jornadas técnicas de eletrotecnia · •falhas de energia •disparo de disjuntores e diferenciais...

Electrónica e

Automatismo, Lda

Universidade Algarve

I.S.E. – Dep. Engenharia

Eletrotécnica

Jornadas Técnicas de

Eletrotecnia

09-11-2012

7 de Novembro de 2012José Caçote

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EletrotecniaAspetos Gerais da Qualidade de

Energia

Electrónica e

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Conteúdos

Normas internacionaisNP EN50160Aplicações

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Casos práticos

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Normas Internacionais

Normas IEEE

IEEE 1159 – Definições e guia

IEEE 1459 – Técnico – desequilíbrio, harmónicas

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IEEE 1459 – Técnico – desequilíbrio, harmónicasIEEE 519 – Limites das harmónicas

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Normas Internacionais

• SEMI F47, SEMI E6 – semicondutores• ANSI (American National Standards Institute)• CE and RoHS – Comunidade europeia• CBEMA, ITIC…

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• CBEMA, ITIC…

• IEC 61010 – Segurança em equipamentos• IEC 61000 series – compatibilidade entre a carga e a rede• IEC 61000-4-30 – metodos de medida PQ

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A energia elétrica é um produto e, tal como todos os produtos, deve satisfazer determinados requisitos e padrões de qualidade. Para um equipamento funcionar corretamente, deverá ser-lhe fornecida uma tensão que seja enquadrada nos requisitos do equipamento. A maior parte dos equipamentos utilizados hoje em dia, especialmente dispositivos com eletrónica, requerem uma boa qualidade de energia.

.Os próprios equipamentos de uma instalação

Normas aplicáveis à

qualidade de energia

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.Os próprios equipamentos de uma instalação causam distorção da onda de tensão devido às suas caracteristicas não lineares, isto é, introduzem na instalação correntes não sinusoidais que interferem com a onda de tensão

De forma a manter uma qualidade de energia satisfatória, a responsabilidade deverá ser repartida pelo fornecedor de energia e pelo utilizador.

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A norma NP EN 50160 é a versão portuguesa da norma Europeia EN 50160: 1994.

Tem por objetivo definir e descrever os valores que caracterizam a tensão de alimentação, tais como:



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• Frequência• Amplitude• Forma de onda• Simetria das tensões trifásicas



NP-EN 50160

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NP-EN 50160Características da tensão fornecida pela

redes geral de distribuição

- 7 -

NP-EN 50160

IntroduçãoIntroduçãoIntroduçãoIntrodução

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Indica os limites ou valores das características da tensão que todos os

clientes têm de esperar…

FrequênciaFrequênciaFrequênciaFrequência AmplitudeAmplitudeAmplitudeAmplitudeSimetriaSimetriaSimetriaSimetria

Forma de ondaForma de ondaForma de ondaForma de onda

- 8 -

NP-EN 50160

Perturbação Medida LimitesIntervalos

de avaliação

Percentagem de medidasdentro de limites

durante o intervalo

±1% 99,5%+4%/-6% 100,0%

±10% 95%+10%/-15% 100,0%

Frequência

Variações da tensão

Média da frequência de cada ciclo durante 10 s

Média da VAC de cada ciclo durante 10 min.

ano

cada semana

Características da alimentação em baixa tensão

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+10%/-15% 100,0%

Severidade da tremulação Plt (2 horas) <1 cada semana 95%

Cavas de tensão Número de eventos (com U < 0,9UN) Indicação 2

Interrupções curtas da tensão Número de eventos (com U <0,01UN e t < 3 min.) Indicação 3

Interrupções longas da tensão Número de eventos (com U <0,01UN e t > 3 min.) Indicação 4

Sobretensões (50 Hz) Número de eventos (com U>1,1UN e t>10 ms) Indicação 5

Sobretensões transitórias Número de eventos (com U>1,1UN e t<10 ms) Indicação 6

Desequilíbrio da tensão Média de Uinv/Udir de cada ciclo durante 10 min. <2%

Para cada harmónica i, média da Ui/UN em cada ciclo durante 10 min. Ver tabela 1

Média do THD da tensão referenciada a UN em cada ciclo durante 10 min. <8%

Tensão interharmónicaTransmissão de sinais Tensão eficaz do sinal transmitido médio em 3 s Ver gráfico 1 cada día 99%

Variações da tensão

Variações rápidas da tensão

Tensão harmónica

Média da VAC de cada ciclo durante 10 min.

Número de eventos tipo escalão de tensão até 10% de UN

cada semana

Indicação 1

Por estudar

ano

cada semana 95%

- 9 -

NP-EN 50160

Nº Indicação

1Escalões de 5% de UN são normais. Escalões de 10% de UN podem-se produzir várias vezes ao dia.

Características da alimentação em baixa tensão

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2De 10 a 1.000. A maioria duram menos de 1s e têm uma profundidade inferior a 60% de UN

3 De 10 a 1.000. 70% das interrupções duram menos de 1 s

4 De 10 a 50

5 Normalmente não ultrapassam 1,5 kV AC

6 Normalmente não ultrapassam 6 kV de crista

- 10 -

NP-EN 50160

2.1 Variações do fornecimento da tensão

Exemplos de limites na NP-EN 50160

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• Para cada período de uma semana, 95% dos valores eficazes da tensão médios de 10 minutos devem situar-se no intervalo Un ± 10%

• Para todos os períodos de 10 min, todos os valores médios de valor eficaz da tensão devem situar-se no intervalo Un +10%/-15%

- 11 -

NP-EN 50160

A

B

t = 5 min

95% 95%

Exemplos de limites

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• Durante o tempo T:- 100% das medidas dentro do limite A- 95% das medidas dentro do limite B

• Logo a soma dos tempos ti em que o registo excede o limite B (sem exceder nunca o A), não pode ser superior a 95% de T

T = 100 min ≈ 1,6 horas

95%

5%

0%

95%

230 V

- 12 -

NP-EN 50160

Sistemas de ligação

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Perturbações de energia

Sintomas

• Falhas de energia• Disparo de disjuntores e diferenciais• Súbito aumento da fatura de energia sem causa aparente• Tremulação das lâmpadas• Aquecimento de equipamentos e funcionamento ruidoso

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UtilizadoresCargas

Impedância das linhas

Descargas atmosféricas

• Aquecimento de equipamentos e funcionamento ruidoso• Falhas de equipamentos• Baixa de rendimento e paralisações inesperadas• Perdas de dados em dispositivos eletrónicos(K)

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Causas

• Cavas de tensão• Interrupções momentâneas• Sobretensões• Variações de frequência• Transitórios

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• Transitórios• Distorção harmónica• Flicker• Oscilações de tensão

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O que provoca as falhas?

Bugs de Software? Ligações incorretas?Erros humanos?Temperatura?

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Temperatura?Humidade?Falhas de alimentação?Etc.. EtcK

Ou será deficiência na tensão de alimentação?

É NECESSÁRIO MEDIR E VERIFICAR!!

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Como Eliminar as falhas?

Regulador de tensão?UPS?Estabilizador de tensão?Transformador de isolamento?

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Transformador de isolamento?Transformador com fator K?Efetuar testes e certificações?Blindagem?Etc.. EtcK


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A quem atribuir responsabilidade pelas falhas?

Fornecedor de energia?Própria instalação?Problema local?

Falhas dos equipamentos?

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Falhas dos equipamentos?Cabos soltos?Curto-circuitos?Erros humanos?Temperatura?Humidade?


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Porque não se resolvem os problemas de qualidade de energia? Porque estes são provocados por falhas e acidentesK

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E vão sempre existir falhas e acidentesK

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Os custos de uma má qualidade de energia podemse bastante significativos

Produção: Cada vez que a produção é interrompida, os produtos não são fabricados; não podem ser vendidos – Perdas de proveitos

Danos no produto: Interrupções podem causar danos parciais ou completos nos produtos correspondendo a prejuízos.

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nos produtos correspondendo a prejuízos.

Custos com a energia: Os fornecedores de energia cobram por baixos fatores de potência e altos valores de pico.

Manutenção: Falhas prematuras nos equipamentos causam alocação de recursos incorrendo em custos na resolução dos problemas e restauro de produção.

Impacto de mercado: Os custos de uma má imagem devido a atrasos de entrega de um produto ou má qualidade dos mesmos podem ser significativos.

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• Poupança de energia de +/-5% Um erro de 1% corresponde a

Porque necessito de um equipamento com grande precisão?

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Um erro de 1% corresponde a 20% do valor de poupança!

• Energia “limpa” – A precisão da medida é um fator fundamental.

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61000-4-30 - Classe A é importante! 2 instrumentos ligados ao mesmo sinal devem devolver o mesmo resultado!

Porque necessito de um equipamento com grande precisão?

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resultado!

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Formas de medir

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Aplicações PQube

Equipamentos industriais

- O tamanho e o preço são perfeitamente adequados para instalação diretamente nos quadros. - Retorno do investimento de curta duração devido aos serviços ou danos evitados.- Monitorização de energia – Definição de estatísticas, falhas de motoresK

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- Monitorização de energia – Definição de estatísticas, falhas de motoresK- Fácil instalação sem necessidade de software, com ou sem rede de comunicação

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Aplicações PQube

Equipamentos medicina – Perfeito para equipamentos de grande sensibilidadeHospitais e clínicas – Deteta qualquer perturbação que possa afetar o correto funcionamento de cargas sensíveisParques eólicos – Ligação direta a 690V; Monitoriza a estabilidade da rede AC e do barramento DC

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estabilidade da rede AC e do barramento DCParques fotovoltaicos – Monitorização dos dois lados do inversor; Fornece dados de compatibilidade de redeTelecom e datacenters – Ligação direta à rede AC ou a 48VDC; Medição T e RH;Transportes – Monitoriza problemas de harmónicas dos retificadores; ideal para discussão de dados junto do fornecedor de energia; Vasta gama de frequências para geradores dos navios

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Aplicações PQube

Aeroportos – Redução de chamadas de manutençãoBases militares ou embaixadas – Relatórios de consumos e qualidade de energia em qualquer línguaUniversidades - Captura de qualquer perturbação de rede; Dados detalhados e estatísticas de dezenas de parâmetros em ficheiro CSV adequado para programas de análiseLaboratórios – Monitorização de parâmetros que podem

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Laboratórios – Monitorização de parâmetros que podem danificar equipamentos de grande sensibilidadePlataformas Off Shore – Monitorização do funcionamento de geradores, UPS ou quadros de alimentação de cargas sensíveisIndústria – Monitorização da alimentação das salas de controloEstações de tratamento – Controlo da energia para garantir o funcionamento doas bombas, variadores de velocidade, etcK

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• Sem necessidade de software. Sem licenças. Totalmente aberto – Para utilizar o PQube apenas necessita de um editor de texto, browser da webou um programa como o excell.

• Fácil de compreender – Olhando para a informação disponibilizada pelo PQube não necessita de perder muito tempo para aprender acerca do PQube para ver o que quer.

• Uptadtes de firmware grátis – De tempos em tempos são oferecidas

O que distingue o PQube?

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• Uptadtes de firmware grátis – De tempos em tempos são oferecidas actualizações para adicionar ao seu PQube algumas funcionalidades. Totalmente gratuitas.

• Trabalha por si – Para utilizar o PQube apenas necessita de o ligar à rede e começará a gravar imediatamente.

• Funciona com ou sem rede – Caso tenha rede Ethernet pode utilizar o módulo opcional ETH1 e receba e-mails quando ocorra um evento, procure os eventos gravados e analise as tendências. Caso não tenha rede Ethernet, o PQube grava todos os eventos em cartão SD.

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• Armazena anos de dados – O PQube inclui um cartão SD de 4GB com o qual é possível gravar aproximadamente 3 anos de dados

• Tamanho compacto – O PQube tem dimensões reduzidas o que permite uma fácil integração nos quadros eléctricos.

O que distingue o PQube?

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nos quadros eléctricos. • Baixo custo – A Power Standards Lab,

apresentam-se como especialistas em sensores de potência para edifícios. Sabem como fazer bons produtos a baixo custo para o utilizador.

• Ferramenta global – Qualidade de energia, cavas, sobretensões, variações de frequência, impulsos a alta frequência, energia activa, energia aparente, carbono. Dados diários, semanais e mensais. Vários equipamentos num só.

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PQube

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Variações de tensão

100%

Tensão rms [%] UN

110%

Sobretensão

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Interrupção longa duraçãoInterrupção de curta duração 1%0%

1 min1 min1 min1 min

90%

100%

t10 ms 1s 1 h3 min

Cava

Interrupções

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Cava de tensão

Duração: 0.542 segProfundidade: 66,77 %

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Sobretensão

Duração: 0.020 segAmplitude: 117,45%

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Modulação 8,4Hz

Flicker is the effect produced on the visual human perception by a changing emission of light by lamps subjected to fluctuations of their supply voltage.

Flicker - Tremulação

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(CEI 61000(CEI 61000--44--15)15)PPstst : : Curta Curta duraçãoduração(10 (10 min)min)PPltlt : : Longa Longa duraçãoduração(2 hrs(2 hrs))

50 Hz

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Variações de tensão –Case study

Problema:

Queixas acerca de tremulação da iluminação num resort de ski

É feita uma análise da onda de tensão que aparentemente não apresenta

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que aparentemente não apresenta anomalias

É contactado o fornecedor de energia que efetua uma análise no ponto de entrega

O ponto de entrega é ao fundo da colina e não no edifício

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Problema:

A medição revelou algumas cavassem significado com profundidadebastante baixa e não frequentes.

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Verificou-se a existência de picos de corrente coincidentes com as cavas. O problema estaria no interior do resort.

É feita uma análise da qualidade daonda de tensão.

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• Foi feita uma medição no circuito de iluminação (1) onde forma encontradas cavas de 5 V bem como de corrente.

• Efetuou-se uma medição similar na alimentação do quadro (2) onde se verificou um problema similar.

• Foi efetuada a medição na fritadeira (3) onde se verificaram as cavas de tensão acompanhadas com aumentos de corrente. Foi encontrada a origem do problema.

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Solução:

A fritadeira foi alimentada a partir de uma alimentação independente tendo-se resolvido o problema

O problema era devido ao longo cabo entre a alimentação e a fritadeira

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As cavas são provocadas pelas cargas elevadas e pelos valores de impedância elevados

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Fourier

Tbase=20 ms fbase=50 Hz

Traçando as magnitudes de cada harmónica no eixo do yy e as frequências no eixo dos xx, obtemos o espectro harmónico

Onda distorcida

Harmónicas

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1 32 4ordem

6...

Am

plit

ud

ine

5

C1 C3C2 C4 C5

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CaracterísticasCaracterísticasCaracterísticasCaracterísticas• As harmónicas são caracterizadas pela sua ordem,

frequência, fase e sequência.• A fase da harmónica é relacionada com a

fundamental.• O valor da THDv, incluindo harmónicas até à ordem

40 não deve exceder os 8%.

Harmónicas

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Ordem 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Frequência (Hz) 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Sequência + - 0 + - 0 + - 0

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Sequências positivas, negativas e zero

Sequencia Rotação Efeitos

Positiva Frente Aquecimento de condutores, disjuntores, etcJ

Negativa Inversa Aquecimento como na anterior + problemas nos motores

Zero - Aquecimento e correntes de neutro

Harmónicas

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F 2ª 3ª 4ª 5ª 6ª 7ª 8ª 9ª

Frequência 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Sequência + - 0 + - 0 + - 0

Efeitos das sequências das harmónicas

Zero - Aquecimento e correntes de neutro

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EfeitoEfeitoEfeitoEfeito pelicularpelicularpelicularpelicular

I

• 1 A de corrente de uma harmónica de ordem n gera calor n2 vezes maior do que a

Harmónicas

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calor n vezes maior do que a mesma corrente à frequência fundamental.

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Harmónicas

• Motores alimentados a partir de tensões distorcidas irão aquecer.• Harmónicas de sequência negativa reduzem a eficiência mecânica dos motores uma vez que tentam forçar o motor a girar ao contrário. A energia contida nestas harmónicas é dissipada sob calor provocando envelhecimento precoce.

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• Aquecimento em transformadores poderá ser provocado pelo efeito pelicular!

Nota: As classificações de transformadores e geradores são baseadas no calor provocado pelas correntes de uma carga sinusoidal

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Harmónicas

• Disjuntores operam conforme a temperatura a menos que incluam um dispositivo magnético. É o aquecimento do disjuntor devido à corrente que faz o disjuntor atuar .

• Quando as proteções estão sujeitas a cargas com harmónicas poderão não funcionar corretamente.

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harmónicas poderão não funcionar corretamente.

• A definição de ressonância é quando as reatâncias capacitivas igualam as reatâncias . Equação da frequência de ressonância:

• As características de um circuito de ressonância LC é que amplifica as correntes cujas frequências coincidem com as frequências de ressonância.

• Condensadores não geram harmónicas mas geram circuitos ressonantes com as cargas indutivas da instalação.

LCfr

π2

1=

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Harmónicas – Case study

Fábrica de componentes plásticos - Cenário

Como os técnicos desta fábrica aprenderam a

baixar as correntes de neutro.

Uma empresa de plásticos recentemente adicionou uma área de processamento de encomendas.

A empresa utiliza computadores e pequenas

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A empresa utiliza computadores e pequenas máquinas de transporte.

As máquinas em questão têm controladores monofásicos e movimentam-se por ação de pequenos motores trifásicos.

Após adicionarem uma nova máquina, começaram a verificar-se disparos intempestivos devido a cavas de tensão.

O quadro de alimentação aqueceu.

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Fábrica de componentes plásticos - Ações

Foi efetuada uma verificação da onda de tensão que se verificou ser de forma achatada no topo bem como uma THD de 13%.

A maior parte da distorção é na

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A maior parte da distorção é na harmónica de 3ª ordem.

Através de uma analisador de energia foi efetuado um estudo ao quadro de alimentação

Confirmou-se que a fase R e S apresentam uma distorção bastante elevada bem como correntes de neutro anormalmente elevadas.

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Fábrica de componentes plásticos - Soluções

Foram equilibradas as fases do quadro de alimentação do processamento de encomendas

Foram substituídos os controladores monofásicos por trifásicos

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monofásicos por trifásicos

Manteve-se alguma distorção harmónica mas muito abaixo do medido na 3ª harmónica e menos corrente de neutro

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Outras soluções para harmónicas

•Substituição dos transformadores por transformadores fator k

•Redução de carga nos transformadores sobreaquecidos

•Recablar ou redistribuir cargas de forma a reduzir as impedâncias e isolar cargas não lineares

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•Filtros passivos

•Filtros ativos

•Condutores de maior secção terão menor impedância. Menor preponênciapara distorção da onda de tensão

•Aumentar a secção do condutor de neutro

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Numa instalação a 3 ou 4 fios, as harmónicas triplas (sequência zero) vão ser refletidas no condutor de neutro.

Este facto acontece em todas as

-400-300

-200

-100

0100

200

300

400

0 90 180 270 360


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Este facto acontece em todas as harmónicas múltiplas de 3 incluindo a 6ª, 9ª, 12ª, 15ª

-400-300-200-100

0

100200300400

0 90 180 270 360

-400-300-200-100

0100200300400

0 90 180 270 360

As harmónicas múltiplas de 3 encontram-se em fase com a fundamental criando desequilíbrio

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Fábrica de componentes plásticos - Soluções

As distorções harmónicas podem causar:

Correntes altas nos condutores de neutro

Aquecimento de motores e transformadores provocando o seu envelhecimento precoce

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envelhecimento precoce

Aumento da probabilidade de ocorrência de cavas de tensão podendo originar resets de equipamentos

Redução da eficiência dos transformadores e motores

Vibração e ruido nos cabos

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L2L1 L3

120º

UUUUL3L3L3L3L3

L1

Desequilíbrio

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120º 50 Hz

120º

- Diferente magnitude

- Ângulo de fase 120º

TensõesTensõesTensõesTensõesdesequilibradasdesequilibradasdesequilibradasdesequilibradas

UUUUL1L1L1L1

UUUUL2L2L2L2

≠

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Causas

•Funcionamento deficiente de sistemas de correção de fator de potência

•Fornecimento de energia desiquilibrado ou instável

•Transformadores subdimensionados.

•Cargas monofásicas mal distribuidas

Desequilíbrio

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•Motores não poderão produzir o seu máximo torque, o seu alinhamento poderá ser afetado.

•Estator e rotor excessivamente aquecidos levando ao envelhecimento precoce .

•A capacidade de operação dos transformadores e linhas é reduzida devido às componentes harmónicas de sequência negativa.

Efeitos

•Defeitos fase/fase oufase/terra

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• Durante um procedimento de manutenção foi descoberto um cabo quente no circuito

Cenário

Numa operação de manutenção, foi descoberto um problema

Desequilíbrio – Case study

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foi descoberto um cabo quente no circuito de alimentação das bombas

• Os cabos alimentam tanto os motores mais antigos como os mais recentes arrancadores suaves

• Tem sido efetuada uma substituição dos arrancadores antigos gradualmente

• Não foram adicionados novos motores

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• Foi efetuada uma verificação do desequilíbrio onde se verificou que o mesmo se encontra dentro dos limites.

• Verificou-se que a 5ª harmónica apresentava um valor de cerca de 14%.

• Verificou-se que um sistema antigo de correção de fator de potência foi ligado por


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correção de fator de potência foi ligado por engano.

• Os condensadores for a ligados quando todos os motores utilizavam arrancadores suaves.

• Os condensadores causam ressonância aproximadamente na 5ª harmónica

• Foi substituída a bateria de condensadores por uma com filtro e o problema foi resolvido.

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Aplicações

Diagramas de cargas

Aplicações:

Auditorias energéticas,

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energéticas, verificação de consumos, alocação de custos, eficiência dos processos

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Aplicações

Diagrama fasorial

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Aplicações

Gráficos de Tendências

Aplicações:

Comportamento dos transformadores e

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transformadores e dos cabos, estudo das reservas disponíveis, determinação da origem das perturbações

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Aplicações

Análise harmónica

Aplicações:

Comportamento dos transformadores e

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transformadores e dos cabos, dimensionamento baterias factor de potência, diagnóstico avarias

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Aplicações

Forma de onda e transitórios

Aplicações:

Diagnóstico avarias, detecção de

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detecção de problemas na instalação eléctrica

Soluções Fluke

Com ecrã

Equipamentos monofásicos

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PrestaçõesFLUKE VR1710

FLUKE 345

FLUKE 43B

Sem ecrã

Com ecrã

- 63 -

Soluções Fluke

FLUKE 1760

Sem ecrã

Equipamentos trifásicos

09-11-2012

PrestaçõesFLUKE 1735 FLUKE 434 FLUKE 435

FLUKE 1740FLUKE 1760

Com ecrã

- 64 -

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As Nossas Referências

Sistemas de Monitorização da Qualidade da Energia - QWebReport®

EDP DistribuiçãoEDP ServiçosElectricidade dos Açores

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Electricidade dos AçoresRede Eléctrica Nacional – RENElectricidade da Madeira

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Fim

Muito Obrigado!

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QEnergia - Sistemas para Qualidade e Gestão de Energia, Lda.Centro Empresarial S. Sebastião,

R. São Sebastião, Lt.11, nº10, Albarraque2635-448 Rio de Mouro - Portugal

Tel.: +351 214 309 320Fax: +351 214 309 299

e-mail: [email protected]

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