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FACULDADES PONTA GROSSA
FACULDADES PONTA GROSSA
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ISSN:2358-2669/Vol.1
2358-2669/Vol.1nº09/Jul-Dez/2014
nº13/Jan-Dez/2016
ISSN:
DISTORÇÕES EM SISTEMAS ELETRICOS
Emílio Kempa Junior¹;
Wilson José Vieira de Lara²;
¹ Faculdades Ponta Grossa – Ponta Grossa – PR – Brasil
E-mail: [email protected]
² Faculdades Ponta Grossa – Ponta Grossa – PR – Brasil
E-mail: [email protected]
Resumo: Este artigo vem nos ressaltar as possíveis falhas que podem acontecer
durante uma transmissão enviada, e que essas falhas podem ocorrer ao longo dessa
transmissão interferindo diretamente na qualidade do sinal enviado.
Palavras Chave: Distorções elétricas, Tipos de distorções, falhas de transmissão e má
qualidade de transmissão.
DISTORTIONS IN ELECTRICAL SYSTEMS
Abstract: This article comes in noting the possible failures that may occur during an
outgoing transmission, and that these failures can occur along this transmission
directly interfering in the quality of the signal sent.
Keywords: Electrical distortions, types of distortion, transmission failures and poor
transmission.
1 INTRODUÇÃO
No segmento de eletricidade, um assunto que vem gradativamente ganhando muito
destaque é o conceito de qualidade de energia, principalmente pelo fato de que a sua
falta pode provocar desligamentos ou mau funcionamento de equipamentos elétricos,
o que pode ocasionar perdas financeiras para as empresas, desconforto para os
usuários e o comprometimento da segurança das pessoas. Do ponto de vista da
engenharia elétrica, o desenvolvimento teórico necessário no estudo de soluções
para problemas relacionados com qualidade de energia é muito trabalhoso em função
da grande quantidade de variáveis que direta ou indiretamente afetam a qualidade da
energia. Esta é uma área que é muito estudada e pesquisada, requer muita
abstração e modelos matemáticos complexos e ainda há muito desenvolvimento a
realizar para surgirem resultados e soluções confiáveis e práticas para melhorar a
qualidade de energia dentro de custos viáveis e adequados. A figura a seguir será
utilizada para desenvolver de forma simplificada o conceito de qualidade de energia:
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Figura 1: Forma simplificada de um circuito elétrico resistivo
Neste circuito elétrico, a fonte G fornece uma tensão que, ao ser
interligada a uma carga elétrica, faz circular uma corrente. Em um sistema
elétrico alternado com freqüência de 60 Hz, a forma de onda da tensão é uma
senóide perfeita a 60 Hz e se a carga elétrica for uma resistência, por
exemplo, a corrente também será uma senóide perfeita a 60 Hz. Se a fonte G
alimentar ininterruptamente, com tensão constante, a carga elétrica, esta
realizará a sua função de forma contínua e teremos um exemplo simples de
sistema elétrico com qualidade de energia. Se a fonte deixar de fornecer a
tensão dentro de seus valores nominais ou se a carga sem qualquer defeito
deixar de funcionar adequadamente, teremos um exemplo de falta de
qualidade de energia.
Portanto, o conceito de boa qualidade de energia está intimamente
ligado ao funcionamento adequado e sem falhas das cargas elétricas
existentes em um sistema elétrico e pressupõe tensões e freqüência dentro de
valores nominais e sem oscilações ou perturbações, ou seja, as tensões e as
correntes resultantes devem apresentar formas de onda o mais próximo
possível da curva senoidal com freqüência de 60 Hz. O conceito de qualidade
de energia aplica-se a qualquer sistema elétrico, que pode ser a instalação de
um consumidor, seja ele residencial, comercial ou industrial, como pode ser
também uma rede elétrica completa de geração, transmissão e distribuição de
energia elétrica.
As redes elétricas estão em constante crescimento e são interligadas
para permitir a transferência de energia em todo território nacional entre
geradores e consumidores. Soma-se a isso a sua associação à evolução
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tecnológica dos equipamentos elétricos, que nos proporcionam cargas com
características não lineares ou cargas muito mais sensíveis a pequenos
distúrbios.
A contrapartida desses fatos é o aumento dos problemas relacionados
à qualidade de energia. Na sociedade moderna que está acostumada a
usufruir os benefícios proporcionados pela eletricidade, o não funcionamento
dos equipamentos elétricos devido à má qualidade de energia causa muito
desconforto e transtornos.
Para as empresas gera prejuízos, principalmente para aquelas em
que o insumo eletricidade é primordial para sua atividade. No caso das
instalações hospitalares pode colocar em risco a vida das pessoas. Portanto,
trata-se de um assunto importante e prioritário e deve ser tratado de forma
responsável e competente.
Por isso, uma transmissão enviada pelo transmissor pode ocorrer
falhas ao longo do caminho, prejudicando a qualidade da transmissão até a
sua chegada, até o receptador.
E tem duas formas que possam ocorrer, caso seja o sinal seja
analógico haverá a degradação da qualidade do sinal enviado. Caso seja sinal
digital pode ocorrer erros de “bit”.
E essas falhas causadas são causadas pela diferença entre o sinal
que estará sendo transmitida do sinal que está sendo recebida, como
exemplos: distorção linear, distorção não-linear, atenuação e ruído. No artigo
presente, será discutido essas falhas e as suas fontes causadoras.
2 REVISÃO DE LITERATURA
Esta seção apresenta uma breve descrição e histórico sobre alguns
itens utilizados neste estudo de caso.
2.1 Distúrbios que afetam a Qualidade de Energia
Segundo os conceitos de Deckmann e Pomilio (2015), antes de
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analisar os distúrbios que afetam a qualidade da energia elétrica, vamos
verificar quais seriam as condições ideais de operação de um sistema elétrico.
Assim, na falta de critérios específicos para avaliar a qualidade de energia,
podemos comparar as condições reais de operação com as características de
um sistema ideal e, a partir daí, estabelecer uma escala quantitativa e
classificatória para os desvios observados.
Figura 2: Formas de distúrbios
2.1.1 Condições ideais de operação de um sistema elétrico
Por razões que veremos em seguida, um sistema elétrico trifásico
ideal deve satisfazer às seguintes condições de operação em regime
permanente:
1. Tensões e correntes alternadas, com formas senoidais;
2. Amplitudes constantes, nos valores nominais;
3. Freqüência constante, no valor síncrono;
4. Tensões trifásicas equilibradas;
5. Fator de potência unitário nas cargas;
6. Perdas nulas na transmissão e distribuição.
Essas
seis
condições
garantem
que
o
sistema
atenderá
adequadamente a qualquer carga prevista para operar com corrente alternada
na frequência industrial.
2.2 Tipos de Distúrbios:
Já Bonfim (2002), nos define que a distorção e ruído estão presentes
em qualquer sistema físico real e normalmente contribuem para a deterioração
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das características deste sistema. Um amplificador deveria fornecer
idealmente em sua saída uma réplica do sinal de entrada multiplicado por uma
constante. No entanto sua saída contém também sinais adicionais ausentes
na sua entrada, que são os ruídos e distorções gerados no processo de
amplificação.
Tendo os conceitos que Bonfim (2002) relata sobre distorção, é que o
nome genérico dado aos erros introduzidos em um sinal alternado de entrada
vi quando o mesmo sofre algum processamento (amplificação, filtragem,
equalização, multiplicação, etc). O sinal de saída vo contém o sinal original vi
somado às componentes de erro que podem ser lineares ou não lineares. A
distorção é sempre uma medida relativa a um sinal de referência ou sinal de
entrada. Não havendo sinal de entrada não há distorção.
2.3 Afundamento e Elevação de Tensão
Afundamento de Tensão (Voltage Sag e Undervoltage): Este tipo de
distúrbio é caracterizado pela diminuição da tensão de alimentação abaixo do
limite mínimo normal (conforme normas técnicas pertinentes), cuja duração
não ultrapasse 2 (dois) segundos. Este fenômeno é conhecido como Voltage
Sag ou simplesmente Sag. Para casos em que a duração do tempo ultrapasse
a 2 (dois) segundos, é definido o distúrbio como subtensão ou undervoltage.
Elevação de Tensão (Voltage Swell, Spikes e Overvoltage): Este tipo
de distúrbio é caracterizado pelo aumento da tensão de alimentação acima do
limite normal (conforme normas técnicas pertinentes), cuja duração não
ultrapasse 2 (dois) segundos. Este fenômeno é conhecido como Voltage Swell
ou Swel. Para casos em que a duração do tempo ultrapasse a dois segundos,
é definido o distúrbio como sobretensão ou overvoltage. Existem também os
casos em que a elevação do valor da tensão acima do limite ocorre em um
período extremamente curto, da ordem de micro ou milissegundos. Este
fenômeno é conhecido como Surtos ou Spikes.
2.4 Ruídos e Notching
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O ruído é a distorção da tensão senoidal, através da superposição de
um sinal de alta freqüência (da ordem de MHz). Podemos classificar em dois
tipos de ruídos, o de modo comum e o de modo normal:
Ruído de Modo Comum – Common Mode Noise: Diferença da tensão
que ocorre entre o condutor neutro e a terra.
Ruído de Modo Normal – Normal Mode Noise: Diferença da tensão
que ocorre entre o condutor fase e neutro.
Figura 3: Tensão alternada senoidal com presença de ruído.
Já segundo Moreira (1999), O ruído consiste numa alteração de
alguma das características do sinal transmitido por efeito de um outro sinal
exterior ao sistema de transmissão, ou gerado pelo próprio sistemas de
transmissão. Ao contrário da interferência, estes sinais indesejados são de
natureza aleatória, não sendo possível prevêr o seu valor num instante de
tempo futuro.
Em muitos casos, o ruído é produzido pelos próprios equipamentos
activos utilizados para implementar os sistemas de transmissão, tais como os
amplificadores utilizados nos receptores e repetidores. Estes dispositivos
produzem ruído, de origem térmica e de origem quântica, o qual passa a ser
processado juntamente com o sinal desejado nos andares subsequentes.
O ruído pode ser aditivo (soma-se ao sinal) ou multiplicativo (o sinal
resultante é o produto do sinal transmitido pelo ruído).
Uma vez que o ruído é um processo aleatório, este deve ser descrito e
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tratado com recurso a métodos estatísticos. O ruído diz-se branco quando a
sua densidade espectral de potência média é constante a todas as
frequências; diz-se colorido no caso contrário. As características do ruído são
ainda descritas através da função densidade de probabilidade da sua
amplitude. Diz-se então que o ruído segue uma distribuição Normal
(Gaussiana), de Poisson, etc.
Uma das formas de ruído mais utilizadas para modelar este aspecto
de um sistema de transmissão é o Ruído Branco Aditivo e Gaussiano (AWGN
– Additive White Gaussian Noise).
Os efeitos do ruído no desempenho dos sistemas de transmissão
podem ser minimizados através da utilização de técnicas de projecto dos
circuitos mais cuidadas e através de filtragem. No entanto, e dada a natureza
aleatória do ruído, não é possível eliminar completamente o ruído num
sistema de transmissão.
Os efeitos do ruído fazem-se sentir através de uma deterioração da
qualidade do sinal transmitido nos sistemas de transmissão analógicos e
através da introdução de erros nos sistemas de transmissão digital. Nos
sistemas de transmissão analógicos, a qualidade do sinal recebido mede-se
através da relação entre a potência do sinal e a potência do ruído – relação
sinal/ruído (SNR – Signal to Noise Ratio). Nos sistemas de transmissão digital,
o desempenho mede-se através da probabilidade de ocorrerem erros,
frequentemente erros de bit – probabilidade de erro de bit (BER – Bit Error
Rate).
Conforme os conceitos de Machado (2015), para qualquer trnsmissão
de dados, o sinal recebido consistirá, também de sinais adicionais
indesejados, inseridos entre transmissor e receptor, denominados ruídos. O
ruído pode ser classificado em quatro categorias:
1)
Térmico:
2)
Ruído de intermodulação;
3)
Ruído de Crosstalk;
4)
Ruído impulsivo.
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Ruído térmico: Origina-se do movimento aleatório dos elétrons nos
condutores devido a agitação térmica, sendo uniformemente distribuído pelo
espectro de frequências e por isso também denominado ruído branco. Esse
tipo de ruído não pode ser eliminado e assim constitui um limite superior no
desempenho dos sistemas de comunicação. A quantidade de ruído térmico
em uma largura de banda é de 1 Hertz em qualquer dispositivo ou condutor é:
Ruído de intermodulação: Quando os sinais de frequências distintas
f1 e f2 fluem por um circuito que origina distorções. O resultado dessas
distorções pode ser a soma ou a diferença desses sinais. Assim esse sinal
resultante pode interferir com um sinal desejado na frequência f1+ f2
Ruído de Crosstalk – acoplamento de sinais entre canais distintos: Um
exemplo desse ruído ocorre quando usando o telefone é possível ouvir outra
conversação não desejada. Isso ocorre devido a indução entre condutores da
linha de comunicação.
Ruído impulsivo: Consiste de pulsos ou picos de curta duração e de
amplitude relativamente alta. Pode ser gerado por distúrbios eletromagnéticos
externos como relâmpagos. Em sinais analógicos os impulsos são de menor
importância, por exemplo, a transmissão de voz pode ser interrompida por
alguns cliques que não tiram a inteligilibilidade da informação. No entanto,
para dados digitais o ruído impulsivo pode gerar erros de bit em surto, isto é,
eliminar uma sequência de bits de informação de dados transmitidos.
Notching: Cunha de Tensão ou Notching representa o afundamento
abrupto da tensão que ocorre em cada alternância, podendo ou não cair à
zero ou mudar de sinal. É causada basicamente por conversores de energia
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trifásicos que proporcionam curto-circuito momentâneo entre fases, por
exemplo, na comutação entre braços de um retificador de onda completa a
diodos.
Figura 4: Amostra de sinal do retificador
Figura 5: Sinal com ruído notching
2.4 Cintilação ou Flicker:
O fenômeno de cintilação luminosa, ou efeito flicker é basicamente
constatado através da impressão visual resultante das variações do fluxo
luminoso de lâmpadas, principalmente as do tipo incandescentes. Entre as
causas do fenômeno são citadas cargas com ciclo variável, cuja frequência de
operação produz uma modulação da magnitude da tensão da rede na faixa de
0 a 30 Hz. Nessa faixa de frequências, o olho humano é extremamente
sensível às variações da emissão luminosa das lâmpadas, sendo que a
máxima sensibilidade do olho é em torno de 10 Hz.
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Figura 6: Curva de sensibilidade do olho humano.
Figura 7: Variação de tensão ocasionada pela operação de um forno a arco.
Como a variação da potência elétrica associada ao fenômeno de
cintilação é bastante baixa (da ordem de 0,3% da potência nominal da
lâmpada) pode-se suspeitar que o efeito de cintilação também possa ser
provocado pela simples variação do conteúdo harmônico de uma carga do
tipo não-linear. Nesse caso, o fenômeno ocorreria mesmo sendo a tensão
fundamental constante.
2.5. Transitórios ou surtos:
Na engenharia elétrica, o termo transitório caracteriza aqueles eventos
indesejáveis no sistema, que são de curta duração, mas podem implicar
tensões e correntes nos equipamentos que superam as condições nominais
de funcionamento. De forma geral, os transitórios podem ser classificados
em duas categorias: impulsivo e oscilatório.
O transitório impulsivo é normalmente causado por descargas
atmosféricas e provoca alterações súbitas nas condições de estado
permanente da tensão e corrente e sua polaridade é unidirecional, isto é,
positiva
ou
negativa.
A
seguir ilustra a característica
curva a
de
um
transitório impulsivo.
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Figura 8: Corrente transitória impulsiva oriunda de uma descarga atmosférica
Como principal efeito, este distúrbio pode causar degradação ou falha
imediata dos isolamentos de equipamentos elétricos.
Um transitório oscilatório também é uma súbita alteração não
desejável da condição de regime permanente da tensão, corrente ou ambas,
na qual elas incluem valores de polaridade positivos ou negativos. É
caracterizado pelo seu conteúdo espectral (frequência predominante), duração
e magnitude da tensão.
Esses transitórios são decorrentes da energização de linhas de
transmissão, corte de corrente indutiva, eliminação de faltas, chaveamento de
bancos de capacitores e transformadores, etc.
Figura 9: sinal transitório oscilatório
Como o transitório impulsivo, o transitório oscilatório pode causar
queima ou outros danos em equipamentos eletroeletrônicos. Os transitórios ou
surtos oscilatórios são classificados em função de sua frequência, podendo ser
de baixa (< 5 kHz), média (de 5 kHz a 500 kHz) ou alta frequência (> 500 kHz).
Esses transitórios estão presentes em sistemas de potência (redes de
transmissão e distribuição) e também nas redes elétricas do consumidor.
2.6 Distorção Linear
Com essa definição sugerida, Bonfim (2002) também classifica
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distorção em:
Distorção Linear - é o nome dado quando o sinal de saída não possui
componentes de frequências além daqueles presentes no sinal de entrada. A
distorção linear muda a relação de amplitude e fase entre as diversas
componentes de frequência de entrada e saída. Quando vi é composto por
uma frequência única, o espectro de saída de vo terá a mesma forma que o de
vi. Ex: amplificador linear, filtro, equalizador.
2.7 Distorção Não-Linear ou Harmônica
Distorção não Linear ou Harmônica: é uma forma de distorção onde o
sinal de saída vo contém, além das componentes de frequência do sinal
original vi, componentes de frequência que não estão necessariamente
presentes no sinal de entrada. As novas frequências geradas são determinadas
harmônicas pois são múltiplos inteiros da(s) frequência(s) de entrada.
Porém Moreira (1999), nos informa que a distorção consiste numa
alteração da forma do sinal durante a sua propagação desde o emissor até ao
receptor. A distorção pode resultar do comportamento não-linear de alguns dos
componentes que compõem o percurso do sinal ou pela simples resposta em
frequência do meio de transmissão. Na Figura 10 é apresentado um exemplo
da distorção sofrida por um sinal digital.
Em alguns casos, os efeitos da distorção podem ser corrigidos ou
minimizados através de técnicas de condicionamento de sinal tais como
filtragem.
Figura 10. Distorção
Isso no conceito de Moreira (1999), que a distorção consiste numa
alteração da forma do sinal durante a sua propagação desde o emissor até ao
receptor. A distorção pode resultar do comportamento não-linear de alguns dos
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componentes que compõem o percurso do sinal ou pela simples resposta em
frequência do meio de transmissão.
Em alguns casos, os efeitos da distorção podem ser corrigidos ou
minimizados através de técnicas de condicionamento de sinal tais como
filtragem.
2.10 Atenuação
Moreira (1999), conceitua a atenuação consiste numa redução da
potência do sinal ao longo do meio de transmissão. A atenuação resulta da
perda de energia do sinal por absorção ou por fuga de energia. Nos meios de
transmissão não guiados (espaço livre), a dispersão da energia pelo espaço
pode também ser vista como uma forma de atenuação, uma vez que a potência
do sinal que atinge o receptor é menor que a potência emitida. Na Figura 11
está representado o efeito da atenuação num sinal.
Figura 11: Atenuação.
Nos conceitos de Gomes (2015), a atenuação é uma diminuição da
potência do sinal ao longo de seu percurso. Esta diminuição dá-se de forma
logarítmica e normalmente é expressa na forma de decibéis por unidade de
comprimento. Esta perda, ou dissipação de energia, ocorre sobre a forma de
calor (efeito Joule em meios metálicos) e radiação. Para ambos os casos, esta
perda será maior quanto maiores forem as frenquências em que se transmite o
sinal.
Por isso Gomes (2015), nos
relata que a atenuação pode ser
facilmente solucionada em sistemas de comunicação digital com a inserção de
repetidores que tem a função de regenerar o sinal originalmente transmitido. A
distância entre os repetidores deve atender às especificações de cada meio de
transmissão para que a atenuação não seja excessiva.
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Já Renato Machado (2015), parametriza que a atenuação faz com
que a potencia do sinal caia com a distância.
2.11 Eco
A partir dos conhecimentos extraídos de Unisanta (2015), a conversão
de sistema de 2 fios para 4 fios é feita por um circuito conhecido como híbrida,
constituída por dois transformadores. Como mostra a figura 12.
Figura 12: Conversão de 2 fios para 4 fios.
O sinal de transmissão (Tx) é encaminhado ao par de transmissão e
atenuado para o par de recepção, devido a configuração dos enrolamentos dos
transformadores da híbrida. A atenuação entre os dois pares do lado de 4 fios é
chamado de rejeição da híbrida e é da ordem de 40 dB, dependendo da
impedência da linha do lado de 2 fios e da impedência de casamento, Zl. Assim
uma pequena parcela do sinal Rx ainda retorna para Tx. Esse retorno que
chega ao lado emissor, dependendo do retardo total da linha telefônica É
chamado de eco.
Para se evitar esta degeneração, costuma-se instalar um dispositivo
chamado de supressor de eco, que é na verdade um atenuador de 50 dB
ativado pelo sinal de voz que trafega no outro par de fios.
2.12 Drop out
É a perda abrupta do sinal por um curto intervalo de tempo, ao longo
do meio de comunicação. Este é normalmente ocasionado por soldagem mau
feita, mau contato e também pelo mau tempo atmosférico em transmissão via
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rádio.
2.13 Desvanecimento
O desvanecimento é um fenômeno que surge quando os sinais de
rádios são refletidos contra as diferentes camadas da atmosfera. O efeito do
desvanecimento que depende da frequência e das condições climáticas,
manifesta-se como variáveis na amplitude e na fase do sinal. As causas mais
comuns do desvanecimento são: deflexão anormal da onda de radio devido a
refração, propagação por vias múltiplas, devido as ondas de radio refletidas da
Terra ou das camadas de ar com diferentes densidades; atenuação causada
por precipitação atmosférica.
3
ANÁLISES
E
DISCUSSÂO:
PROTEÇÃO
CONTRA
DISTORÇÕES
3.1
Afundamento e Elevação de tensão:
A abordagem tradicional é prover equipamento adicional para
alimentar a carga durante os afundamentos. No caso de cargas de pequena
potência, como equipamentos de TI, alimentações de energia ininterruptas têm
sido usadas para proteção contra afundamentos e interrupções curtas. O
estoque de energia é normalmente uma bateria recarregável, de forma que não
soa apropriado para durações longas. Tipicamente, a carga é alimentada
apenas durante o tempo necessário para preparar um desligamento
organizado, protegendo assim os dados, mas requerendo ainda um tempo de
restabelecimento considerável Às vezes, um UPS é usado par fornecer energia
enquanto entra em funcionamento um grupo motor-gerador.
Para afundamentos pouco profundos, onde é mantida uma tensão
considerável, há várias tecnologias estabelecidas de reguladores de tensão
automáticos, incluindo dispositivos eletromecânicos e eletromagnéticos. Como
não há necessidade de energia armazenada, estes dispositivos podem ser
usados para eventos de longa duração tais como sub e sobretensões.
Onde há preocupação com cargas pesadas ou com afundamentos
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profundos, é usado um restaurador de tensão dinâmico (DVR, do inglês
Dynamic Voltage Restorer). Este dispositivo é acoplado em série com a carga e
gera a parte perdida de alimentação, se a tensão afunda a 70%, o DVR gera os
30% perdidos. Normalmente, espera-se que os DVRs sustentem a carga por
um período curto e podem usar baterias industriais, supercapacitores ou outras
formas de armazenamento de energia, tais como volantes de inércia de alta
velocidade. Os DVRs não podem ser usados para corrigir sub e sobretensões
de longa duração.
Melhorar o desempenho da rede para eliminar afundamentos é muito
caro e provavelmente impossível. Em casos especiais, onde a necessidade
justifica a despesa, pode ser possível arranjar duas alimentações que são
derivadas de partes suficientemente separadas da rede como parta serem
consideradas independentes.
Para a maior das operações será requerida alguma forma de
equipamento de mitigação de afundamentos, e há uma ampla gama para
escolher, dependendo do tipo de carga que está sendo suportada.
A solução mais econômica é especificar equipamentos com a
resiliência necessária aos afundamentos, mas esta opção não é ainda bem
aceita pelos fabricantes.
Quando se fala em elevação de tensão (swell ou surge), pode-se citar
o exemplo do desligamento de cargas pesadas do sistema como um motivo
para tal ocorrência. Cabe evidenciar que, frequentemente, os afundamentos
(sag) monofásicos provocam elevações de tensão (swell) nas outras fases.
A variação de tensão de curta duração é considerada um dos
distúrbios que mais causam problemas às concessionárias quando se trata de
qualidade de energia, como também aos consumidores, principalmente os
industriais. Portanto, a atuação do Regulador de Tensão com Comutador
Eletrônico de Tapes irá proporcionar uma minimização dos impactos das VTCD
no sistema. Tal minimização será possível devido ao fato deste tipo de
regulador conseguir compensar variações de tensões a partir de pouco mais
de meio ciclo.
Os reguladores de tensão são utilizados para manter o nível de
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tensão dentro dos limites especificados, na distribuição urbana ou rural, quando
esta foge dos valores aceitáveis, de acordo com a norma. Os reguladores de
tensão são basicamente autotransformadores com tapes que podem operar
com comutação em carga, tanto como redutores quanto como elevadores de
tensão. Com isso, além do acoplamento magnético, existe o acoplamento
elétrico. No regulador de tensão, parte da potência é transferida de forma
eletromagnética, que é a potência própria, e a outra parte é transferida por
meio de condução, que é a potência transformada. O projeto do regulador é
desenvolvido tomando como base a potência transformada.
Os reguladores mais utilizados pelas concessionárias de distribuição
de energia são aqueles constituídos por um autotransformador monofásico
imerso em óleo isolante, com várias derivações ou tapes no secundário,
conhecidos como degraus de tensão. São geralmente denominados como
sendo Regulador de Tensão por Degraus. Cada tape proporciona um nível ou
degrau de tensão, que é conectado à carga através de uma chave automática
mecânica, comumente denominada de comutador de derivação em carga (onload tap-changer).
Figura 13: Regulador De Tensão Monofásico Automático Rav-2 – Itb
Os reguladores de tensão, em termos de padrões estabelecidos,
podem ser de dois tipos:
Regulador de tensão do tipo A: a comutação é feita pelo lado da
carga. O circuito primário está diretamente ligado ao enrolamento paralelo, e
este paralelo está ligado através de tapes ao circuito regulado. Este tipo de
regulador de tensão é conhecido como regulador de excitação variável, pois o
enrolamento de excitação sente qualquer variação de tensão fornecida pela
fonte.
Regulador de tensão do tipo B: A comutação é feita do lado da fonte.
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Este tipo de regulador permite obter um valor de tensão predeterminado
constante em qualquer ponto do sistema. Para que este valor fique constante,
o que é alterado, elevado ou abaixado, é o valor da tensão nos terminais de
entrada. É conhecido como regulador de tensão com excitação constante, pois
o enrolamento de excitação encontra-se do lado da carga, sendo assim, o
mesmo não sente as variações de tensão da fonte.
Figura 14: RT do tipo A abaixador
Figura 15: RT do tipo A
elevador
Figura 16: RT do tipo B abaixador
elevador
Figura 17: RT do tipo B
3.2 Ruídos e Notching:
A UPS (Uninterruptible Power Systems - Sistemas Ininterruptos de
Energia) de Dupla Conversão mostrada na figura abaixo representa as formas
de entrada e saída medidas na topologia Dupla Conversão.
Figura 18: Forma de onda da tensão de entrada e de saída (UPS Dupla Conversão).
Pode-se verificar que a forma de onda da tensão de saída é uma
senoide perfeita. Portanto, este dispositivo é resiliente aos cortes de tensão.
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Isto significa que as cargas alimentadas por este equipamento não sofrem este
fenômeno, uma vez que o equipamento mitiga a distorção na forma de onda.
Em todos os equipamentos testados, durante momento algum ocorre
transferência do modo normal para o modo bateria. A
UPS Dupla Conversão é capaz de eliminar os cortes de tensão. Isso
ocorre devido à sua topologia, que retifica e inverte a onda de tensão em seu
modo normal de operação, desconstruindo a forma de onda com distúrbios e
reconstruindo-a com características próximas às de um sinal senoidal ideal. Tal
procedimento elimina os fenômenos indesejados e faz com que o sinal de
saída tenha uma ótima qualidade.
3.3 Cintilação ou Flicker:
A atenuação do efeito flicker exige capacidade de controlar
dinamicamente o nível de tensão na presença das cargas variáveis
responsáveis
pelo
fenômeno.
Para
isso
utilizam-se
normalmente
compensadores reativos com capacidade de resposta em até meio ciclo de
60Hz, uma vez que o espectro de flicker vai até 30 Hz. Compensadores
estáticos como o CCT Capacitor Chaveado a Tiristores tem sido usados para
garantir o fator de potência da carga variável, enquanto o RCT-Reator
Controlado por Tiristores têm sido a solução mais eficiente quando se trata de
instalações com fornos a arco. Reatores saturados também já foram
empregados, porém o seu uso aumenta o nível de perdas introduzidas no
sistema.
No caso de novas instalações industriais com cargas variáveis, para
se evitar problemas de flicker, deve-se prever já na fase de projeto do
alimentador, um nível de curto-circuito no ponto de entrega da energia ao
consumidor com pelo menos 50 vezes a capacidade da maior carga reativa a
ser chaveada. Dessa forma se estará limitando a máxima variação da tensão
local, que pode ser aproximada pela relação seguinte, baseada no equivalente
de Thevenin do sistema no ponto de entrega, ou seja:
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Onde: ΔQc corresponde à variação reativa da carga;
Scc corresponde à potência de curto-circuito local;
ΔVc corresponde à variação porcentual da tensão.
Essa mesma expressão também pode ser usada para estimar a
capacidade reativa do compensador a ser utilizado para atenuar as variações
da tensão. Indústrias com geração própria ou com compensadores síncronos,
que em geral são usados para melhorar o fator de potência da instalação,
dispõem de controle da tensão local através do reajuste da excitação. Além
disso, essas máquinas síncronas aumentam o nível de curto-circuito local,
contribuindo para atenuar o problema de regulação da tensão reduzindo com
isso o nível de flicker.
3.4 Transitórios ou surtos:
Os problemas de sobretensão transitória devem ser controlados pela
fonte geradora, alterando-se as características do sistema afetado pelos
transitórios ou pela utilização de equipamentos de proteção junto à carga.
Como exemplo, podemos tomar os transitórios gerados pelo chaveamento de
capacitores nos sistema elétricos das concessionárias de energia. Estes
podem ser controlados na fonte geradora, realizando o chaveamento no
momento da passagem por zero da onda de tensão.
Da mesma forma, pode-se evitar a amplificação deste tipo de
transitório não utilizando capacitores em baixa tensão nas instalações dos
consumidores finais. Como forma de proteção de equipamentos sensíveis dos
consumidores seria a utilização de filtros de linha, bem como o uso de pararaios. Muitos problemas de transitórios em consumidores envolvem o sistema
de aterramento das instalações elétricas e sua interação com os sistemas de
comunicação, sejam as redes de comunicação local ou sistemas de proteção
de equipamentos e controle de processos. Na maioria das vezes, os
transitórios são drenados pelos equipamentos, como para-raios, varistores,
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capacitores de surto etc., para o sistema de aterramento. Tais sobretensões
podem gerar acoplamentos com os sistemas de comunicação, em que mesmo
transitórios de baixa magnitude podem causar má operação ou falhas de
componentes. Para estes casos, devem-se utilizar tipos especiais de proteção
específicos.
Dentre os principais equipamentos de proteção contra sobre tensões
transitórias podemos citar:
• Supressores de surto, como varistores, centelhadores, capacitores
de surto, diodos tipo Zener, etc.;
• Transformadores isoladores;
• Filtros passa baixa;
• Para-raios (ZnO).
Figura 19: Equipamentos Supressores de surto: (a) Varistor; (b) Para-Raio; (c) Centelhador.
3.5 Fenômeno de ressonância
Schneider (2015), nos ressalta que a associação sobre as redes de
elementos capacitivos e indutivos ocasionam a aparição de fenômenos de
ressonância.
Manifestado
por
valores
extremamente
elevados
ou
extremamente fracos das impedâncias. Estas variações de impedância vão
modificar as correntes e tensões presentes sobre a rede. Não consideramos
aqui não mais que fenômenos de tipo ressonância paralela que são mais
freqüentes. Consideramos o esquema simplificado seguinte, representando
uma instalação compreendendo: n um transformador de alimentação, nas
cargas lineares, nas cargas não-lineares geradoras de correntes harmônicas,
nos capacitores de compensação.
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Figura 20: Análise de harmônica
Para uma análise harmônica, o esquema equivalente é o seguinte :
Figura 21: Análise harmônica
Ls: indutância da alimentação (rede + transfo + linha)
C: capacidade de compensação
R: resistência das cargas lineares
Ir: corrente harmônica.
Desprezando R existe ressonância quando o denominador 1-Ls Cω2
tende a zero. A frequência correspondente é então chamada frequência de
ressonância do circuito. Tendo esta frequência, a impedância terá seu valor
máximo. Existe então uma aparição de tensões harmônicas consideráveis e
então uma forte distorção de tensão. Estas distorções de tensões se
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acompanham de circulações de correntes harmônicas em circuitos Ls + C
superiores as correntes harmônicas injetadas. A rede de alimentação assim
como que os capacitores de compensação são submissos às correntes
harmônicas consideráveis e então à riscos de sobrecarga.
4
CONCLUSÃO
A partir da discussão acima relatada, podemos concluir que a
qualidade de transmissão está ligada diretamente a qualidade de sinal
recebida. Por esses motivos podemos incluir que estas qualidades estão
relacionadas:
1. Tensões e correntes alternadas, com formas senoidais;
2. Amplitudes constantes, nos valores nominais;
3. Frequência constante, no valor síncrono;
4. Tensões trifásicas equilibradas;
5. Fator de potência unitário nas cargas;
6. Perdas nulas na transmissão e distribuição.
A
utilização
dos
componentes
eletrônicos
de
potência
nos
equipamentos em substituição aos antigos equipamentos, alimentados por
combustíveis fósseis, provocou distúrbios nos sistemas alimentadores de
energia elétrica que supriam as indústrias e os consumidores em geral
trazendo graves problemas às concessionárias e aos consumidores finais.
A utilização crescente e generalizada de equipamentos de
eletrônica de potência, que distorcem os sistemas elétricos, e da necessidade
de automatização dos sistemas de produção, que obriga a que cada vez mais
se utilizem controladores eletrônicos, extremamente sensíveis ao meio
eletromagnético em que estão inseridos, a atenção dada à qualidade da
energia elétrica é crucial tendo em vista a garantia da qualidade dos produtos e
serviços e a redução dos custos de produção.
Muitos dos problemas de qualidade de energia podem fazer com que
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alguns equipamentos funcionem de forma incorreta e levar à interrupção de
processos de fabris, acarretando em prejuízos muito elevados. Tais problemas
podem ser resolvidos quando as suas causas são identificadas e se adotam as
medidas apropriadas para a sua correção.
Estes distúrbios são conhecidos como distorções na qualidade da
energia, que se caracterizam pela distorção da corrente, da tensão ou ambas,
fazendo com que as cargas acopladas aos sistemas elétricos de potência
tenham seu desempenho prejudicado.
Por isso devemos garantir uma boa qualidade sinal enviado para
termos a garantia da qualidade de transmissão recebida.
Com este trabalho foi possível distinguir a importância de cada
dispositivo utilizado na indústria, além do impacto relacionado à qualidade de
energia que os mesmos provocam e os efeitos dos distúrbios nos demais
equipamentos e componentes.
REFERÊNCIAS
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<http://pgomes.com.br/arquivos/e31791e88d83c6cafc22d77bedbc8780.pdf Acesso em 06/11/2015.
Instalações elétricas de baixas tensões – Qualidade de energia harmônica
– Disponível em: <http://www.schneider-electric.com.br/documents/cadernostecnicos/harmon.pdf. Acesso em: 06/11/2015
MOREIRA J.C. A. Alguns aspectos que condicionam o desempenho dos
sistemas
de
transmissão,
1999.
Disponível
em:
<http://www3.dsi.uminho.pt/adriano/Teaching/Comum/FactDegrad.html.
Acesso em 11/11/2015
UNISANTA.
Sistema
de
Comunicação.
Disponível
em:
<http://professores.unisanta.br/isfarias/Materia/Sistemas%20de%20Comunicac
ao%20I/Trans.pdf. Acesso em 06/11/2015.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA. Comunicação de Dados.
Disponível
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<http://coral.ufsm.br/gpscom/professores/Renato%20Machado/ComunicacaoDe
Dados/ComDados09.pdf - Acesso em 06/11/2015.