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Centro Virtual de Pesquisas Centro Virtual de Pesquisas em Qualidade da Energia Elétricaem Qualidade da Energia Elétrica
Base Ilha SolteiraBase Ilha Solteirahttp://www.http://www.deedee..feisfeis.unesp.br/.unesp.br/qualienergiqualienergi//
Grupo de Pesquisas em EletrônicaGrupo de Pesquisas em Eletrônicade Potência e Qualidade da Energiade Potência e Qualidade da Energia
O que é Qualidade da Energia Elétrica?O que é Qualidade da Energia Elétrica?
-- Qualidade do Produto? Qualidade do Produto?
-- Qualidade do Serviço?Qualidade do Serviço?
-- Qualidade do Atendimento?Qualidade do Atendimento?
Qualidade da Tensão (Qualidade da Tensão ( Voltage QualityVoltage Quality ))
Qualidade da Energia (Qualidade da Energia ( Power QualityPower Quality ))
Qualidade do Produto (Energia ElétricaQualidade do Produto (Energia Elétrica))
Qualquer problema manifestado através de Qualquer problema manifestado através de desvios na tensão, na corrente, ou na desvios na tensão, na corrente, ou na freqüência, que resulte em falha ou má freqüência, que resulte em falha ou má operação de equipamento do consumidoroperação de equipamento do consumidor..
(Electrical Power Systems (Electrical Power Systems QualityQuality; ; DuganDugan, R.C., R.C.,, McGranaghan, M.F., and Beaty, McGranaghan, M.F., and Beaty, H.W.H.W.; 1996; 1996))
Qualidade do Produto Qualidade do Produto -- Uma definiçãoUma definição
normalnormal
surtosurto
normalnormal normalnormalsagsag
normalnormal
interrupçâointerrupçâoswellswell
normalnormal normalnormalharmônicasharmônicas
normalnormal
Qualidade do Produto = Conformidade da TensãoQualidade do Produto = Conformidade da Tensão
Relatório do EPRI, de Jul/01, ressalta:
A eletricidade deve ter qualidade digital, ou seja deve apresentar conformidade (always perfect) e ter continuidade de fornecimento (always on).
Qualidade do ServiçoQualidade do Serviço
EPRI - Electric Power Research Institute
Uma definição mais abrangente...Uma definição mais abrangente...
A QEE deve ser a A QEE deve ser a perfeita combinaçãoperfeita combinação entre entre característicascaracterísticas quase ideais do produtoquase ideais do produto eletricidadeeletricidade((qualidade do produto / conformidadequalidade do produto / conformidade););
com um scom um sistema físico de fornecimento adequado istema físico de fornecimento adequado ((qualidade do serviço / continuidadequalidade do serviço / continuidade););
e agilidade operacional para satisfazer as expectativas e agilidade operacional para satisfazer as expectativas do cliente (do cliente (qualidade do atendimentoqualidade do atendimento).).
Motivação Motivação -- Pesquisa e DesenvolvimentoPesquisa e Desenvolvimento
Perdas econômicas nos EUA, relacionadas a Perdas econômicas nos EUA, relacionadas a fenômenos de QEE atingem montantes entre US$ 15 e fenômenos de QEE atingem montantes entre US$ 15 e 24 bilhões anuais, conforme relatório do EPRI de 24 bilhões anuais, conforme relatório do EPRI de julho/01.julho/01.
(Eletricidade Moderna, Ago/2001)(Eletricidade Moderna, Ago/2001)
√√ Imagem Empresarial ;Imagem Empresarial ;√√ Prejuízos Financeiros;Prejuízos Financeiros;√√ Competitividade;Competitividade;√√ Desenvolvimento Regional.Desenvolvimento Regional.
As Maiores Exigências Impostas pelos Consumidores são Devido a As Maiores Exigências Impostas pelos Consumidores são Devido a Implicações de Ordem Econômica.Implicações de Ordem Econômica.
QEEQEE
√√ Concessionário Concessionário –– Oferecer Contratos de Fornecimento que Garantam a Oferecer Contratos de Fornecimento que Garantam a QEEQEE√√ Conquistar o Consumidor Livre Conquistar o Consumidor Livre –– TornáTorná--lolo CativoCativo
Custos Estimados para Interrupção de Determinado Processo Custos Estimados para Interrupção de Determinado Processo -- US$(mil).US$(mil).
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V
Mínim
o
Médio
Máxim
o
0
100
200
300
400
500
600US$ (mil)
A - SaúdeB - GásC - PapelD - Orgãos PúblicosE - TransportadorasF - Comércio AtacadistaG - MadeireirasH - QuímicasI - Plásticos/BorrachasJ - Extração de PetróleoK - Produtos AlimentíciosL - ComputadoresM - EngenhariaN - Equip. de TransporteO - Orgãos de FinanciamentoP - Centros de NegóciosQ - MineraçãoR - Equipamentos EletrônicosS - Equipamentos de InstrumentaçãoT - Refinarias de PetróleoU - SiderúrgicasV - Têxtil
Custos Estimados para Interrupção de Processo por Um Intervalo Inferior a 1 min
Motivação Motivação -- Pesquisa e DesenvolvimentoPesquisa e Desenvolvimento
Sensibilidade dos Equipamentos à Qualidade da Tensão de SuprimenSensibilidade dos Equipamentos à Qualidade da Tensão de Suprimentoto
Motivação Motivação -- Pesquisa e DesenvolvimentoPesquisa e Desenvolvimento
0.1 1 10 100 1000Tempo em ciclos
0
20
40
60
80
100
Região de Má Operação:VCR’sFornos de MicroondasRelógios Digitais
Ten
são
(% d
a N
omin
al)
√√ Subsidiar Ações para Ressarcimento de Perdas e Danos Causados AoSubsidiar Ações para Ressarcimento de Perdas e Danos Causados Aos Consumidoress Consumidores
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 20000
50
100
150
200
250
Potê
ncia
[GW
]
Ano
Crescimento das Cargas Eletrônicas nos EUA
Carga Total InstaladaCargas Eletrônicas
A Crescente Aplicação de Equipamentos que Utilizam Eletrônica deA Crescente Aplicação de Equipamentos que Utilizam Eletrônica de PotênciaPotência
Motivação Motivação -- Pesquisa e DesenvolvimentoPesquisa e Desenvolvimento
√√ Modelagem de Cargas Não Lineares;Modelagem de Cargas Não Lineares;
√√ Estudos de Penetração Harmônica;Estudos de Penetração Harmônica;
√√ Planejamento da Expansão;Planejamento da Expansão;
√√ Planejamento da Operação;Planejamento da Operação;
√√ Representação da Rede Elétrica; Representação da Rede Elétrica;
√√ Perdas Técnicas;Perdas Técnicas;
√√ Proteção;Proteção;
√√ Medição;Medição;
O Impacto de Algumas Medidas Errôneas para a Racionalização/ConsO Impacto de Algumas Medidas Errôneas para a Racionalização/Conservaçãoervação
Substituição Dos Substituição Dos Sistemas de IluminaçãoSistemas de IluminaçãoIncandescentesIncandescentes
Reatores EletrônicosReatores Eletrônicosde Baixo FPde Baixo FP
Lâmpadas CompactasLâmpadas Compactas
Motivação Motivação -- Pesquisa e DesenvolvimentoPesquisa e Desenvolvimento
Máquinas de Lavar Roupas
Sistemas deRefrigeração
Sistemas Eficientes?? Sistemas Eficientes??
Elevada TDH!!Elevada TDH!!
Comparação entre Lâmpadas
5% Energia Elétrica → Luz Visível
75012,349040[h][lm/W][lm][W]
21% Energia Elétrica → Luz Visível
750065,0260040[h][lm/W][lm][W]
75016,02400150[h][lm/W][lm][W]
Definição do Fator de Potência
Para uma eficiente transmissão de energia da fonte para a carga é desejável Maximizar a Potência Média, com a
Minimização dos Valores Eficazes de Tensão e Corrente(portanto, Minimizando-se as Perdas).
O Fator de Potência (FP) é uma figura de mérito que avalia quanto Eficiente é a Transmissão/Distribuição de
Energia. Ele é definido como:
(Potência Média)Fator de Potência = (Tensao Eficaz)(Corrente Eficaz)
O Fator de Potência está sempre entre 0 e 1; sendo a relação entre Potência Ativa (P) e Potência Aparente (S)
Carga Resistiva (Linear) e Tensão Não-Senoidal
Neste caso as harmônicas de corrente estarão em fase e com amplitudes proporcionais às harmônicas de tensão.Portanto, todas as harmônicas contribuirão para a energia transmitida à carga, e, o Fator de Potência será UNITÁRIO.
22
0n=1
(Tensao Eficaz)= 2nVV
∞
+∑2 2 2
2 00 2 2
n=1 n=1
1(Corrente Eficaz)= (Tensao Eficaz)2 2n nI V VI
R R R
∞ ∞
+ = + =∑ ∑
( )0 01
cos2n n
n nn
V IP V I ϕ θ∞
=
= + −∑
( ); ; cos 1nn n n n n
VIR
θ ϕ ϕ θ= = − =
Carga Não Linear e Tensão Senoidal
Com Tensão Senoidal, as harmônicas de corrente não contribuem para a Potência Média.
Entretanto, correntes harmônicas aumentam o valor Eficaz da Corrente, e, portanto, reduzem o Fator de Potência.
( )( )
( )( )
1
1 122
0n=1
2ˆ(Fator de Potencia) cos
2
ˆ(Fator de Potencia) Fator de Distorçao Fator de Deslocamento
n
I
IIϕ θ
∞
⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟= −⎜ ⎟⎜ ⎟+⎜ ⎟⎝ ⎠
=
∑
22
0n=1
(Corrente Eficaz) 2nII
∞
= +∑( )1 11 1 cos
2V IP ϕ θ= −
Fator de Distorção
Definido Somente para Tensão Senoidal.
Taxa de Distorção Harmônica Total (TDH):
( )
( ) ( )( )
1
22
0n=1
2Fator de Distorçao
2
Valor Eficaz da Fundamental da CorrenteFator de Distorçao
Valor Eficaz da Corrente
n
I
II∞
⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟= ⎜ ⎟⎜ ⎟+⎜ ⎟⎝ ⎠
=
∑
2
n=2
1
(TDH) nI
I
∞
=∑
( )2
1(Fator de Distorçao) 1 TDH
=+
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
20
40
60
80
100
Ordem Harmônica [n]
Am
plitu
de H
arm
ônic
a em
Per
cent
ual
da F
unda
men
tal [
%]
0
9%13%15%15%
19%
32%
52%
73%
91%100%
Exemplo - Retificador Monofásico com Filtro Capacitivo
Espectro Harmônico Típico para a Corrente de Entrada
TDH = 136%TDH = 136%Fator de Distorção = 59%Fator de Distorção = 59%
Exemplo: Máxima Potência Ativa DisponívelRetificador Monofásico em rede de CA: 127V; 15A
( ) ( ) ( ) ( )
disponível eficaz
disponível
disponível
P (Ret. Conv.) V . Limite Proteçao . Fator Potência . Rendimento
P (Ret. Conv.) 127V . 80% de 15A . 0,55 . 0,98
P (Ret. Conv.) 821,4 W
=
=
=
( ) ( ) ( ) ( )
disponível eficaz
disponível
disponível
P (Ret. CFP) V . Limite Proteçao . Fator Potência . Rendimento
P (Ret. CFP) 127V . 80% de 15A . 0,99 . 0,93
P (Ret. CFP) 1.403,15 W (70,8% A MA
=
=
= IS de Potência Ativa Disponível)
Ponto de Vista do Consumidor
Outros3%
Consumidor Adjacente
8%Consumidor Afetado
12%
Concessionária17%
Causas Naturais60%
As Origens dos Problemas de QualidadeAs Origens dos Problemas de Qualidade
Ponto de Vista do Concessionário
Outros0%
Consumidor Adjacente
8%
Consumidor Afetado25%
Concessionária1%
Causas Naturais66%
Pesquisadores e Membros Pesquisadores e Membros -- Base Ilha SolteiraBase Ilha Solteira
-- 07 Pesquisadores (507 Pesquisadores (5 ProfProf.. DrDr. Adjuntos e 2. Adjuntos e 2 ProfProf.. DrDr.);.);
-- 02 Pós02 Pós--Doutorandos;Doutorandos;
-- 02 Doutorandos;02 Doutorandos;
-- 15 Mestrandos;15 Mestrandos;
-- 02 Iniciação Científica.02 Iniciação Científica.
Pesquisas em DesenvolvimentoPesquisas em Desenvolvimento
Sistemas deSistemas de AcionamentosAcionamentos de Elevado Rendimento de Elevado Rendimento e Desempenho:e Desempenho:-- Sistemas de Refrigeração (TDH, eficiência, Sistemas de Refrigeração (TDH, eficiência, racionalização);racionalização);
QualidadeQualidade na Distribuição e Uso da Energiana Distribuição e Uso da Energia ElétricaElétrica: : -- ModelagemModelagem de Cargas Não Lineares e Efeitos nos de Cargas Não Lineares e Efeitos nos Dispositivos dos Sistemas de Distribuição;Dispositivos dos Sistemas de Distribuição;-- Análise dos Efeitos deAnálise dos Efeitos de HarmônicosHarmônicos e Desequilíbrios e Desequilíbrios em Equipamentos de Distribuição;em Equipamentos de Distribuição;
Pesquisas em DesenvolvimentoPesquisas em Desenvolvimento
Sistemas de Iluminação Eficientes e com Qualidade:Sistemas de Iluminação Eficientes e com Qualidade:-- Fluorescentes (MúltiplasFluorescentes (Múltiplas LâmpLâmp., TDH, Rendimento);., TDH, Rendimento);-- Iluminação de Alta pressão (TDH,Iluminação de Alta pressão (TDH, ResonReson. Acústica);. Acústica);
SistemasSistemas de Alimentação, Qualidade e Eficiência:de Alimentação, Qualidade e Eficiência:-- RetificadoresRetificadores Monofásicos e Trifásicos (FP, TDH);Monofásicos e Trifásicos (FP, TDH);-- FontesFontes ChaveadasChaveadas Especiais (FP, TDH, Comutação);Especiais (FP, TDH, Comutação);
Pesquisas em DesenvolvimentoPesquisas em Desenvolvimento
Sistemas Alternativos de Conversão de Energia:Sistemas Alternativos de Conversão de Energia:-- ConversãoConversão FotovoltaicaFotovoltaica e Célula Combustível em e Célula Combustível em Aplicações em Corrente Alternada;Aplicações em Corrente Alternada;
AnáliseAnálise PenetraçãoPenetração HarmônicaHarmônica em Equipamentos:em Equipamentos:-- HarmônicosHarmônicos (FP, TDH, EMI/EMC);(FP, TDH, EMI/EMC);-- FlickerFlicker (EMI/EMC);(EMI/EMC);-- Distúrbios;Distúrbios;
Pesquisas em DesenvolvimentoPesquisas em Desenvolvimento
Análise de InterferênciasAnálise de Interferências EletromagnéticasEletromagnéticas::-- EMI Conduzida, Filtros de Linha;EMI Conduzida, Filtros de Linha;
FiltrosFiltros Passivos Passivos -- DimensionamentoDimensionamento OtimizadoOtimizado;;-- Análise de desempenho;Análise de desempenho;
Pesquisas em DesenvolvimentoPesquisas em Desenvolvimento
Conversores Estáticos Conversores Estáticos -- ModelagemModelagem como Fontecomo Fonte HarmônicaHarmônica;;
CompensaçãoCompensação de Sistemasde Sistemas-- Desequilíbrios eDesequilíbrios e FatorFator de Deslocamento;de Deslocamento;-- Potência Complexa Instantânea;Potência Complexa Instantânea;
Pesquisas em DesenvolvimentoPesquisas em Desenvolvimento
UsoUso Racional e Controle de Desperdício de EnergiaRacional e Controle de Desperdício de EnergiaElétricaElétrica::-- Análise de Plantas;Análise de Plantas;-- Modernização (Modernização (RetrofitRetrofit) de Sistemas Fabris;) de Sistemas Fabris;-- ModelagensModelagens;;
Pesquisas em DesenvolvimentoPesquisas em Desenvolvimento
Transformadores de Distribuição e Força:Transformadores de Distribuição e Força:-- Efeitos da Magnetização Assimétrica;Efeitos da Magnetização Assimétrica;-- Influência deInfluência de HarmônicosHarmônicos na Vida Útil;na Vida Útil;
MedidoresMedidores de kWh :de kWh :-- Resposta quando Submetidos a Distúrbios;Resposta quando Submetidos a Distúrbios;
Produção Científica Produção Científica -- Período: 2001/2003Período: 2001/2003
Artigos Publicados em Revistas: 07Artigos Publicados em Revistas: 07
ArtigosArtigos Aceitos em Revistas (noAceitos em Revistas (no prêloprêlo): 04): 04
ArtigosArtigos Submetidos Revistas (em análise): 05Submetidos Revistas (em análise): 05
ArtigosArtigos Completos em Congressos: 29Completos em Congressos: 29
DissertaçõesDissertações de Mestrados Concluídas: 22 (Geral)de Mestrados Concluídas: 22 (Geral)
TesesTeses de Doutorado Concluídas: 01de Doutorado Concluídas: 01
Exemplos de Projetos DesenvolvidosExemplos de Projetos Desenvolvidos
TDH; FP; Rendimento; Controle de LuminosidadeTDH; FP; Rendimento; Controle de Luminosidade
Reator EletrônicoReator Eletrônico para Múltiplas Lâmpadas Fluorescentespara Múltiplas Lâmpadas Fluorescentes
Exemplos de Projetos DesenvolvidosExemplos de Projetos Desenvolvidos
Carga EletrônicaCarga Eletrônica de 300A para Ensaios Dinâmicos de 300A para Ensaios Dinâmicos de Fontes de Alimentaçãode Fontes de Alimentação
Exemplos de Projetos DesenvolvidosExemplos de Projetos Desenvolvidos
TDH; FP; EMI; Eficiência (comutações nãoTDH; FP; EMI; Eficiência (comutações não dissipativasdissipativas))
Retificador para Sistemas de TelecomunicaçõesRetificador para Sistemas de Telecomunicações
Exemplos de Projetos DesenvolvidosExemplos de Projetos Desenvolvidos
TDH; FP; EMI; Eficiência (comutações nãoTDH; FP; EMI; Eficiência (comutações não dissipativasdissipativas))
Carregador de Baterias de Elevada QualidadeCarregador de Baterias de Elevada Qualidade
Exemplos de Projetos DesenvolvidosExemplos de Projetos Desenvolvidos
Apoio DidáticoApoio Didático –– Gerenciado por MicrocomputadorGerenciado por Microcomputador
Compensador Estático tipo RCT Compensador Estático tipo RCT
Barramento doMicrocomputador
Placa de Aquisiçãode Dados
PCL-711S
Placa de Condicio-namento de Sinais
Circuito deSincronismo
Circuito deSample-Hold
TP´s
Circuito de Condicio-namento de Corrente
TC´s
Placa deInterfaceamento
Placa dosContadores
Circuito Opto-Acoplador
Tiristores
Entrada
Digital
Entrada
Analógica
Exemplos de Projetos DesenvolvidosExemplos de Projetos Desenvolvidos
PerdasPerdas Técnicas: Suprimento/Planejamento/Técnicas: Suprimento/Planejamento/Substituição/Análise TécnicoSubstituição/Análise Técnico--EconômicaEconômica
Gerenciamento de TransformadoresGerenciamento de Transformadores
Exemplos de Projetos em AndamentoExemplos de Projetos em Andamento
Sistema de Refrigeração de Elevado Desempenho: Sistema de Refrigeração de Elevado Desempenho: TDH; FP; Racionalização/Eficiência; Controle DigitalTDH; FP; Racionalização/Eficiência; Controle Digital
Pré-ReguladorZCS-PWM
(ou ZCS-FM)
CargaSistema de
RefrigeraçãoMotor Trifásicode Indução
Inversor 2níveis, com
controle vetorial(ou escalar)
VCC 3φ
Proteções
Controle de TemperaturaLógica VHDL
DSP
Controle do Inversor(Velocidade do Motor)
Controle Pré-Regulador
Referências de Tensãoe de Corrente
1φ CA 60 Hz97V-260V
Exemplos de Projetos em AndamentoExemplos de Projetos em Andamento
PréPré--Regulador comRegulador com InterleavedInterleaved para Sistemas de para Sistemas de Telecomunicações: Telecomunicações: TDH; FP; Eficiência; Controle DigitalTDH; FP; Eficiência; Controle Digital
D22
Sa
Lr2 Cr
Lr1
D1Lin
Sp
Dap Daa
Célula 2
D2
Sa1
Lr2 CrLr1
D1Lin
Sp1
Dap Daa
Célula 1
Iin(ωt) Dr1 Dr2
Dr3 Dr4
C0 R0
Sinais deControle FPGA
Sinais deGate
Célula 1gSp1gSa1
Célula 2gSp2gSa2
Exemplos de Projetos em AndamentoExemplos de Projetos em Andamento
Aproveitamento da EnergiaAproveitamento da Energia FotovoltaicaFotovoltaica em Aplicações em Aplicações em CA: em CA: Eficiência (Técnicas Comutação); Controle DigitalEficiência (Técnicas Comutação); Controle Digital
REGULADOR BATERIAS CONVERSORCC-CC e INVERSOR
CARGAS CA
CARGAS CC
MÓDULO SOLAR/FOTOVOLTAICO
Exemplos de Projetos em AndamentoExemplos de Projetos em Andamento
Desenvolvimento de um Algoritmo Inteligente para Desenvolvimento de um Algoritmo Inteligente para a Análise de Defeitos ema Análise de Defeitos em EquipEquip.. EletrodomésticosEletrodomésticos, em , em Função de Distúrbios no Sistema de Distribuição;Função de Distúrbios no Sistema de Distribuição;
0.001 0.50.01 1.00.1 6 1000
10030
10
Tempo em Ciclos (60 Hz)
106%
87%
100
115%
30%0
200
Ten
são
[%]
400
Nível de Tensão Passível de Ruptura
300
Envoltória da Tensão de Tolerância do Computador
Infraestrutura LaboratorialInfraestrutura Laboratorial
Laboratório InterferênciasLaboratório Interferências EletromagnéticasEletromagnéticas ConduzidasConduzidas
Infraestrutura LaboratorialInfraestrutura Laboratorial
Laboratório de Qualidade da EnergiaLaboratório de Qualidade da Energia ElétricaElétrica
Infraestrutura LaboratorialInfraestrutura Laboratorial
Laboratório deLaboratório deEletrônicaEletrônica de Potênciade Potência--1 1
Infraestrutura LaboratorialInfraestrutura Laboratorial
Laboratório deLaboratório deEletrônicaEletrônica de Potênciade Potência--2 2
Infraestrutura LaboratorialInfraestrutura Laboratorial
Laboratório de Confecção de Circuitos ImpressosLaboratório de Confecção de Circuitos Impressos
F I MF I M
ee--mailmail: : qualienergiqualienergi@@deedee..feisfeis.unesp.b.unesp.bee--mailmail: canesin@: [email protected]