UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO

PROJETO DE UM REGISTRADOR DE TRANSIENTES DE TENSÃO
DA REDE ELÉTRICA
Tiago José de Araújo Ribeiro¹
Jener Toscano Lins e Silva²
RESUMO:
Os problemas com transientes de tensão, também conhecidos por surtos ou picos de tensão,
têm aumentando com maior incidência no Brasil, provocando danos aos equipamentos de
informática, como discos rígidos e demais equipamentos eletroeletrônicos, instalados nas
indústrias, escritórios e residências. Este trabalho trata-se de um projeto de um dispositivo
simples e de baixo custo capaz de registrar transientes presentes na rede elétrica que não são
perceptíveis pelos instrumentos de medição comuns.
Palavras chave: transientes de tensão, surtos de tensão, picos de tensão, registro de tensão,
aquisição de picos de tensão.
ABSTRACT:
The problems with tension transients, also known by tension picks, they have increasing with
larger incidence in Brazil, provoking damages to the computer science equipments, as hard
disks and too much equipments electroelectronic, installed in the industries, offices and
residences. This work is treated of a project of a simple device and of low cost capable to
register present transients in the electric net that are not perceptible for the instruments of
common measurement.
Key-words: tension transients tension picks, tension registration, acquisition of tension picks
Introdução
O interesse pelo estudo, monitoramento e manutenção da qualidade da energia elétrica
tem crescido nos últimos anos. Dentre os vários motivos para isto pode ser citado o paradigma
de interligação das redes elétricas, o que aumenta a importância das falhas nas redes
interligadas [1]. Outro motivo é o processo de privatização das empresas concessionárias que
realizam a distribuição da energia elétrica. Este modelo transferiu para a iniciativa privada a
responsabilidade pelo fornecimento de energia elétrica de qualidade, gerando
competitividade, exigindo que seu produto atenda a certos requisitos de qualidade. Cabe ao
Estado a função de estabelecer regras e padrões de qualidade e fiscalizar a atividade através
de seus órgãos responsáveis [2].
¹ Graduando em Engenharia Eletrônica na Escola Politécnica de Pernambuco.
² Mestre em Engenharia Eletrônica na UFPE.
A evolução tecnológica e a difusão de equipamentos cada vez mais sofisticados tanto em
residências como em indústrias e estabelecimentos médicos também motivaram a observação
da qualidade da energia. Alguns equipamentos, principalmente de eletrônica de potência
provocam distorções nas formas de onda de sinais elétricos de tensão e de corrente. Tais
equipamentos são utilizados, por exemplo, em conversores de energia elétrica de corrente
alternada para corrente contínua e vice-versa, controladores de velocidade de motores,
máquinas de solda, fornos de indução, etc. Cargas não lineares também podem ser citadas
como responsáveis pela “poluição” do sistema elétrico, como por exemplo, os fornos a arco.
Por outro lado, computadores e equipamentos que controlam a automação de processos
produtivos são sensíveis a essas imperfeições.
A responsabilidade civil por danos causados a aparelhos e equipamentos em decorrência
de má qualidade da energia é determinada pela relação de causalidade entre a ação ou omissão
da concessionária e o prejuízo que, se comprovada, dá ao consumidor o direito ao
ressarcimento previsto por lei. A relação de causalidade é identificada em função das
ocorrências no sistema da concessionária que possam ter causado o dano [2].
Os consumidores residenciais estão mais bem informados sobre seus direitos e sobre as
falhas na rede, uma vez que utilizam cada vez mais em suas casas aparelhos com maior grau
de sofisticação. Alguns destes não foram projetados para suportar variações em sua tensão de
alimentação nem possuem dispositivos de proteção, tornando-os sensíveis aos distúrbios na
rede e susceptíveis a danos em decorrência disto.
Provar ou contestar a causa de danos elétricos, principalmente a queima de aparelhos
eletrônicos supostamente submetidos a variações da tensão fornecida pela concessionária, é
também um dos motivadores para preocupação com o monitoramento da qualidade da energia
elétrica. Pela falta de dados confiáveis sobre as possíveis perturbações causadoras dos danos,
ações indenizatórias sobre danos elétricos têm sido de difícil julgamento [2].
Motivação
Algumas das perturbações que podem causar danos elétricos são de curta duração e/ou
alta intensidade, o que torna difícil a medição e registro dos eventos, requerendo o uso de
instrumentos sofisticados e de alto custo. Consumidores de pequeno porte, principalmente
residenciais, não possuem à sua disposição equipamentos que monitorem e registrem
eventuais distúrbios [2].
Nos últimos anos várias pesquisas e trabalhos sobre monitoramento da qualidade da
energia foram realizados buscando soluções confiáveis e economicamente viáveis para amplo
monitoramento da rede de distribuição e auxílio na tomada de decisão sobre pedidos de
indenização por danos a equipamentos. Algumas das soluções propostas se restringiram a
âmbitos mais ou menos específicos quanto aos fenômenos que produzem perturbações na
energia fornecida, enquanto outras não se baseavam nos indicadores normatizados pela
Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL).
Objetivos do Trabalho
O presente trabalho propõe a concepção e desenvolvimento, baseado em estudo teórico,
de um protótipo de hardware utilizando circuitos analógicos e microcontrolador para
monitoramento e registro dos valores de pico da onda de tensão que ultrapassem os valores
aceitáveis. Para interagir com o protótipo físico, objetiva-se também a elaboração de um
software para comunicação com o hardware e apresentação dos registros obtidos. A Figura
1.1 mostra uma visão geral do sistema composto pela placa de aquisição de picos de tensão
recebendo como sinal de entrada a tensão da rede elétrica, o computador no qual o software
será executado e o relatório produzido por ele.
Placa de
aquisição
Computador
Relatório
Figura 1.1 – Esquema geral do sistema proposto
Pretende-se que o produto final do trabalho atenda às normas estabelecidas para
monitoramento de qualidade de energia, prezando por precisão e confiabilidade, além de
possuir baixo custo de produção e ser facilmente operado. Após a implementação do
protótipo, serão realizados experimentos para comprovar seu desempenho.
Metodologia Utilizada
Para atingir os objetivos requeridos, será realizada pesquisa bibliográfica, a partir da qual
serão obtidos os conceitos básicos necessários para a compreensão do fenômeno tratado. Em
seguida, pretende-se elaborar um modelo computacional do hardware com o objetivo de
provar os conceitos, podendo já nesta fase mitigar quaisquer eventuais falhas no processo de
elaboração do projeto.
Será procedido então ao desenvolvimento do hardware, acompanhado paralelamente do
desenvolvimento do software de apoio ao hardware. Testes experimentais serão realizados
durante e ao final do projeto, para avaliar o desempenho do conjunto hardware/software
proposto.
Fundamentos Teóricos
Neste capítulo serão apresentados os conceitos necessários para o entendimento do
problema tratado no presente trabalho, como qualidade de energia e os fenômenos que
causam distúrbios na rede elétrica. Com base nas informações apresentadas, serão delineados
os parâmetros e variáveis que serão utilizados no projeto do sistema de registro de surtos de
tensão proposto.
Qualidade da Energia Elétrica
Apesar de ser um termo freqüentemente utilizado na engenharia elétrica, existem hoje
diferentes definições para o termo que diferem de acordo com seu ponto de vista. Um
fornecedor de energia elétrica poderia argumentar sobre a qualidade da energia base em
índices de confiabilidade, enquanto um fabricante de equipamentos poderia basear seu
conceito de qualidade de energia em características que tornem a energia apropriada para o
funcionamento adequado de seu equipamento. Tais características podem variar de acordo
com o critério do equipamento ou fabricante.
Como o principal afetado pela qualidade da energia é o usuário final, seu ponto de vista é
tomado como referência para o estabelecimento do conceito de qualidade de energia. Existem
padrões de tensão e outros critérios técnicos que podem ser medidos, mas a medida final da
qualidade da energia é determinada pela performance e produtividade dos equipamentos do
usuário final [1].
A qualidade da energia está relacionada com a qualidade da tensão, uma vez que está
relacionada com a qualidade da potência fornecida e esta, por sua vez, é definida como o
produto entre a tensão e a corrente. Os fornecedores de energia elétrica podem apenas
controlar a tensão gerada e não possuem controle sobre a corrente que uma determinada carga
pode demandar. Portanto, os padrões e normas na área de qualidade de energia elétrica são
voltados para a manutenção do nível de tensão dentro de certos limites.
Os sistemas de potência em corrente alternada (AC – Alternating Current) são projetados
para operar com uma tensão senoidal com determinados valores de amplitude e freqüência.
Quaisquer desvios significantes na forma de onda, freqüência, amplitude ou pureza do sinal
senoidal podem indicar potenciais problemas de qualidade de energia. No entanto, mesmo que
os geradores possam fornecer sinais de tensão senoidais quase perfeitos, a corrente através de
uma determinada carga pode alterar a forma do sinal de tensão. Portanto, a avaliação do sinal
de corrente é também de importância para avaliar as causas de vários problemas de qualidade
de energia.
Segundo DUGAN [1], problema na qualidade da energia elétrica é qualquer problema
que se manifeste por meio de desvios na tensão, corrente ou freqüência que resulte em falhas
na operação de equipamentos do consumidor.
Principais Distúrbios na Qualidade da Energia
A qualidade da energia elétrica trata de fenômenos eletromagnéticos que podem ser
classificados de acordo com seu conteúdo espectral, duração e amplitude típicos de tensão.
Esses fenômenos podem ser distribuídos nas seguintes categorias principais: transitórios,
variações de curta duração, variações de longa duração, desbalanceamento de tensão,
distorção na forma de onda, flutuações de tensão e variações na freqüência da potência.
A tabela 2.1 mostra os principais distúrbios e suas características de conteúdo espectral,
duração e magnitude. A magnitude está apresentada em termos percentuais e no sistema pu
(por unidade), no qual uma grandeza é representada pela relação entre seu valor absoluto e um
valor de referência. O valor tomado como referência é o valor da tensão nominal no ponto do
sistema analisado. Multiplicando-se o valor em pu por 100 obtém-se um valor percentual em
relação à tensão de referência.
De acordo com DUGAN [1], os fenômenos apresentados na tabela 2.1 podem ser melhor
descritos por atributos apropriados. Para fenômenos em regime permanente, os seguintes
atributos podem ser utilizados: amplitude, freqüência, espectro, modulação, impedância da
fonte, profundidade de notch1 e área de notch. Para fenômenos de regime não permanente,
outros atributos podem ser requeridos: taxa de subida, amplitude, duração, espectro,
freqüência, taxa de ocorrência, energia potencial e impedância da fonte. Utilizando as
categorias da tabela em conjunto com os atributos citados podem fornecer uma maneira clara
classificar os resultados de medidas e descrever um distúrbio eletromagnético que pode causar
problemas na qualidade da energia.
1
A tradução para o termo notch é entalhe, chanfro. Desta forma, pode-se entender que o notch num sinal
senoidal de tensão, por exemplo, significa um corte em sua curva representativa.
Tabela 2.1 – Categorias e características dos fenômenos eletromagnéticos.
Conteúdo
Espectral Típico
Duração Típica
1.1.1 Nanosegundo
aumento em 5 ns
< 50 ns
1.1.2 Microsegundo
aumento em 1µs
50 ns-1 ms
aumento em 0,1 ms
> 1 ms
1.2.1 Baixa freqüência
< 5 kHz
0,3-50 ms
0-4 pu
1.2.2 Média freqüência
5-500 kHz
20 µs
0-8 pu
1.2.3 Alta freqüência
0,5-5 MHz
5 µs
0-4 pu
2.1.1 Afundamento
0,5-30 ciclos
0,1-0,9 pu
2.1.2 Elevação
0,5-30 ciclos
1,1-1,8 pu
2.2.1 Interrupção
0,5 ciclos-3 s
< 0,1 pu
2.2.2 Afundamento
30 ciclos-3 s
0,1-0,9 pu
2.2.3 Elevação
30 ciclos-3 s
1,1-1,4 pu
2.3.1 Interrupção
3 s-1 min
< 0,1 pu
2.3.2 Afundamento
3 s-1 min
0,1-0,9 pu
2.3.3 Elevação
3 s-1 min
1,1-1,2 pu
3.1 Interrupção sustentada
> 1 min
0,0 pu
3.2 Subtensões
> 1 min
0,8-0,9 pu
3.3 Sobretensões
> 1 min
1,1-1,2 pu
regime permanente
0,5-2%
regime permanente
0-0,1%
Categorias
Magnitude de
Tensão Típica
1.0 Transitórios
1.1 Impulsivos
1.1.3 Milisegundo
1.2 Oscilatórios
2.0 Variações de curta duração
2.1 Instantâneas
2.2 Momentâneas
2.3 Temporárias
3.0 Variações de longa duração
4.0 Desbalanceamento de tensão
5.0 Distorção da forma de onda
5.1 Deslocamento DC (offset)
5.2 Harmônicos
0-100º H
regime permanente
0-20%
5.3 Interarmônicos
0-6 kHz
regime permanente
0-2%
5.4 Notching
5.5 Ruído
6.0 Flutuações de tensão
7.0 Variações na freqüência
regime permanente
ampla faixa
regime permanente
0-1%
< 25 Hz
intermitente
0,1-7%
< 10 s
Transitórios
Os fenômenos transitórios estão associados a variações que podem ser observadas em
decorrência da mudança de um regime permanente para outro. Estão geralmente associados à
idéia de circuitos ressonantes RLC. De uma maneira geral, podem ser classificados em duas
categorias: impulsivos e oscilatórios. Essas categorias refletem a forma de onda em que os
fenômenos transitórios se apresentam.
Um transitório impulsivo é uma alteração repentina e unidirecional em polaridade nos
valores de regime permanente da tensão, da corrente ou de ambos. São normalmente
caracterizados pelo seu tempo de subida e de descida, que podem ser revelados pela avaliação
do seu conteúdo espectral. Por causa das altas freqüências envolvidas, sua forma de onda
pode ser alterada rapidamente pelos circuitos atingidos e suas características podem ser
diferentes dependendo do ponto do sistema de onde é observado. A causa mais comum de
transitórios impulsivos são descargas elétricas atmosféricas. Transitórios impulsivos podem
excitar circuitos integrantes do sistema em sua freqüência natural e causar transitórios
oscilatórios. A figura 2.1 apresenta um exemplo de comportamento típico do sinal de corrente
em função do tempo em decorrência de uma descarga atmosférica.
Figura 2.2 – Corrente resultante de descarga elétrica atmosférica que pode resultar em distúrbios no sistema
elétrico.
Transitórios oscilatórios são variações nas duas polaridades dos sinais da tensão, da
corrente ou de ambos. Os valores instantâneos mudam de polaridade rapidamente. Esses
distúrbios também podem ser caracterizados pelo seu conteúdo espectral através de uma
freqüência dominante, duração e magnitude. Podem também ser resultados de operações de
manutenção no sistema de potência. Na Figura 2.2 é mostrada a forma de onda de tensão
afetada por um transitório oscilatório de baixa freqüência provocado pela energização de um
banco de capacitores.
Figura 2.3 – Forma de onda de tensão afetada por um transitório oscilatório causado pela energização de um
banco de capacitores.
Variações de tensão de longa duração
Variações de tensão de longa duração são caracterizadas por desvios no valor de raiz
média quadrática (RMS – Root Mean Square) da tensão em freqüências próximas à
freqüência da rede por mais de um minuto. Os valores de tolerância e o tempo que caracteriza
uma variação de longa duração são definidos pelo Instituto Americano Nacional de
Padronização (ANSI – American National Standards Institute) no padrão ANSI C84.1. As
variações de tensão de longa duração podem ser classificados em sobretensões, subtensões e
interrupções sustentadas, sendo as duas primeiras geralmente atribuídas a variações de carga e
operações de mudança na rede. São consideradas sobretensões aumentos na tensão acima de
110% da tensão nominal AC RMS, tendo como possibilidade de causa ligamento ou
desligamento de grandes cargas ou energização de um banco de capacitores. A diminuição da
tensão abaixo de 90% da tensão nominal AC RMS é considerada subtensão. São geralmente
causados por eventos opostos aos que causam a sobretensão. Interrupções sustentadas também
se encontram na categoria de variações de tensão de longa duração e são caracterizadas pela
ausência de tensão por longos períodos [1][2].
Variações de tensão de curta duração
As variações de tensão de curta duração são causadas por condições de falha, pela
energização de grandes cargas que requerem grandes correntes de partida ou falhas
intermitentes nos contatos dos condutores. Dependendo da localização da falha e das
condições do sistema, a falha pode levar a quedas, elevações ou interrupções da tensão. As
variações são classificadas como instantâneas, momentâneas ou temporárias, dependendo de
sua duração, de acordo com a tabela 2.1.
Desbalanceamento de tensão
Desbalanceamento de tensão é definido como o máximo desvio das correntes e tensões
médias trifásicas, divididas pelas tensões ou correntes médias trifásicas, expressas em valores
percentuais. Causas para o desbalanceamento de tensão geralmente são: o uso de cargas
monofásicas em circuitos trifásicos ou o rompimento de fusíveis de uma única fase de um
banco de capacitores. Falhas em uma única fase podem causar desbalanceamentos severos de
tensão [1].
Distorção na forma de onda
Distorção na forma de onda é definida como desvios do sinal senoidal ideal em regime
permanente caracterizado principalmente pelos desvios no seu conteúdo espectral. Segundo
DUGAN [1], os cinco principais tipos de distorção de forma de onda são: deslocamento em
corrente contínua (DC – Direct Current) ou offset, harmônicos, interarmônicos, notching e
ruído.
Deslocamento DC
O deslocamento DC se dá pela presença de uma componente DC no espectro do sinal
afetado, que desloca o eixo de simetria da onda senoidal de 0V para valores maiores ou
menores. Pode ocorrer devido a distúrbios geomagnéticos ou pela assimetria de conversores
eletrônicos de potência, como por exemplo, retificadores de meia onda. Seus efeitos são
observados em transformadores, que saturam em operação normal, causando aquecimento
adicional e diminuindo assim seu tempo de vida útil. Também observa-se os efeitos do
deslocamento DC pela erosão eletrolítica de eletrodos de aterramento e outros conectores.
Distorção por harmônicos e interarmônicos
Harmônicos são componentes de freqüência cujo valor é um múltiplo inteiro da
freqüência fundamental, isto é, da freqüência da rede. Distorção por harmônicos são descritos
pelo conteúdo espectral do sinal analisado, considerando as amplitudes e fases das freqüências
que estão presentes no sinal. Utiliza-se o parâmetro de distorção harmônica total (THD – total
harmonic distortion) para quantificar o valor efetivo da distorção harmônica. Os
interarmônicos são sinais cujos valores de freqüência não são múltiplos inteiros da freqüência
da rede e podem aparecer como freqüências discretas ou numa faixa ampla de freqüências.
São introduzidos no sistema por conversores de energia e por alguns tipos de carga.
Freqüências portadoras de sinal utilizadas para controle e comunicação utilizando a rede
elétrica também são consideradas interarmônicas.
Notching
São denominados notching distúrbios periódicos na tensão causados pela operação
normal de dispositivos eletrônicos na comutação da corrente de uma fase para outra. A
tradução literal do termo refere-se a entalhe, chanfro, que é aplicado ao sinal de tensão no
contexto do estudo da qualidade da energia. Apesar de poder ser caracterizado pelo seu
conteúdo espectral, esse tipo de distorção na forma de onda é geralmente tratado como um
caso especial, uma vez que os componentes de freqüência associados ao distúrbio possuem
altos valores, não podendo ser observados pelos equipamentos normalmente utilizados para
análise de harmônicos. A figura 2.3 mostra a forma de onda de tensão com notching
provocado por um conversor trifásico.
Figura 2.4 – Forma de onda de tensão com notching provocado por um conversor trifásico.
Ruído
O ruído é definido como sendo um conjunto de sinais indesejados de amplo conteúdo
espectral abaixo dos 200kHz, superpostos ao sinal de tensão ou de corrente do sistema
elétrico. Podem ser causados por dispositivos eletrônicos, circuitos de controle, conversores
de energia elétrica, fontes de potência chaveadas, entre outros. De maneira geral, é
classificado como ruído qualquer distúrbio que não possa ser classificado como distorção
harmônica ou distúrbios transitórios. O ruído afeta principalmente dispositivos eletrônicos
como computadores e controladores programáveis e pode ser eliminado por meio do uso de
filtros, transformadores de isolamento e condicionadores de linha [1].
Flutuações de tensão
Flutuações de tensão são caracterizadas por variações no envelope do sinal senoidal da
tensão ou por séries de alterações aleatórias na tensão. São geralmente chamadas de flicker
(tremulação) por causa do impacto causado pelas flutuações em lâmpadas e seu efeito
percebido pelos olhos humanos. O sinal de flutuação é definido pelo seu valor RMS
expressado como percentual do valor RMS da freqüência fundamental. A Figura 2.4 apresenta
um exemplo de flutuação de tensão, que pode ser provocada por fornos a arco que são, por
sua vez, a causa mais comum de flutuações de tensão na rede elétrica.
Figura 2.5 – Exemplo de forma de onda de tensão com flutuação.
Variações na freqüência
A freqüência da tensão fornecida está diretamente relacionada com a velocidade de
rotação das turbinas do gerador, que por sua vez está relacionada com o balanço entre a
energia demandada pela carga e a energia mecânica que faz a turbina girar. Existem pequenas
variações quando esse balanço se altera e a variação da freqüência e sua duração dependem do
tempo de resposta do sistema de controle do gerador a variações na carga.
Regulamentação
No Brasil, o principal órgão regulador do setor energético é a Agência Nacional de
Energia Elétrica (ANEEL), uma autarquia em regime especial vinculada ao Ministério de
Minas e Energia (MME). A ANEEL foi criada no ano de 1996 pela Lei n° 9.427 e
regulamentada pelo Decreto n° 2.335 de 06/10/1997, tendo suas atividades iniciadas no dia
02/12/1997. Suas atribuições são: regular e fiscalizar desde a geração à distribuição e
comercialização da energia elétrica, atender reclamações dos agentes e consumidores, mediar
os conflitos de interesses entre os agentes do setor elétrico e entre estes e os consumidores
para manter o equilíbrio entre as partes em benefício da sociedade. Também cabe à ANEEL a
concessão, permissão e autorização de instalação e prestação de serviços de energia, garantir
tarifas justas, zelar pela qualidade do serviço, exigir investimentos, estimular a competição
entre os operadores e assegurar a universalização dos serviços.
Indicadores de continuidade
Para regular a qualidade da energia elétrica, a ANEEL estabeleceu indicadores para
medir o desempenho das concessionárias. Em princípio, foram estabelecidos os indicadores
de Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora (DEC) e o de Freqüência
Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora (FEC), classificados como indicadores
de continuidade. O DEC indica o número de horas, em média, que um consumidor fica sem
energia elétrica durante um período, geralmente mensal. Já o FEC indica quantas vezes, em
média, houve interrupção do fornecimento de energia elétrica na unidade consumidora. Para
esses indicadores são considerados conjuntos de unidades consumidoras.
No ano 2000 foram implantados mais três indicadores de continuidade: o de Duração de
Interrupção por Unidade Consumidora (DIC), o de Freqüência de Interrupção por Unidade
Consumidora (FIC) e o de Duração Máxima de Interrupção por Unidade Consumidora
(DMIC). O DIC e o FIC indicam por quanto tempo e o número de vezes respectivamente uma
unidade consumidora teve seu fornecimento de energia elétrica interrompido durante um
período considerado. O DMIC, por sua vez, limita o tempo máximo de cada interrupção, com
a intenção de impedir que o consumidor permaneça sem energia elétrica por um período de
tempo muito longo [4].
Indicadores de conformidade de tensão
Os indicadores de continuidade tratam apenas de uma parte do conjunto de distúrbios na
qualidade da energia elétrica fornecida. Em 2001 foram criados outros indicadores para
avaliar o desempenho das concessionárias quanto ao nível de tensão fornecido. Os indicadores
de conformidade de tensão são: Duração Relativa da Transgressão de Tensão Precária (DRP),
Duração Relativa da Transgressão de Tensão Crítica (DRC) e Índice de Unidades
Consumidoras com Tensão Crítica (ICC). Esses indicadores são relativos à ocorrência de
níveis de tensão fora dos padrões de qualidade estabelecidos pela ANEEL [5].
O entendimento desses indicadores demanda o conhecimento das faixas de tensão
adequada, tensão precária e tensão crítica. A faixa de tensão adequada inclui o valor nominal
da tensão fornecida e compreende valores de tensão considerados toleráveis. A faixa de
tensão precária situa-se entre a faixa de tensão adequada e a faixa de tensão crítica. Os
intervalos das faixas de tensão são definidos pela Resolução n° 505 de 2001 da ANEEL e
variam de acordo com o a tensão nominal no ponto de entrega e o tipo de ligação do circuito.
A Figura 2.5 mostra como estão dispostas as faixas de tensão, tendo seus limites em
valores identificados com base na tensão de referência (TR). Para obtenção dos limites, são
somados à TR os comprimentos das faixas de tensão adequada (∆ADSUP ou ∆ADINF) e ao
resultados destas somas, são adicionados os comprimentos das faixas de tensão precária
correspondentes (∆ADSUP ou ∆ADINF) [6].
Faixa de Tensão Crítica Superior
TR + ∆ADSUP + ∆PRSUP
Faixa de Tensão Precária
Superior
TR + ∆ADSUP
Faixa de Tensão Adequada Superior
TR = Tensão de Referência
Faixa de Tensão Adequada
Inferior
Faixa de Tensão Precária
Inferior
Faixa de Tensão Crítica
Inferior
TR + ∆ADINF
TR - ∆ADINF - ∆PRINF
Figura 2.6 – Faixas de tensão determinadas pela ANEEL para avaliação da conformidade da tensão.
Por concentrar o interesse em unidades consumidoras residenciais, é importante conhecer
as faixas de tensão associadas a este tipo de consumidor. A Tabela 2.2 apresenta como estão
dispostas as faixas de tensão para pontos de entrega em tensão nominal (TN) igual ou inferior
a 1 kV [5].
Tabela 2.2 – Faixas de tensão para pontos de entrega em Tensão Nominal (TN) igual ou inferior a 1 kV.
Tensões Nominais Padronizadas
Tensão Nominal (TN)
Ligação
Volts
Faixa de Valores
Adequados das
Tensões de Leitura
(TL) em relação à TN
(Volts)
Faixa de Valores Precários
das Tensões de Leitura
(TL) em relação à TN
(Volts)
Faixa de Valores Críticos
das Tensões de Leitura
(TL) em relação à TN
(Volts)
(189 ≤ TL < 201 ou
(220)/
(201 ≤ TL ≤ 231)/
(231 < TL ≤ 233)/
(TL<189 ou TL>233)/
(127)
(116 ≤ TL ≤ 133)
(109 ≤ TL < 116 ou
(TL<109 ou TL>140)
(133 < TL ≤ 140)
Trifásica
(327 ≤ TL < 348 ou
(380)/
(348 ≤ TL ≤ 396)/
(396 < TL ≤ 403)/
(TL<327 ou TL>403)/
(220)
(201 ≤ TL ≤ 231)
(189 ≤ TL < 201 ou
(TL<189 ou TL>233)
(231 < TL ≤ 233)
(220 ≤ TL < 232 ou
(254)/
(232 ≤ TL ≤ 264)/
(264 < TL ≤ 269)/
(TL<220 ou TL>269)/
(127)
(116 ≤ TL ≤ 132)
(109 ≤ TL < 116 ou
(TL<109 ou TL>140)
(132 < TL ≤ 140)
Monofásica
(380 ≤ TL < 402 ou
(440)/
(402 ≤ TL ≤ 458)/
(458 < TL ≤ 466)/
(TL<380 ou TL>466)/
(220)
(201 ≤ TL ≤ 229)
(189 ≤ TL < 201 ou
(TL<189 ou TL>233)
(229 < TL ≤ 233)
Metodologia
O protótipo que se pretende desenvolver como produto do presente trabalho consiste de
um hardware, que realizará as medições dos níveis de tensão da rede elétrica e um software
para interação com o hardware, interpretação e apresentação dos dados obtidos. Pretende-se
que o conjunto desenvolvido possua bom nível de precisão e confiabilidade, e que possa
servir como base para melhorias e implementações futuras neste ou em outro trabalho.
O sistema proposto deve possibilitar a detecção e registro de eventos em que os picos de
tensão da rede elétrica ultrapassem os limites de tensão determinados pela ANEEL. Cabe ao
software receber e apresentar os dados registrados, que poderão servir como base para cálculo
de indicadores ou subsídio para decisões sobre pedidos de indenização por danos elétricos.
O uso do sistema registrador de picos de tensão possui vantagens para as três partes
principais envolvidas na cadeia considerada: o consumidor ou usuário final, a concessionária
e o órgão fiscalizador. O consumidor beneficia-se por conhecer melhor o serviço que lhe é
prestado e possui dados confiáveis para reclamar possíveis deficiências na qualidade do
fornecimento de energia; a concessionária pode avaliar e conhecer melhor seu sistema
podendo antecipar-se no diagnóstico e resolução de problemas; e o órgão fiscalizador pode
avaliar os indicadores com dados obtidos independentemente da concessionária ou comparálos com os dados fornecidos pela mesma.
Este trabalho enfoca a avaliação dos parâmetros citados em unidades consumidoras
monofásicas de baixa tensão e os testes serão realizados em laboratório e em unidades
previamente escolhidas dentro da Região Metropolitana da cidade do Recife, local de
realização do trabalho. A região é atendida pela Companhia de Eletricidade de Pernambuco
(CELPE). Desta forma, será tomada como parâmetro a tensão de 220 V fornecida pela
concessionária no local.
Hardware
O sistema proposto baseia-se na detecção e registro dos valores absolutos de pico de
maior e menor tensão da rede elétrica e deve funcionar como segue. Ao detectar um pico de
tensão positivo, seu valor deve ser comparado com um valor máximo pré-estabelecido.
Inicialmente, este valor será o limite de tensão considerada adequada para fornecimento. Caso
o valor de pico obtido seja maior que o limite, o sinal será quantizado e convertido para um
valor digital binário. O valor será registrado em memória, juntamente com o horário de
ocorrência do evento, e será convertido para um sinal analógico que servirá como referência
para as próximas comparações. Caso seja lido um valor de tensão maior que o anterior, o
mesmo processo será realizado, substituindo o valor armazenado anteriormente pelo novo
valor. O mesmo procedimento será utilizado para avaliação e registro de picos negativos de
tensão. Um diagrama de blocos funcionais contendo as partes essenciais para o processo são
apresentadas na Figura 3.1.
Transformador
de Potencial
(TP) Abaixador
de Tensão
Comparador
de Tensão
Conversor
A/D
Memória
Conversor
D/A
Registrador
Circuito de
proteção
Placa de aquisição
de picos de tensão
Tensão da
Rede Elétrica
Circuito de
comunicação USB
PIC18F4553
Relatório
Computador
Figura 3.7 – Diagrama de blocos funcionais do hardware.
Além dos blocos representados na Figura 3.1, o hardware deve contar ainda com um
circuito de condicionamento do sinal, uma unidade de processamento (microcontrolador), um
relógio de tempo real e o circuito que compõe a fonte de alimentação do sistema. Para
alimentação, o sistema contará também com baterias, principalmente para manutenção do
relógio em caso de interrupção no fornecimento de energia pela concessionária, podendo
manter também o circuito preparado para monitoramento assim que a energia for estabelecida.
É tido como hipótese que um circuito analógico para comparação e amostragem em
conjunto com um conversor analógico-digital (A/D) possa responder mais rápido a eventos de
menor duração que circuitos quase totalmente digitais, como por exemplo,
microcontroladores com conversores A/D sendo utilizados para amostrar, converter, comparar
e registrar os picos de tensão.
Com base nas normas de monitoramento de energia, respeitando o estabelecido nas
Resoluções da ANEEL e objetivando performance, precisão e confiabilidade, o protótipo deve
obedecer a alguns requisitos. A determinação dos parâmetros do circuito será realizada em
função dos parâmetros ótimos para do conversor A/D e do circuito comparador. A seguir
serão apresentados os blocos funcionais e as características que permitirão determinar os
parâmetros dos circuitos e componentes que compõem cada bloco.
Conversor A/D
O conversor A/D tem a função de converter o sinal de tensão em um valor digital
binário, através dos processos de amostragem, quantização e codificação, para que o mesmo
possa ser registrado em memória. O processo de amostragem é realizado pela leitura de um
sinal em instantes de tempo que são, geralmente, igualmente espaçados no tempo, possuindo
uma freqüência (ou taxa) associada. A quantização é o processo pelo qual a amostra do sinal é
aproximada a um nível discreto que é codificado, geralmente em uma representação binária.
Circuito comparador
O circuito comparador tem a função de detectar se o sinal de tensão na entrada
ultrapassou um limite de tensão pré-estabelecido, sinalizando para o conversor A/D que
realize a conversão. Esta tensão de referência é a tensão fornecida pelo conversor digitalanalógico (D/A), que é equivalente ao último maior valor de pico registrado ou, inicialmente,
ao valor limite de tensão considerada adequada.
O circuito é composto por um amplificador operacional e será configurado como
comparador inversor. Em sua entrada não inversora é aplicada a tensão de referência e na sua
entrada inversora, o sinal da tensão de entrada. Por causa do alto ganho do amplificador
operacional, sua tensão de saída é saturada e com sinal oposto à diferença entre as tensões de
entrada e de referência.
O amplificador operacional utilizado no circuito comparador deve possuir alto valor de
taxa de subida (SR – slew rate), que representa a máxima taxa de aumento no valor de tensão
que pode ser obtida em sua saída. O SR é expresso em termos tensão por unidade de tempo
(geralmente V/µs), permitindo concluir que um alto valor de SR é desejável para o
amplificador operacional utilizado para que a transição entre as tensões de saturação máxima
e mínima na saída se realizem no menor tempo possível, minimizando o atraso de
propagação.
Será utilizado o amplificador operacional AD8058, produzido pela Analog Devices®.
Esse dispositivo é composto por dois amplificadores operacionais, que serão utilizados para
comparação e detecção de picos da tensão de entrada. Um deles irá detectar sobretensões e o
outro será responsável pelas subtensões.
Define-se slew rate de um amplificador como sendo a máxima taxa de variação da tensão
de saída por unidade de tempo. Normalmente o SR é dado em V/us. Em termos gerais,
podemos dizer que o valor do SR nos dá a velocidade de resposta do amplificador. Quanto
maior o SR, melhor será o amplificador. Costuma-se traduzir o slew-rate como taxa de
subida, taxa de resposta, taxa de giro, etc. SR = 2*pi*f*Vp. Comprometimento entre f e Vp.
Saturação: quando um amplificador operacional atinge um nível de tensão fixo a partir
do qual não se pode mais variar sua amplitude.
Tempo de subida (rise-time): tempo gasto pelo sinal de saída para variar de 10 a 90% de
seu valor final
Overshoot: sobrepassagem, sobredisparo. Valor, dado em porcentagem, que nos informa
de quanto o nível de tensão de saída foi ultrapassado durante a resposta transitória do circuito,
ou seja, antes da saída atingir o estado permanente. Prejudicial principalmente para sinais de
baixo nível.
Rise-time e overshoot constituem os parâmetros de estudo da resposta transitória do
AOP.
Transformador
Como transdutor de tensão será utilizado um transformador de potencial (TP) abaixador
para reduzir a tensão da rede a valores aceitáveis para manipulação pelo circuito. A tensão na
saída do transformador (enrolamento secundário) será proporcional à tensão na entrada do
mesmo por um fator determinado pela relação entre o número de espiras do enrolamento
primário e o número de espiras do enrolamento secundário. O enrolamento primário será
ligado em paralelo nos terminais da rede elétrica, sendo enxergado pelo sistema como uma
carga.
Circuito de proteção
O circuito de proteção será composto por um elo fusível e um varistor ou resistor
dependente de tensão (VDR – Voltage Dependent Resistor). O varistor, a ser dimensionado,
consiste em um resistor cujo valor de resistência varia com a tensão aplicada em seus
terminais. A relação entre a tensão e a resistência do varistor é inversamente proporcional,
fornecendo um caminho com maior impedância para sinais de alto valor. Caso sua resistência
se torne muito baixa devido a uma tensão muito alta provocada por um surto ou sobretensão,
o elo fusível deverá romper e desconectar o circuito da fonte de alimentação.
Registrador
O bloco registrador representa a parte do circuito responsável por manter disponível para
o conversor D/A o valor digital do maior valor de pico da tensão de entrada ou o valor digital
do limite para tensão adequada e deve possuir a mesma quantidade de bits que os conversores
A/D e D/A. É também responsável transferir o valor retido para a memória.
Para essa função será utilizado o microcontrolador PIC18F4553®, da Microchip®. Ele
possui 35 pinos de I/O, que é mais que suficiente para a função de registrador, e possui ainda
memória interna, conversor A/D de 12 bits e circuito de comunicação pelo Barramento Serial
Universal (USB – Universal Serial Bus), acumulando também as funções do bloco conversor
A/D, do bloco memória e do bloco circuito de comunicação com o computador.
Conversor D/A
O conversor D/A tem a função de converter um valor digital binário em um sinal de
tensão analógico para que possa ser comparado com o sinal de tensão na entrada do
comparador. O valor digital binário a ser convertido representará o limite de tensão acima do
qual o valor de pico da tensão de entrada será registrado. Este valor, no início do
funcionamento do circuito, será o limite de tensão considerada adequada.
Para minimizar o atraso de propagação pelo uso do conversor D/A, o mesmo deve
possuir baixo tempo de conversão e para que o valor de referência seja compatível com o
registro armazenado, deve possuir a mesma resolução do conversor A/D, isto é, 12 bits.
Conclusão
Foi apresentado neste trabalho um projeto de um registrador capaz de detectar anomalias
na tensão senoidal da rede elétrica. Através desde dispositivo de simples implementação o
operador poderá registrar picos de tensão até então não percebidos por equipamentos de
medidas comuns, como por exemplo um voltímetro, antes que essa tensão venha causar danos
aos equipamentos ligados a esta rede.
Referência Bibliografica
[1] DUGAN, R. C. et al. Electrical Power Systems Quality. 2. ed., New York: McGraw-Hill,
2004.
[2] MARSULO, J. A.; Sensor de surtos de tensão com memória para baixa tensão. In: Anais
do Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica, p. 93-96, Salvador,
ANEEL, Nov 2003.
[3] IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality, IEEE Std 11591995, Committee 22 on Power Quality, New York - USA: IEEE Inc., november, 1995.
[4] ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica, Resolução n° 024, de 27 de Janeiro de
2000 – Estabelece as disposições relativas à Continuidade de Distribuição de energia
elétrica às unidades consumidoras.
[5] ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica, Resolução n° 505, de 26 de Novembro
de 2001 – Estabelece de forma atualizada e consolidada as disposições relativas à
conformidade dos níveis de tensão de energia elétrica em regime permanente.
[6] ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica, Procedimentos de Distribuição –
PRODIST – Módulo 8 – Qualidade do Serviço Prestado, Seção 8.1, Revisão 1.
Disponível em <http://www.aneel.gov.br>. Acesso em: 09 nov 2008.
[7] CAMPOS, A. L. P. S et al. Desenvolvimento de uma Metodologia para Análise da
Influência de Redes PLC na Qualidade da Energia Elétrica. In: Anais do II Congresso de
Pesquisa e Inovação da Rede Norte Nordeste de Educação Tecnológica, João Pessoa,
2007.
[8] GARCEZ, J.N. et al. Rede Neural de Ativação Interativa Competitiva-IAC para Auxílio
à Tomada de Decisão sobre Responsabilidade por Danos em Consumidores de Energia
Elétrica. In: Anais do Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica, p. 81-86,
Salvador, ANEEL, Nov 2003.
[9] PANIAGO, Edvaldo Lima. Dispositivo para Monitoramento, Registro e Análise dos
Indicadores de Continuidade no Fornecimento da Energia Elétrica. Brasília/DF, 2006.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Departamento de Engenharia Elétrica,
Universidade de Brasília.
[10] BRIESE, Rafael Goi. Analisador de Qualidade de Energia Elétrica. Ijuí, 2006.
Monografia (Graduação em Engenharia Elétrica) – Departamento de Tecnologia,
Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
[11] PERTENCE JÚNIOR, Antônio. Eletrônica analógica: amplificadores operacionais e
filtros ativos: teoria, projetos, aplicações e laboratório. 6 ed. Porto Alegre: Bookman,
2003.