplicadaAtividades laboratório

Medição de Grandezas ElétricasEnsaios funcionalidade/Suportabilidade/Emissividade

Medição de Qualidade de EnergiaEnsino/Capacitação e TreinamentoConsultoria de alta tecnologia

Diagnósticos e SoluçõesDesenvolvimento Tecnológico - FabricantesInformação Tecnológica Especificação de projetos novos e existentesApoio a Órgãos Reguladores

82

Obrigado