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Ricardo Alves Gonzaga
UFPR - Eng. ElétricaMedidas Elétricas
Qualidade de EnergiaQualidade de Energia
Tópicos de discussão Introdução Variações e flutuações na tensão Desequilíbrios de tensão Harmônicas Efeito das harmônicas Limite para as harmônicas
O que é Qualidade de Energia ?
É qualquer problema na tensão, na corrente ou desvio na freqüência que resulte em falha ou prejudique a operação dos equipamentos
Por que a Qualidade de Energia é importante ? Equipamentos Eletrônicos
sensíveis Aumento das cargas não lineares Ressonância Outros
Distúrbios gerados pela concessionária A mudança de tap de
transformadores gera transitórios A atuação de disjuntores gera
transitórios A inserção de capacitores gera
transitórios Etc
Distúrbios gerados pelo consumidor Conversores Eletrônicos Fornos a arco Desequilíbrio de cargas Partida de grandes motores Etc
Variações na tensão Transitórios Variações de curta duração Variações de longa duração Interrupções Distorções na forma de onda "Flicker” Variações na freqüência
Transitório
Um repentino distúrbio devido a uma rápida mudança nas condições da tensão e/ou corrente
Duração: 30 a 200 s
Transitório
Causa:
Impactos:
Descarga Atmosférica
Falha em transformadores
Falha em pára-raios Danos em
equipamentos do consumidor
Variação de Tensão de Curta Duração
Afundamento de tensão
Elevação de tensão
Afundamento de Tensão
Decréscimo entre 0,1 e 0,9 pu do valor eficaz da tensão na freqüência da rede, com duração de 0,5 ciclo até 1 min
Afundamento de Tensão
Causas
Impacto
Falta local ou remota
Partida de grandes motores
Prejudica o funcionamento de equipamentos sensíveis
Elevação de Tensão
Acréscimo entre 1.1 e 1.8 pu do valor eficaz da tensão na freqüência da rede, com duração de 0,5 ciclo até 1 min
Elevação de Tensão
Causa
Impactos
Faltas fase - terra
Sobretensão nos equipamentos
Danos a supressores de sobretensão
Variação de Tensão de Longa Duração
Sobretensão
Subtensão
Sobretensão
Acréscimo maior do que 110 % do valor eficaz da tensão na freqüência da rede, com duração superior a 1 min
Sobretensão
Causas
Impacto
Introdução de banco de capacitores
Desligamento de cargas pesadas
Sistema de regulação de tensão
Alteração de desempenho e/ou vida útil de certos equipamentos
Subtensão
Decréscimo abaixo de 90 % do valor eficaz da tensão na freqüência da rede, com duração superior a 1 min
Subtensão
Causas
Impacto
Retirada de banco de capacitores
Entrada de cargas pesadas
Sistema de regulação de tensão
Alteração de desempenho e/ou vida útil de certos equipamentos
Interrupções
Interrupção momentânea: de 0,5 até 3 segundos
Interrupção temporária: de 3 a 60 segundos
Interrupção de longa duração: acima de 1 minuto
Interrupções Causas
Impacto
Faltas temporárias (exemplo: galho)
Descarga atmosférica Faltas permanentes
Interrupção da operação com perda de produção e lucros cessantes
Distorção na Forma de Onda
Harmônicas
Onda deformada por comutação
Onda com ruído superposto
Harmônicas
São produzidas por cargas não lineares, tais como equipamentos de eletrônica de potência.
Essas cargas geram correntes não senoidais mesmo sendo alimentadas com tensão senoidal.
Harmônicas Causa
Impactos
Cargas não lineares
Operação prejudicada de equipamentos sensíveis
Falhas em capacitores ou queima do fusível
Interferência na comunicação telefônica
Onda deformada por comutação
Distúrbio na forma de onda da tensão causada pela operação normal de chaves semicondutoras quando a corrente é comutada de uma fase para outra.
Onda deformada por comutação
Causa
Impacto
Operação normal de retificadores
Operação prejudicada de equipamentos sensíveis
Onda com ruído superposto
É qualquer sinal elétrico não desejado com intervalo de freqüência menor do que 200 kHz superposto á corrente ou tensão do sistema.
Onda com ruído superposto
Causas
Impactos
Fontes chaveadas Solda elétrica
Prejudica o funcionamento de microcomputadores, controladores lógicos programáveis, etc
Flutuação de Tensão “Flicker”
É causada por carga que varia rápida e continuamente a corrente solicitada, particularmente a sua componente reativa.
Flutuação de Tensão “Flicker”
Causa Impactos
Fornos a arco
Variação do fluxo luminoso em lâmpadas, abalando o sistema nervoso devido ao desconforto visual
Oscilação de potência e de torque em motores
Variação na Freqüência
Desvio no valor nominal da freqüência fundamental do sistema elétrico.
Variação na Freqüência
Causas
Impacto
Falta em ponto importante do sistema elétrico
Desconexão de grandes blocos de carga
Desconexão de uma grande fonte de geração
Prejudica a operação de equipamentos
Desequilíbrio de Tensão
É a condição na qual as fases apresentam diferentes valores de tensão tanto em módulo como em fase.
A caracterização da presença de desequilíbrios pode ser feita através de diferentes métodos.
Método das componentes simétricas
Neste método, o grau de desequilíbrio é definido pela relação entre os módulos da tensão de seqüência negativa e da tensão de seqüência positiva.
100VV%GD
1
2
Método do máximo desvio da tensão média
Neste método, o grau de desequilíbrio é definido como a relação entre o máximo desvio da tensão média e a tensão média.
100V
V%GDmédio
Harmônicas
São distorções na forma de onda da tensão e/ou corrente, caracterizadas por sinais senoidais com freqüências múltiplas e inteiras da freqüência fundamental.
Harmônicas
Harmônicas
Cargas não lineares
São cargas que, embora sujeitas a uma tensão senoidal, solicitam da rede uma corrente não senoidal.
Equipamentos que se utilizam da eletrônica de potência recortam a onda de corrente.
Distorção Harmônica Individual
É a relação entre a amplitude da harmônica de ordem “h” e a correspondente grandeza (corrente ou tensão) fundamental
100IIIHD
1
h
Distorção Harmônica Total
É a relação entre o valor eficaz das componentes harmônicas e a correspondente grandeza (corrente ou tensão) fundamental
1
25
24
23
22
IIIII
DHT
Fator de Deslocamento
É o cosseno do ângulo de defasagem entre a onda fundamental de tensão e a onda fundamental de corrente.
O cos só é igual ao F.P. no caso de ondas puramente senoidais.
Conceitos - Harmônicas
As harmônicas de corrente exigem um sobredimensionamento da instalação elétrica e dos transformadores, além de aumentar as perdas (efeito pelicular).
Conceito
A componente de 3a harmônica da corrente, em sistema trifásico com neutro, pode ser muito maior do que o normal.
Conceito
As componentes harmônicas podem excitar ressonâncias no sistema de potência, levando a picos de tensão e de corrente, podendo danificar dispositivos conectados à linha.
Conceito
As componentes harmônicas da corrente também contribuem para o aumento da corrente eficaz, de modo que elevam a potência aparente sem produzir potência ativa (supondo a tensão senoidal). Assim, uma correta medição do FP deve levar em conta a distorção da corrente, e não apenas a componente reativa (na freqüência fundamental).
Conceito
Num caso genérico, tanto a componente fundamental quanto as harmônicas podem produzir potência ativa, desde que existam as mesmas componentes espectrais na tensão e na corrente, e que sua defasagem não seja 90 graus.
Efeito das Harmônicas
Motores e Geradores Transformadores Cabos de Alimentação Capacitores Equipamentos Eletrônicos Aparelhos de medição Fusíveis Relés de proteção
Motores e Geradores
Provoca o aumento do aquecimento devido ao aumento das perdas no ferro e no cobre. Afeta-se, assim, sua eficiência e o torque disponível. Além disso, tem-se um possível aumento do ruído audível, quando comparado com alimentação senoidal.
Motores e Geradores
Algumas componentes harmônicas, ou pares de componentes (por exemplo, 5a e 7a, produzindo uma resultante de 6a harmônica) podem estimular oscilações mecânicas em sistemas turbina-gerador ou motor-carga, devido a uma potencial excitação de ressonâncias mecânicas.
Transformadores
Também neste caso tem-se um aumento nas perdas. Harmônicos na tensão aumentam as perdas no ferro, enquanto harmônicos na corrente elevam as perdas no cobre. A elevação das perdas no cobre deve-se principalmente ao efeito pelicular, que implica numa redução da área efetivamente condutora à medida que se eleva a freqüência da corrente.
Transformadores
O efeito das reatâncias de dispersão fica ampliado, uma vez que seu valor aumenta com a freqüência. Isso prejudica a regulação dos transformadores devido à maior queda de tensão.
Cabos de Alimentação
Em razão do efeito pelicular, que restringe a seção condutora para componentes de freqüência elevada, também os cabos de alimentação têm um aumento de perdas e queda de tensão devido às harmônicas de corrente.
Cabos de Alimentação
Tem-se, também, o chamado "efeito de proximidade", o qual relaciona um aumento na impedância do condutor em função do efeito dos campos magnéticos produzidos pelos demais condutores colocados nas adjacências.
Capacitores
O maior problema é a possibilidade de ocorrência de ressonâncias (excitadas pelas harmônicas), podendo produzir níveis excessivos de corrente e/ou de tensão.
Capacitores
As correntes de alta freqüência, que encontrarão um caminho de menor impedância pelos capacitores, elevarão as suas perdas ôhmicas. O decorrente aumento no aquecimento do dispositivo encurta a vida útil do capacitor.
Equipamentos Eletrônicos
Alguns equipamentos são muito sensíveis a distorções na forma de onda de tensão. Por exemplo, se um aparelho utiliza os cruzamento com o zero para realizar alguma ação, distorções na forma de onda podem alterar, ou mesmo inviabilizar, seu funcionamento.
Equipamentos Eletrônicos
Caso as harmônicas penetrem na alimentação do equipamento por meio de acoplamentos indutivos e capacitivos (que se tornam mais efetivos com a aumento da freqüência), eles podem também alterar o bom funcionamento do aparelho.
Aparelhos de Medição
Os instrumentos eletrônicos de medição são capazes de efetuar leituras baseados nos valores eficazes verdadeiros, independentemente das formas de onda envolvidas, porém tais instrumentos são de custo superior aos convencionais.
Aparelhos de Medição
Os transformadores de potencial e de corrente ( TP’s e TC’s ) utilizados para medição não são afetados nas condições de conteúdo harmônico normalmente encontrados em sistemas elétricos.
Aparelhos de Medição
Dispositivos com discos de indução, como os medidores de energia, são sensíveis a componentes harmônicas, podendo apresentar erros positivos ou negativos, dependendo do tipo de medidor e da harmônica presente. Em geral a distorção deve ser elevada (>20%) para produzir erro significativo.
Fusíveis
É preciso empregar um redutor em relação ao seu valor nominal de corrente. Não existem ainda padrões referentes a níveis de harmônicas que tais dispositivos devam suportar ou ter capacidade de interromper o fluxo.
Relés de proteção
Os relés, geralmente, apresentam tendência de atuar de modo mais lento e com valores de atuação mais elevado, na presença de distorção harmônica. No entanto, o inverso também acontece.
Relés de proteção
Na maior parte dos casos em que o THD mantém-se na faixa de 5 %, as mudanças na operação dos relés são pequenas. Relés de sobretensão e de sobrecorrente de fabricantes diferentes apresentam comportamentos também diferentes na presença de distorção harmônica.
Documentos Brasileiros
“Critérios e procedimentos para o atendimento a consumidores com cargas especiais”. Publicado em fevereiro de 1993.
“Procedimentos de medição para aferição da qualidade da onda de tensão quanto ao aspecto de conformidade”. Publicado em novembro de 1997.
Recomendação IEEE
Os limites estabelecidos referem-se aos valores medidos no Ponto de Acoplamento Comum (PAC).
A filosofia é que não interessa ao sistema o que ocorre dentro de uma instalação, mas sim o que ela reflete para o exterior.
Limites de distorção de tensão
Distorçãoindividual
THD
69 kV e abaixo 3% 5%
69 kV até161kV
1,5% 2,5%
Acima de161kV
1% 1,5%
Electrical Power Systems Quality
Dos autores:
Roger C. DuganMark F. McGranaghanH. Wayne Beaty
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