Curso de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica 1

Qualidade da Energia Eltrica Ewaldo L. M. Mehl(*)

1. Apresentao(*) A disponibilidade da energia eltrica representa um incremento na qualidade de vida das populaes. Num primeiro momento em que se implanta um sistema de distribuio de energia eltrica, a populao local imediatamente passa a constar com inmeros benefcios, tanto do ponto de vista de maior conforto domstico como de melhores possibilidades de emprego e produo. medida que os benefcios da energia eltrica passam a fazer parte do dia-a-dia das pessoas, natural que inicie-se um processo de discusso quanto qualidade daquele produto. Numa anlise inicial preocupa-se com a continuidade do servio, j que fica evidente que qualquer interrupo do fornecimento implicar em transtornos de toda ordem. No to evidente, no entanto, a questo da qualidade da energia eltrica como um produto comercial, mesmo que no ocorram interrupes. Isso normalmente s percebido de forma um pouco difusa, atravs de falhas de funcionamento em alguns equipamentos. A questo da qualidade da energia eltrica aparece portanto a partir do momento em que os consumidores constatam interrupes no fornecimento, mas medida que tais consumidores tornam-se mais sofisticados sob o ponto de vista tecnolgico, outros fatores comeam a ser considerados. Esse trabalho descreve, com o ttulo de apresentao, os principais aspectos da Qualidade da Energia Eltrica, luz da legislao atual. 2. Evoluo das Cargas Eltricas At final da dcada de 70, vivamos uma situao bastante diferente da atual no Brasil, no que diz respeito ao consumo de energia eltrica. Podamos claramente generalizar trs tipos de consumidores: o consumidor residencial (urbano e rural), o de comrcio e/ou servios e o consumidor industrial. Naquela poca o consumidor residencial, por exemplo, possua uma carga plenamente resistiva, salvo raras excees. Numa residncia tpica daquela poca, encontrava-se como cargas grandes os chuveiros eltricos a resistncia, e os ferros de passar roupas resistncia eltrica. O nmero de equipamentos eletrnicos resumia-se, na maioria das residncias, a um aparelho de TV. Apesar da existncia nas residncias de uma carga indutiva-

(*) Engenheiro Eletricista (UFPR, 1980), Mestre em Engenharia de Materiais (COPPE/UFRJ, 1987) e Doutor em Engenharia Eltrica (UFSC, 1996). Desde 1982 professor no Curso de Engenharia Eltrica da Universidade Federal do Paran em Curitiba.

resistiva (o motor do refrigerador), a demanda por energia eltrica era consumida por uma carga considerada resistiva. Atualmente, vivemos uma realidade bastante diferente, onde podemos encontrar comumente consumidores (de diversas classes), tambm residenciais, com cargas comandadas eletronicamente, tais como fornos de microondas, computadores e perifricos, diversos aparelhos de TV e de udio, em uma gama bastante vasta de eletrodomsticos. Tornou-se comum portanto a existncia de cargas eletrnicas, que est cada dia mais presente em nossas vidas, lado-a-lado com as cargas eltricas, outrora comandadas sem o recurso da eletrnica. Um claro exemplo do emprego da eletrnica em uma rea anteriormente dominada por cargas resistivas, so as lmpadas fluorescentes econmicas, que hoje em dia esto substituindo gradualmente as lmpadas incandescentes tradicionais, inclusive com apoio do governo, motivado pela recente crise energtica. As cargas eltricas comandadas eletronicamente possuem uma caracterstica intrnseca que a no-linearidade das mesmas, ou seja, no requerem a corrente eltrica constantemente, mas solicitam apenas picos de energia em determinados momentos. Dependendo da topologia do conversor eletrnico empregado, a corrente de entrada disparada em determinado perodo ou ngulo da oscilao senoidal. Com isto, as cargas eletrnicas acabam por distorcer a forma de onda (tenso e corrente) que lhe entregue e como conseqncia gerando uma "poluio" na rede de energia eltrica. Esta poluio traduzida por diversos tipos de problemas ou distrbios, os quais sero devidamente esclarecidos. importante ressaltar que estas mesmas cargas eletro/eletrnicas, alm de polurem a rede eltrica, sofrem diretamente com a m qualidade desta energia. No difcil observarmos em instalaes com um grande nmero de computadores ligados nos mesmos circuitos, alguns desses computadores com problemas de funcionamento, aparentemente sem maiores explicaes. 3. Distrbios da Rede Eltrica Diversos aspectos permitem a avaliao da qualidade do fornecimento de energia eltrica, entre eles podemos citar a continuidade do fornecimento, nvel de tenso, oscilaes de tenso, desequilbrios, distores harmnicas de tenso e interferncia em sistemas de comunicaes. Dentro dos distrbios referentes s oscilaes de tenso, tem-se os distrbios tipo impulso, oscilaes transitrias, variaes no valor eficaz (de curta ou longa durao), desequilbrio de tenso e

Curso de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica 2

distores na forma de onda. Estes distrbios representam desvios em regime da forma de onda, em relao a onda terica puramente senoidal. Na seqncia so apresentadas algumas definies clssicas dos distrbios mais freqentes. 3.1 Cintilao ou Flicker: O fenmeno de cintilao luminosa, ou efeito flicker basicamente constatado atravs da impresso visual resultante das variaes do fluxo luminoso de lmpadas, principalmente as do tipo incandescentes. Entre as causas do fenmeno so citadas cargas com ciclo varivel, cuja freqncia de operao produz uma modulao da magnitude da tenso da rede na faixa de 0 a 30 Hz. Nessa faixa de freqncias, o olho humano extremamente sensvel s variaes da emisso luminosa das lmpadas, sendo que a mxima sensibilidade do olho em torno de 10 Hz.

Figura 1: Curva de sensibilidade do olho humano.

Figura 2: Variao de tenso ocasionada pela

operao de um forno a arco.

Como a variao da potncia eltrica associada ao fenmeno de cintilao bastante baixa (da ordem de 0,3% da potncia nominal da lmpada) pode-se suspeitar que o efeito de cintilao tambm possa ser provocado pela simples variao do contedo harmnico de uma carga do tipo no-linear. Nesse caso, o fenmeno ocorreria mesmo sendo a tenso fundamental constante. 3.2 Cunha de Tenso ou Voltage Notch:

Cunha de Tenso ou Notching representa o afundamento abrupto da tenso que ocorre em cada alternncia, podendo ou no cair a zero ou mudar de sinal. causada basicamente por conversores de energia trifsicos que proporcionam curto-circuito momentneo entre fases, por exemplo, na comutao entre braos de um retificador de onda completa a diodos.

Figura 3: Afundamento de tenso.

Figura 4: Limites de tolerncia das oscilaes de tenso.

3.3 Desequilbrio de Tenso ou Voltage Imbalance Desequilbrio de tenso por definio, a diferena entre a magnitude das tenses de fase de circuitos polifsicos. Na rede de distribuio podem ocorrer desequilbrios de naturezas distintas:

Figura 5: Perdas nos motores de induo por desequilbrio de tenso.

A assimetria da rede, gerada pelos tipos de transformadores de distribuio utilizados.

Curso de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica 3

Assim, mesmo que a carga seja perfeitamente equilibrada (desequilbrio de corrente nulo), sero detectados nveis de desequilbrio de tenso.

A natureza da carga, da forma como os consumidores esto conectados nas fases e neutro da rede de distribuio e com os diferentes nveis de corrente que absorvem em cada instante de tempo da curva de carga diria.

3.4 Elevao de Tenso: Voltage Swell, Spikes e Overvoltage: Este tipo de distrbio caracterizado pelo aumento da tenso de alimentao acima do limite normal (conforme normas tcnicas pertinentes), cuja durao no ultrapasse 2 (dois) segundos. Este fenmeno conhecido como Voltage Swell ou Swel. Para casos em que a durao do tempo ultrapasse a dois segundos, definido o distrbio como sobretenso ou overvoltage. Existem tambm os casos em que a elevao do valor da tenso acima do limite ocorre em um perodo extremamente curto, da ordem de micro ou milisegundos. Este fenmeno conhecido como Surtos ou Spikes. 3.5 Afundamento de Tenso: Voltage Sag e Undervoltage: Este tipo de distrbio caracterizado pela diminuio da tenso de alimentao abaixo do limite mnimo normal (conforme normas tcnicas pertinentes), cuja durao no ultrapasse 2 (dois) segundos. Este fenmeno conhecido como Voltage Sag ou simplesmente Sag. Para casos em que a durao do tempo ultrapasse a 2 (dois) segundos, definido o distrbio como subtenso ou undervoltage.

Figura 6: Afundamento de tenso. 3.6 Rudo ou Noise: O rudo a distoro da tenso senoidal, atravs da superposio de um sinal de alta freqncia (da ordem de MHz). Podemos classificar em dois tipos de rudos, o de modo

comum e o de modo normal: Rudo de Modo Comum Common Mode Noise: Diferena da tenso que ocorre entre o condutor neutro e a terra. Rudo de Modo Normal Normal Mode Noise: Diferena da tenso que ocorre entre o condutor fase e neutro.

Figura 7: Tenso alternada senoidal com presena de rudo.

3.7 Interferncia Eletromagntica EMI e EMC: A interferncia eletromagntica um fenmeno presente no ambiente (ar) e nos cabos existentes em uma instalao. Trata-se de um sinal (rudo) de alta freqncia que quando irradiado atravs do meio (ar) chamado de EMI e que quando propagado atravs dos cabos eltricos e de RF chamado de EMC. Estes rudos (EMI e EMC) so devidos tambm circulao dos componentes harmnicos, gerados pelos conversores de potncia chaveados que operam em alta freqncia, e que interferem na operao adequada de outros equipamentos conectados a mesma rede. Em centrais de telecomunicaes este tipo de distrbio bastante preocupante, pois a alimentao da central de comutao e alguns equipamentos de transmisso (rdios, multiplex, modens, etc) feita em corrente contnua (-48Vdc). Esta alimentao proveniente de retificadores com bateria(s) operando em paralelo. Atualmente estes retificadores tm como topologia o chaveamento dos transistores de potncia (MOSFETs, IGBTs, etc) em alta freqncia (alguns kHz), que geram tambm EMI e EMC. Estes equipamentos devem possui uma blindagem eficaz contra estes fenmenos, pois caso os mesmos propaguem-se, seja pelo meio ar, seja pelo meio dos cabos eltricos, interferir em outros equipamentos da central telefnica, gerando conseqncias indesejadas. Para homologao destes produtos no Brasil e habilitao dos mesmos para comercializao, se faz necessrio diversos testes e ensaios em laboratrios capacitados, inclusive com cmara semi-anecica e equipamentos e antenas capazes de varrer toda gama de freqncias. Para estes

Curso de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica 4

testes existem Normas Tcnicas da antiga TELEBRS, sendo inclusive baseada na Norma Europia CISPRR 22a. 3.8 Harmnicos e Interharmnicos: Os interharmnicos (harmnicos no mltiplos de 60 Hz) costumam originar-se em cargas com formas de corrente no peridicas em 60 Hz (por exemplo, cicloconversores e fornos a arco). Os harmnicos so originados por cargas eletrnicas que consomem correntes peridicas de 60 Hz no senoidais (por exemplo, um retificador trifsico de onda completa a diodos). As distores harmnicas so um tipo especfico de energia suja (poluda ou contaminada) que, diferentemente dos transientes de corrente e tenso, esto presentes de forma contnua, associadas ao crescente nmero de acionamentos estticos (inversores de freqncia, variadores de velocidade, etc.), fontes chaveadas, e outros dispositivos eletrnicos de acionamento (lmpadas eletrnicas, por exemplo). 4. NDICES DE QUALIDADE Aps a privatizao da maioria das concessionrias de energia eltrica, a ANEEL criou o conceito de consumidor livre, com direito de comprar energia de qualquer concessionria, e no apenas daquela cuja concesso cobre a rea onde o consumidor est instalado. Entretanto, num primeiro momento os consumidores livres eram aqueles cujas demandas eram superiores a 10 MW. Desde 8 de julho de 2000, so livres todos aqueles consumidores de energia eltrica com demandas acima de 3 MW, e alimentados com tenso igual ou superior a 69 kV. Ainda so poucos os que exercem este direito. Existem apenas 2 casos no Brasil de consumidores que trocaram de concessionria: Volkswagen (Taubat/SP) e Carbocloro (Cubato/SP). Este nmero promete continuar pequeno devido ao imenso esforo que as concessionrias esto dispendendo para manter seus clientes. Ainda que por outras circunstncias (oferta quase igual a demanda) no se possa esperar expressivas redues de preos da energia por conta desta liberalizao, certo que o novo ambiente deve estimular inovaes tecnolgicas redutoras de custo, com grande destaque para a qualidade da energia. Muitas empresas j desejam acompanhar as curvas de tenso, de transientes e de correntes harmnicas no ponto de entrega de suas concessionrias. No ambiente de livre mercado, cresceu muito em importncia a qualidade da energia entregue, e este acompanhamento. As quedas de tenso so de tipicamente

0,5 30 ciclos e as interrupes de normalmente 2 segundos 5 segundos. As interrupes so normalmente causadas por manuteno na linha. As quedas de tenso so normalmente causadas por falhas na alimentao ou pela partida de cargas muito grandes como motores. As falhas na alimentao so causadas tipicamente por alguma sobrecarga momentnea (por exemplo, algum curto-circuito na linha causado por um galho ou dois fios que se tocaram devido ao vento). As concessionrias utilizam dispositivos que tentam reconectar o circuito rapidamente. Durante este perodo, ocorre uma queda de tenso ou uma interrupo na alimentao. Alguns sistemas rearmam muito rapidamente (de 2 a 3 ciclos), enquanto outros levam muito mais tempo (de 20 ciclos at 5 segundos). No incomum que o sistema rearme e desarme vrias vezes at a causa do curto-circuito ser sanada. Estas falhas na alimentao podem abranger uma rea muito grande atingindo diversos circuitos de distribuiao. Partida de motores ou cargas grandes faz com que aumente muito o esforo sobre o sistema. Impedncias dimensionadas para o funcionamento em modo contnuo, so normalmente muito altas para estes casos, causando quedas de tenso. Infelizmente, devido a queda de tenso, o fator de potncia dos motores diminui muito diminuindo o torque de partida fazendo com que o perodo do arranque fique bem maior e, portanto, aumentando a gravidade da queda de tenso. O desempenho das concessionrias quanto continuidade do servio prestado de energia eltrica medido pela ANEEL com base em indicadores especficos, denominados de DEC e FEC. O DEC (Durao Equivalente de Interrupo por Unidade Consumidora) indica o nmero de horas em mdia que um consumidor fica sem energia eltrica durante um perodo, geralmente mensal. J o FEC (Freqncia Equivalente de Interrupo por Unidade Consumidora) indica quantas vezes, em mdia, houve interrupo na unidade consumidora (residncia, comrcio, indstria etc).

O DEC pode ser calculado por:

onde: i = nmero de interrupes, de 1 a n

T(i) = tempo de durao de cada interrupo do conjunto de consumidores considerados, em horas Ca(i) = nmero de consumidores do conjunto considerado, atingido nas interrupes Cs = nmero total de consumidores do conjunto considerado. O FEC pode ser calculado por:

Curso de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica 5

Os componentes da equao so os mesmos do clculo da DEC. As metas de DEC e FEC a serem observadas pelas concessionrias esto definidas em Resoluo especfica da ANEEL. Essas metas tambm esto sendo publicadas mensalmente na conta de energia eltrica do consumidor. A ANEEL implantou no ano 2000 mais trs indicadores destinados a aferir a qualidade prestada diretamente ao consumidor, quais sejam: DIC, FIC e DMIC.

Os indicadores DIC (Durao de Interrupo por Unidade Consumidora) e FIC (Freqncia de Interrupo por Unidade Consumidora) indicam por quanto tempo e o nmero de vezes respectivamente que uma unidade consumidora ficou sem energia eltrica durante um perodo considerado. O DMIC (Durao Mxima de Interrupo por Unidade Consumidora) um indicador que limita o tempo mximo de cada interrupo, impedindo que a concessionria deixe o consumidor sem energia eltrica durante um perodo muito longo. Esse indicador passa a ser controlado a partir de 2003. As metas para os indicadores DIC, FIC e DMIC esto publicadas na Resoluo ANEEL nmero 024, de 27 de janeiro de 2000 e j esto sendo informadas na conta de energia eltrica do consumidor as metas do DIC e FIC.

Figura 8: Valores mdios da DEC obtidos pela ANEEL para as regies brasileiras em julho de 2001.

Figura 9: Evoluo da DEC mdia no Brasil.

Curso de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica 6

Figura 10: Evoluo da DEC mdia da COPEL.

Figura 11: Valores da FEC nas regies brasileiras em julho de 2001, de acordo com a ANEEL.

Curso de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica 7

Figura 12: Evoluo da FEC mdia no Brasil.

Figura 13: Evoluo da FEC mdia da COPEL

Curso de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica 8

Figura 14: Evoluo da FEC mdia na regio sul do Brasil, entre 1996 e 2000.