harmônicas
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Qualidade de energia Harmônicas Objetivos do curso Apresentar os aspectos gerais relacionados a qualidade de energia; O conhecimento do que são harmônicas; Quais suas causas e efeitos; Como medir as harmônicas; Quais cargas geram harmônicas; Como conviver com as harmônicas. 3 Sumário Qualidade de energia Caracterização dos sinais harmônicos Exemplos de cargas geradoras de harmônicos Poe que detectar as harmônicas e as combater? Os indicadores essenciais da distorção harmônica e os princípios de medição A medição dos indicadores Principais efeitos das harmônicas nas instalações Aspectos normativos As soluções para atenuar as harmônicas 4 Qualidade de energia 5 Qualidade de energia – aspectos gerais Os valores associados aos parâmetros que caracterizam um sinal de tensão ou corrente em uma instalação elétrica podem ser alterados em função de muitos fatores, tais como: partida de motores, utilização de equipamentos eletrônicos, fornos a arco etc. Genericamente são produzidos 4 tipos de pertubações elétricas básicas em um sinal de tensão ou corrente: • Pertubações na amplitude da tensão • Pertubações na frequência do sinal • Desequilíbrios de tensão/corrente em sistemas trifásicos • Pertubações na forma de onda do sinal 6 Qualidade de energia – aspectos gerais PERTUBAÇÕES NA AMPLITUDE DA TENSÃO: ocorrem quando, sobre um sinal perfeitamente senoidal, são produzidas variações de tensão. • “sag” (afundamento): diminuição brusca da tensão, seguida por um restabelecimento após um curto intervalo de tempo (10ms a 1 min.); • interrupção da alimentação: ocorre quando a tensão é inferior a um certo limite; 7 Qualidade de energia – aspectos gerais • sobretensão: tensão com valor eficaz superior a um dado valor de tensão de alimentação (normalmente aceita-se como 10%); • sobretensão transitória: é de curta duração (máximo alguns mili segundos); • flutuações de tensão: variações na amplitude do sinal, periódicas ou aleatórias (mais ou menos 10% em torno do valor nominal); • cintilação (flicker): pode ser notada pela sensação visual de que a luminosidade está variando no tempo; 8 Qualidade de energia – aspectos gerais PERTUBAÇÕES NA FREQUÊNCIA DO SINAL: são variações em torno do valor nominal e são causadas, geralmente, por problemas nos sistemas de geração e transmissão. Felizmente, as pertubações na frequência do sinal não são tão comuns nas instalações elétricas em geral. 9 Qualidade de energia – aspectos gerais DESEQUILÍBRIOS DE TENSÃO OU CORRENTE EM SISTEMAS TRIFÁSICOS: os desequilíbrios de tensão são produzidos nos sistemas trifásicos quando existem diferenças significativas entre os valores eficazes das tensões presentes na instalação. • ocorrem quando as intensidades que circulam pelas três fases não são iguais, provocando uma corrente diferente de ZERO no condutor neutro da instalação. • o resultado desta circulação de corrente é o sobreaquecimento nos componentes da instalação. • geralmente. Admite-se nas instalações um desequilíbrio de corrente máximo de 10% e de tensão entre 2 e 3%. 10 Qualidade de energia – aspectos gerais 11 Qualidade de energia – aspectos gerais PERTUBAÇÕES NAS FORMAS DE ONDA: são deformações na forma de onda presentes nas instalações elétricas, o que resulta nas chamadas tensões e correntes “harmônicas”. Estas pertubações tornaram-se importantes a partir da década de noventa, quando a proporção de utilização de equipamentos eletrônicos e elétricos começou a se equiparar (PCs, reatores eletrônicos, variadores de velocidade, fontes de alimentação etc). 12 Qualidade de energia – aspectos gerais 250 200 150 100 50 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 13 Qualidade de energia – aspectos gerais 14 Qualidade de energia - Harmônicas A presença das harmônicas é sinônimo de uma onda de tensão ou corrente deformada. Esta deformação se traduz por uma perturbação importante da alimentação da energia elétrica. Restaurar a qualidade de energia é a principal preocupação para a sua exploração. A solução passa necessariamente pela medição e o diagnóstico do nível de poluição, depois pela eliminação da poluição por meio de equipamentos adaptados. 15 Caracterização dos sinais harmônicos 16 Caracterização dos sinais harmônicos Uma tensão ou corrente harmônica pode ser definida como um sinal senoidal cuja freqüência é múltiplo inteiro da freqüência fundamental do sinal de alimentação. Desta forma, podemos dizer que um sinal periódico contém harmônicas quando a forma de onda desse sinal não é senoidal ou, dito de outro modo, um sinal contém harmônicas quando ele é deformado em relação a um sinal senoidal. 17 Caracterização dos sinais harmônicos O sinal T é a soma ponto a ponto dos sinais 1 e 5 formados por senóides perfeitas de amplitudes e frequências diferentes, chamadas de harmônicas Sinal 1 (f1): harmônico de ordem 1 ou fundamental (ex: 60Hz) Sinal 5 (f5): harmônico de ordem 5 (ex. 300Hz) fn n f1 n: ordem do harmônico fn: freq. harmônica 18 Caracterização dos sinais harmônicos Exemplo de correntes comportando harmônicas e decomposição da corrente global em suas componentes harmônicas de ordem 1 (fundamental), 3, 5, 7 e 9. 19 Caracterização dos sinais harmônicos 20 Caracterização dos sinais harmônicos 21 Caracterização dos sinais harmônicos 22 Caracterização dos sinais harmônicos 23 Caracterização dos sinais harmônicos 24 Caracterização dos sinais harmônicos 25 Caracterização dos sinais harmônicos 26 Caracterização dos sinais harmônicos 27 Caracterização dos sinais harmônicos Situação ideal: existe somente harmônica de ordem 1 (fundamental) Existem dois tipos de harmônicos: pares e ímpares As ímpares são encontradas nas instalações elétricas em geral (sinais simétricos) e as pares existem nos casos de haver assimetrias do sinal devido à presença de componente contínua 28 Caracterização dos sinais harmônicos Tomando como exemplo um motor trifásico, as harmônicas de sequência positiva tenderiam a fazer o motor girar no mesmo sentido da componente fundamental, provocando uma sobrecorrente nos seus enrolamentos. Essas harmônicas normalmente provocam aquecimentos indesejados em condutores, motores, transformadores, etc. As harmônicas de sequência negativa fariam o motor girar em sentido contrário ao giro produzido pela fundamental, freando assim o motor e causando aquecimento indesejado. 29 Caracterização dos sinais harmônicos I1 = corrente fundamental I3 = corrente de terceira ordem As harmônicas de sequência zero não provocam efeitos no sentido de rotação do motor, porém somam-se algebricamente no condutor neutro, com amplitude de até 3 vezes maior que a corrente de terceira ordem de cada uma das fases, causando aquecimentos excessivos do condutor neutro, destruição de bancos de capacitores, etc. 30 Caracterização dos sinais harmônicos O chamado “espectro harmônico” permite decompor um sinal em suas componentes harmônicas e representá-lo na forma de um gráfico de barras, onde cada barra representa uma harmônica com sua frequência, valor eficaz e defasagem. O espectro harmônico é uma representação da forma de onda no domínio da frequência. Teoricamente, o espectro harmônico de um sinal deformado qualquer chegaria ao infinito. Na prática, geralmente limita-se o número de harmônicas a serem medidas e analisadas por volta da ordem número 40. 31 Caracterização dos sinais harmônicos Forma de onda e espectro harmônico de um sinal praticamente senoidal Forma de onda e espectro harmônico de um sinal distorcido, repleto de harmônicas, principalmente as de ordem 3, 5, 7 e 9. 32 Origem das harmônicas 33 Origem das harmônicas As correntes harmônicas são geradas pelas cargas não-lineares conectadas a rede. A circulação das correntes harmônicas geram tensões harmônicas através das impedâncias da rede, e então uma deformação da tensão de alimentação. Cargas lineares Forma de onda da corrente Current Waveform Cargas não-lineares Forma de onda da corrente 1 Current Waveform 1,1 Current Corrente Current Corrente Load LinhaLine de carga LinhaLine de carga Load Tensão Tensão Voltage Voltage 0 0,0 -1,2 Angle Ângulo 0,0 1,2 -1 0 Angle Ângulo 1 Angle Ângulo Angle Ângulo Voltage Waveform -1,1 -1 Forma de onda da tensão Forma de onda da tensão Voltage Waveform 34 Origem das harmônicas 35 Origem das harmônicas 36 Origem das harmônicas 37 Origem das harmônicas 38 Origem das harmônicas 39 Origem das harmônicas 40 Origem das harmônicas 41 Origem das harmônicas Circulação de correntes harmônicas em uma rede 42 Origem das harmônicas Fonte de Tensão CC Monofásica Causa da Não Linearidade I + V - Dispositivo Não Linear 43 Origem das harmônicas Queda de tensão Vh Vin I Z eq xL1 r1 VCA ~ E1 r2 E2 xL 2 Ih Fonte de Tensão CC CA h Monofásica V VCC Transformador Demais Cargas 44 Origem das harmônicas Carga linear (ex: motor 1/6 cv, rendimento 80% e FP = 0,85) 45 Origem das harmônicas Carga não-linear • 50% da energia elétrica passa por um dispositivo de eletrônica de potência antes que seja finalmente utilizada (iluminação variável, velocidade variável, etc) • Diodos, transistores, tiristores: estados de condução e bloqueio 46 Origem das harmônicas Carga não-linear 47 Exemplos de cargas geradoras de harmônicos 48 Exemplos de cargas geradoras de harmônicas 49 Exemplos de cargas geradoras de harmônicas 50 Exemplos de cargas geradoras de harmônicas 51 Exemplos de cargas geradoras de harmônicas 52 Por que detectar as harmônicas e as combater? 53 Por que detectar as harmônicas e as combater? As perturbações causadas por harmônicas As harmônicas circulam nas redes deteriorando a qualidade da energia, e são assim a origem de numerosos prejuízos: • sobrecarga das redes de distribuição por aumento da corrente eficaz; • sobrecarga dos condutores de neutro, • sobrecarga, vibrações e envelhecimento dos alternadores,transformadores, motores; • sobrecarga e envelhecimento dos capacitores de correção de Fp; • deformação da tensão de alimentação; • Interferências eletromagnéticas; • Disparos inconvenientes de disjuntores; • Queima de equipamentos sensíveis à variação de tensão/frequência; • Sobretensão no sistema. 54 Por que detectar as harmônicas e as combater? O impacto econômico destas perturbações As harmônicas tem um impacto econômico considerável. Causado por: • envelhecimento precoce do material, • sobrecargas da rede obrigam a aumentar a potência necessária, • as deformações da corrente provocam disparos intempestivos e a parada das instalações da produção. Conseqüências cada vez mais consideráveis O fenômeno das harmônicas era pouco considerado, mais a chegada da eletrônica de potência tem amplificado fortemente o fenômeno em todos os setores da atividade. 55 Por que detectar as harmônicas e as combater? Na prática, quais harmônicas medir e combater? - As harmônicas freqüentemente encontradas são as harmônicas de ordens ímpares. - Além da ordem 49, as correntes harmônicas são negligenciáveis e sua medição não é mais significativa. - Assim, uma boa precisão de medição é obtida considerando as harmônicas até a ordem 29. - Os distribuidores de energia fiscalizam as harmônicas de ordem 3, 5, 7, 11 e 13. - Desta forma, a compensação das harmônicas até a ordem 13 é imperativa, uma boa compensação leva igualmente em conta as harmônicas até a ordem 25. 56 Os indicadores essenciais da distorção harmônica e os princípios de medição 57 Os indicadores essenciais da distorção harmônica e os princípios de medição Existem indicadores que permitem quantificar e avaliar a distorção harmônica das ondas de tensão e de corrente. Estes são: o fator de potência, o fator de crista, o espectro em freqüência, a taxa de distorção harmônica. Estes indicadores são indispensáveis à determinação das ações corretivas eventuais. 58 Fator de Potência Fator de potência (fp) 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. O fator de potência é igual a relação entre a potência ativa P e a potência aparente S definido para um sinal periódico não-senoidal. fp P[W ] P S[VA] Vef Ief Vef I1 cosv1 i1 I1 fp cos 1 Vef Ief Ief 59 Fator de Potência Coseno phi (cosj O cosj é a relação entre a potência ativa e a potência aparente definido para cada uma das componentes harmônicas (senoidais) cos j n Phn [W ] S hn [VA] V1ef I1ef cosv1 i1 fp1 cos 1 V1ef I1ef Fator de deslocamento 60 Fator de Potência Geralmente, mede-se o cosj da componente fundamental e o fator de potência do sinal deformado (total). Circuitos que apresentam valores de fp e cosj muito diferentes entre si possuem forte quantidade de harmônicas tanto de corrente quanto de tensão. Circuitos que apresentam valores de fp e cosj muito próximos entre si indicam pequena quantidade de harmônicas tanto de corrente quanto de tensão. Fp = cosj >> ondas de tensão ou corrente perfeitamente senoidais !!! 61 Fator de Potência A figura abaixo mostra as formas de onda de tensão e corrente para fp=0,70 e cosj 0,87. Observa-se que a forma de onda da corrente é bastante distorcida (repleta de harmônicas). Fator de potência Fator de deslocamento 62 Fator de Crista Fator de crista (FC) • Definição É a relação entre o valor de pico da corrente ou da tensão (Im ou Um) e o valor eficaz. FC I pico I eff ou U pico U eff Quando um sinal é perfeitamente senoidal, essa relação é igual a: FC 2 1,414 63 Fator de Crista Sinal Ip (A) Ief (A) FC Obs.: 1 310 219,2 1,41 Senóide 5 50 35,4 1,41 Senóide T 360 222 1,62 distorcida 64 Fator de Crista Para um mesmo valor eficaz, a corrente de pico pode ser muito diferente, dependendo do grau de deformação da onda. Isso nos ensina que, nos circuitos onda há harmônicas, o valor eficaz da tensão ou da corrente por si só é uma informação pouco significativa. 65 Espectro em frequência Espectro em freqüência Representando a amplitude de cada ordem de harmônica, na presença de sua freqüência, obtemos uma representação sob forma de histograma, chamada de análise espectral. 100 33 20 0 1 2 3 4 5 6 Análise espectral de um sinal retangular, para a tensão U(t) 66 Espectro em frequência Retificador de 6 pulsos 67 Espectro em frequência Harmônicas produzidas pelo inversor 68 Espectro em frequência Análise harmônica da corrente 69 Espectro em frequência Harmônicas de alta frequência 70 Espectro em frequência Retificador 12 pulsos 71 Espectro em frequência Retificador 12 pulsos 72 Espectro em frequência Análise harmônica da corrente 73 Espectro em frequência Análise de custo 250% 200% 150% 100% 50% 0% 6 Pulos 12 Pulsos 24 Pulsos IGBT 74 Taxa de distorção harmônica Taxa de harmônica • Princípio Cada tipo de aparelho poluidor possui sua própria característica de correntes harmônicas, com amplitudes e defasagem diferentes. • Taxa individual de harmônica (ou taxa de harmônica da ordem h) Definimos taxa individual de harmônica como a porcentagem de harmônica de ordem h dividida pela fundamental: 75 Taxa de distorção harmônica Valor eficaz O valor eficaz da corrente ou da tensão pode ser calculado em função do valor eficaz das diferentes gamas de harmônicas: 76 Taxa de distorção harmônica Taxa de distorção harmônica (THD) THD corresponde à Total Harmonic Distortion (taxa de distorção harmônica global). A THD é uma notação muito utilizada para definir a importância do conteúdo harmônico de um sinal alternado. •Definição do THD Para um sinal “h”, a THD indica a distorção harmônica total em relação à componente fundamental e é definida pela fórmula: THD hn 2 h2 h1 77 Taxa de distorção harmônica Quantifica o conteúdo TOTAL de harmônicas existente em um dado ponto da instalação. THD h2 2 h3 2 h4 2 ... hn 2 h1 x100% h1, h2,...hn = valor eficaz das harmônicas de ordem 1,,2, n... No gráfico (pág. 64): THD 35,42 219,2 x100% 16% Se h2 = h3 = ... = hn = 0 NÃO HÁ HARMÔNICAS THD = 0 • Se há valores muito altos de “h” MUITAS HARMÔNICAS THD 78 Taxa de distorção harmônica THD em corrente ou em tensão Quando se refere harmônicas de corrente, a expressão deve: Esta fórmula é equivalente a fórmula seguinte, mais direta e mais fácil de utilizar quando conhecemos o valor eficaz total: Quando se refere harmônicas em tensão, a expressão deve: 79 Taxa de distorção harmônica Qual o THD para um sinal de corrente com as características abaixo? Ieff Ih 2 h 1 80 Importância de cada um dos indicadores THD O indicador essencial é o THD que através de uma só grandeza fornece a deformação da onda em tensão ou em corrente. • O THD em tensão caracteriza a deformação da onda de tensão. • O THD em corrente caracteriza a deformação de onde de corrente. Espectro de frequência (decomposição em freqüência do sinal) : dá a marca do sinal deformado. O fator de potência: FP permite avaliar o sobredimensionamento a aplicar à alimentação de uma instalação. O fator de crista: é utilizado para caracterizar a aptidão de um gerador a fornecer correntes instantâneas de valor elevado. 81 A medição dos indicadores 82 A medição dos indicadores Quais aparelhos para medir estes indicadores? • A escolha de um aparelho Somente os analisadores numéricos, aparelhos de tecnologia recente, permitem determinar de maneira suficientemente precisa o valor do conjunto desses indicadores. – Observação por meio de um osciloscópio – Os analisadores de espectro analógicos 83 A medição dos indicadores 84 A medição dos indicadores Procedimentos para a análise harmônica da rede Esta tomada de medição se efetua no setor industrial ou comercial: – a título preventivo: – estimativa global do estado da rede. – a título corretivo: – Diagnosticar um problema de perturbação. 85 A medição dos indicadores Antecipar a luta contra as harmônicas • Os indicadores do nível de harmônica podem ser medidos: – por aparelhos instalados permanente sobre a rede, – por uma medição pontual. • Privilegiar os aparelhos de medição instalados permanente sobre a rede • Tirar proveito de aparelhos de medição ou de detecção integrados 86 A medição dos indicadores IMPORTANTE: os instrumentos usuais de medição de tensão e corrente são projetados e construídos para uma adequada leitura de sinais perfeitamente senoidais No caso da presença de harmônicas, as leituras desses aparelhos podem apresentar erros grosseiros, que levam o profissional a tirar conclusões erradas sobre o circuito analisado. 87 A medição dos indicadores Porque os instrumentos convencionais não são adequados ??? 88 A medição dos indicadores Instrumentos convencionais de valor médio • Possuem um desenho otimizado em termos de desempenho/preço, fazendo com que possam medir sinais senoidais corretamente com os erros típicos associados à classe de exatidão do equipamento. Instrumentos de valor eficaz verdadeiro • Também chamados de TRUE RMS, surgiram como consequência da necessidade de se medir o valor eficaz de sinais que não eram senoidais, ou seja, que continham harmônicas. 89 A medição dos indicadores Quanto maior a distorção harmônica, maior a diferença entre as medições de instrumentos de valor médio e de valor eficaz verdadeiro, chegando até à 40% INFERIOR AO VALOR VERDADEIRO! 90 Principais efeitos das harmônicas nas instalações 91 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Fenômeno de ressonância Um capacitor em paralelo com uma indutância forma um circuito ressonante capaz de amplificar os sinais de uma dada frequência. Assim, certas harmônicas podem ser amplificadas, provocando danos principalmente em capacitores, levando-os à queima ou explosões. Ls: indutância da alimentação (rede + transfo + linha) C: capacidade de compensação R: resistência das cargas lineares Ir: corrente harmônica. Gerador de Banco de Carga harmônicas capacitores linear 92 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Aquecimentos excessivos (aumento das perdas); Disparos de dispositivos de proteção; Ressonância; Vibrações e acoplamentos; Aumento da queda de tensão; Redução do fator de potência da instalação; Tensão elevada entre neutro e terra; Etc... Em consequência, podem haver problemas associados ao funcionamento e desempenho de motores, fios e cabos, capacitores, transformadores, computadores etc... 93 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Ressonância série (ressonância de baixa impedância) • As reatâncias se cancelam entre sí e a impedância do circuito se torna praticamente resistiva, a qual é um valor muito pequeno, o que conduz praticamente a um curto-circuito na frequência de ressonância • Ressonância série é responsável por sobrecorrentes que danificam os capacitores e os demais componentes do circuito. • Impedância do circuito é mínima. • Frequência de ressonância: 1 Z R j L C 1 L 0 r C L 1 LC V C R 94 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Ressonância paralelo (ressonância de alta impedância) • Ressonância paralela é responsável por sobretensões que danificam os capacitores (degradação do isolamento das unidades capacitivas) e os demais componentes do circuito. • Consumidores ligados ao mesmo ponto ficam submetidos a tensões perigosas. • Impedância do circuito é máxima. • Frequência de ressonância: 1 1 1 Y jC R jL Z 1 1 C 0 r L LC V R L C 95 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Quando as harmônicas mas fortes presentes na instalação estão muito próximas das frequências de ressonância (série ou paralelo), a distorção harmônica aumenta consideravelmente !!!! Exemplo: 96 Principais efeitos das harmônicas nas instalações 97 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Aumento das perdas • Perdas nos condutores A potência ativa transmitida a uma carga é função da corrente fundamental. Quando a corrente absorvida pela carga contém harmônicas, o valor eficaz dessa corrente, Ief, é superior a fundamental I1 . • Da definição do THD: de onde deduzimos: I1 (corrente eficaz para a fundamental) só é igual a Ieff (corrente eficaz real da instalação) quando THD = 0 (sem harmônicas!!!) 98 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Aquecimento • O aquecimento é um dos efeitos mais importantes das correntes harmônicas, podendo estar presente nos condutores, enrolamento dos transformadores, motores, geradores etc. • Defido ao efeito pelicular (“efeito pele”), à medida que a frequência do sinal de corrente alternada aumenta (harmônicas), ela tende a circular pela periferia do condutor, o que significa um aumento da sua resistência elétrica e, conseqüentemente, das perdas por efeito Joule. 99 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Baixa Freqüência Alta Freqüência 100 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Perdas nas máquinas assíncronas As tensões harmônicas aplicadas às máquinas assíncronas provocam a circulação de correntes de freqüências superiores a 60 Hz, no rotor. Estas correntes são então responsáveis por perdas suplementares, proporcionais a U2h/h. Perdas nos transformadores As correntes harmônicas circulam nos transformadores provocando um aumento das perdas nas bobinas pelo efeito Joule e perdas no ferro pelas correntes de Foucault (f2). Perdas nos capacitores As tensões harmônicas aplicadas aos capacitores provocam a circulação de correntes proporcionais a freqüência harmônica. Estas correntes são responsáveis por perdas suplementares. 101 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Sobrecargas dos materiais • Alternadores Os alternadores alimentam cargas não-lineares devendo ser desclassificados em razão das perdas suplementares geradas pelas correntes harmônicas. • No-break A corrente absorvida pelo material informático apresenta um fator de crista elevado. Um no-break dimensionado sobre o único valor de corrente eficaz corre o risco de não poder fornecer a crista de corrente necessária e de se encontrar em sobrecarga. 102 Principais efeitos das harmônicas nas instalações • Elevação de temperatura de máquinas assíncronas 103 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Transformadores • O Fator de Desclassificação (K) definido para os transformadores indica o quanto se deve reduzir a potência máxima de saída quando existirem harmônicas. I pico FC k I rms 2 2 S máx S N k k 1,2 S N 1000kVA S máx 1000 833kVA 1,2 No caso de instalações existentes, determina-se o fator k por medição e, no caso de projetos, determina-se por cálculo. 104 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Transformadores A curva seguinte mostra o desclassificamento típico à aplicar a um transformador alimentando cargas eletrônicas. 105 Principais efeitos das harmônicas nas instalações • Capacitores A corrente eficaz circulando nos capacitores não deve exceder segundo a norma, 1,3 vezes sua corrente nominal. • Vibrações e acoplamentos As altas frequências das harmônicas podem provocar interferências eletromagnéticas irradiadas ou conduzidas que, por sua vez, provocam vibrações em quadros elétricos, em transformadores e/ou acoplamentos em redes de comunicações, prejudicando a qualidade da conversação ou da troca de dados e sinais em geral. 106 Principais efeitos das harmônicas nas instalações • Redução do fator de potência FP cos j 1 THD 2 Ex.: circuito de Irms = 11,2 A (sem 3ª harmônica): 107 Principais efeitos das harmônicas nas instalações • Redução do fator de potência Ex.: circuito de Irms = 11,2 A (com 3ª harmônica): I rms Irmsh1 2 Irmsh3 2 I rms 10 2 52 11,2 A 108 Principais efeitos das harmônicas nas instalações • Aumento da queda de tensão Z 12 12 1,4 U1 1,4 10 14V Z 12 12 1,4 U1 1,4 11,2 16V Z 12 32 3,2 U 3 3,2 5 16V U total 14 2 16 2 21V 109 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Disparos de dispositivos de proteção • Os sinais harmônicos podem apresentar correntes com valores eficazes pequenos, porém com elevados valores de pico (alto fator de crista - FC), o que pode fazer com que alguns dispositivos de proteção termomagnétic9os e diferenciais disparem. Isso ocorre porque as correntes harmônicas provocam aquecimento ou um campo magnético acima daquele que haveria sem a sua presença. • Estes disparos são muito comuns em locais de grande concentração de computadores pessoais, fotocopiadoras, impressoras, estabilizadores, UPS etc. • Dica para projeto: circuitos separados para impressoras, fotocopiadoras, computadores etc. Não instalar também muitos computadores no mesmo circuito, para evitar a perda de operação simultânea de várias computadores. 110 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Perturbações das cargas sensíveis • Efeito da deformação da tensão de alimentação A deformação da tensão de alimentação pode perturbar o funcionamento de aparelhos sensíveis. • Degradação dos sinais telefônicos As harmônicas geram nos circuitos em correntes fracas perturbações indutivas. O nível dessas perturbações é função da duração do sentido em paralelo dos cabos de potência e de sinal, da distância entre os circuitos e da freqüência harmônica. 111 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Dimensionamento dos condutores fase/neutro • É preciso aumentar a seção dos condutores na presença das harmônicas? • ERA PRÉ-HARMÔNICA: – Bastava obter o IB (corrente de projeto, que é a maior corrente eficaz prevista de circular em um dado circuito), aplicar os critérios de dimensionamento de condutores da NBR 5410 (6 critérios) e pronto !!! – Se o circuito fosse trifásico com neutro, quase sempre era considerado equilibrado (IN = 0), determinava-se a seção dos condutores fase e escolhíamos a seção do neutro conforme a tabela 44 da NBR 5410 (fase 25mm2, neutro = fase; fase = 35mm2, neutro = 25mm2; fase 50, neutro = fase/2). 112 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Dimensionamento dos condutores fase/neutro ERA HARMÔNICA: – As harmônicas devem ser consideradas para o cálculo da corrente para obter o IB (corrente de projeto). IB I1 I 2 I 3 I 4 ... I n 2 2 2 2 2 – Dependendo da ordem da harmônica, no caso de circuitos trifásicos com neutro, ao invés da corrente no neutro ser próxima de zero (depende do desequilíbrio das cargas), ela poderá ser até três vezes o valor da fundamental da corrente de fase !!! – Nestes casos, a seção do neutro deverá ser maior do que a dos condutores de fase. N F F Sem harmônicos Com harmônicos N 113 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Exemplo de dimensionamento (3F) Circuito de 2 fases, sozinho no interior de um eletroduto aparente, com temperatura ambiente de 30ºC, constituído por condutor de cobre com isolação de PVC. Intensidades das correntes harmônicas: I B 1102 57 2 252 17 2 127 A I1 = 110A, I3 = 57A, I5 = 25A e I7 = 17A 114 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Exemplo de dimensionamento (3F) • Aplicando-se diretamente a tabela 31 da NBR 5410/97, método de instalação B1, coluna de 2 condutores carregados (fatores de correção de temperatura e agrupamento, nesses caso, iguais a 1), obtemos SF = 50mm2. • Observe que, se o dimensionamento fosse realizado sem levar em consideração a presença das harmônicas, mas tão somente o valor da corrente fundamental (110A), a seção dos condutores resultaria em SF = 35mm2. • Na prática, significa que os condutores iriam operar em regime de sobrecarga, com a conseqüente redução de sua vida útil e degradação da isolação. 115 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Exemplo de dimensionamento (3F+N) Circuito de 3F + N, sozinho no interior de um eletroduto aparente, com temperatura ambiente de 30ºC, constituído por condutor de cobre com isolação de PVC. Intensidades das correntes harmônicas: I B ( fase) 110 2 57 2 252 17 2 127 A I1 = 110A, I3 = 57A, I5 = 25A e I7 = 17A I B ( neutro) 57 57 57 171A IN = harmônicas de ordem 3 e suas múltiplas se somam algebricamente + correntes de desequilíbrio de cargas monofásicas 116 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Exemplo de dimensionamento (3F+N) • Note que esse valor é de 35% (171/127) maior do que a corrente de fase e 55% (171/110) maior do que a corrente fundamental •Aplicando-se diretamente a tabela 31 da NBR 5410/97, método de instalação B1, coluna de 2 condutores carregados – FF/FN (fatores de correção de temperatura = 1 e agrupamento igual a 0,8 – tab. 35/NBR 5410), obtemos I´B = 127/0,8 = 153A; logo SF = 70mm2. • No caso do condutor neutro, a corrente de projeto a considerar será IN = 171A, o que resulta em I´B = 171/0,8 = 214A; logo SF = 95mm2. 117 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Exemplo de dimensionamento (3F+N) • Observe que, se o dimensionamento fosse realizado sem levar em consideração a presença das harmônicas, mas tão somente o valor da corrente fundamental (110A), a seção dos condutores resultaria em SF = 35mm2. • Neste caso, se realizarmos o dimensionamento como “antigamente”, a tendência seria reduzir o neutro para 25mm2, conforme a tabela 44 da NBR 5410/97. 118 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Impacto econômico • Perdas energéticas As perdas por efeito Joule induzidas pelas correntes harmônicas nos condutores e equipamentos tem origem de perdas energéticas suplementares. • Custo adicional da contratação de serviço A presença de corrente harmônica necessita aumento do nível de potência necessária, e o custo adicional da contratação de serviço. • Sobredimensionamento dos materiais – O desclassificamento das fontes de energia (geradores, transformadores e no-break) necessita de seu sobredimensionamento. – Os condutores devem ser dimensionados de maneira a permitir a circulação das correntes harmônicas. 119 Principais efeitos das harmônicas nas instalações Redução da vida dos materiais Quando a tensão da alimentação apresenta uma taxa de distorção próximo de 10%, a duração da vida dos aparelhos é reduzido de maneira sensível. Disparos intempestivos e parada da instalação Os disjuntores de uma instalação são submissos a pontos de correntes causadas por harmônicas. 120 Aspectos normativos 121 Os dispositivos normativos/meio ambiente normativo e regulamentar As emissões harmônicas são submissas a diferentes dispositivos normativos e regulamentares: normas de compatibilidade adaptadas as redes, normas de emissão aplicáveis aos produtos geradores de harmônicas, recomendações dos distribuidores de energia aplicáveis as instalações. 122 Os dispositivos normativos/meio ambiente normativo e regulamentar Normas de compatibilidade entre redes elétricas e produtos Estas normas dão diretrizes, para a compatibilidade entre as redes elétricas e os produtos: – IEC 1000-2-2 para as redes públicas em baixa tensão, – IEC 1000-2-4 para as instalações industriais baixa tensão e média tensão. Valores máximos de harmônicas aceitáveis Harmônicas ímpares não múltiplas de 3 Gama h BT MT AT 5 6 6 2 7 5 5 2 11 3.5 3.5 1.5 13 3 3 1.5 17 2 2 1 19 1.5 1.5 1 23 1.5 1 0.7 25 1.5 1 0.7 >25 0,2+25h 0,2+25h 0,1+25h Harmônicas ímpares múltiplas de 3 Gama h BT MT AT 3 5 2.5 1.5 9 1.5 1.5 1 15 0.3 0.3 0.3 21 0.2 0.2 0.2 >21 0.2 0.2 0.2 Harmônicas pares Gama h BT MT 2 2 1.5 4 1 1 6 0.5 0.5 8 0.5 0.2 10 0.5 0.2 12 0.2 0.2 >12 0.2 0.2 AT 1.5 1 0.5 0.2 0.2 0.2 0.2 123 Os dispositivos normativos/meio ambiente normativo e regulamentar Normas de qualidade da rede • A norma EN 50160 precisa as características da tensão fornecida para as redes públicas baixa tensão, • IEEE 519 (Recommended practices for harmonics control in electrical power systems), é uma aproximação conjunta entre o distribuidor de energia e o cliente para limitar o impacto das cargas não-lineares. Normas de produtos • IEC 61000-3-2 ou EN 61000-3-2 para os aparelhos baixa tensão absorvendo uma corrente inferior a 16A, • IEC 61000-3-4 ou EN 61000-3-4 para os aparelhos baixa tensão absorvendo uma corrente superior a 16A. 124 As soluções para atenuar as harmônicas 125 As soluções para atenuar as harmônicas Soluções de base • Posicionar as cargas poluentes a montante da rede • Reagrupar as cargas poluentes 126 As soluções para atenuar as harmônicas Separar as cargas 127 As soluções para atenuar as harmônicas Transformador de separação para 3ª harmônica e suas múltiplas 128 As soluções para atenuar as harmônicas Inserir indutâncias na instalação LS Podemos suavizar a corrente colocando indutâncias de linha. Trata-se de uma solução paliativa. Aumentando a impedância do circuito de alimentação, atenuamos todas as correntes harmônicas presentes. É uma solução simples e de baixo custo, porém, de limitada eficiência, grandes dimensões físicas e introduz uma queda de tensão na linha. 129 As soluções para atenuar as harmônicas Ações no caso de ultrapassagem dos valores limites • Filtro passivo LC Por exemplo, se é necessário eliminar a 5ª harmônica, temos: L e C são escolhidas de modo que a impedância do filtro seja zero para a frequência que se deseja eliminar e seja muito pequena para outras frequências próximas dessa. 130 As soluções para atenuar as harmônicas Principais desvantagens dos filtros passivos LC: • limite de espectro de atenuação, ou seja, o filtro elimina apenas o sinal harmônico sintonizado e atenua outras harmônicas próximas, mas não é eficaz para uma banda mais larga de sinais; • Funciona adequadamente apenas se não houver alteração nas cargas durante a vida da instalação, uma vez que, a mudança das cargas pode provocar alteração no espectro harmônico da instalação, fazendo com que a frequência de sintonia previamente estabelecida para o filtro seja diferente do novo valor existente. 131 As soluções para atenuar as harmônicas • Filtro ativo ICH IFA O filtro ativo obtém o espectro harmônico gerado pela carga poluidora e gera uma corrente IFA que é igual à diferença entre a corrente total da carga ICH e a fundamental. Essa corrente é injetada na carga de forma que a resultante no ponto de ligação do filtro será uma corrente senoidal semelhante à fundamental da fonte. 132 As soluções para atenuar as harmônicas • Filtro ativo 133 As soluções para atenuar as harmônicas • Filtro híbrido 134 As soluções para atenuar as harmônicas Critérios de escolha • O filtro passivo permite (ao mesmo tempo): – o a compensação de energia reativa, – o uma grande capacidade de filtragem em corrente. • O filtro ativo permite a filtragem das harmônicas sobre uma larga faixa de freqüência. Ele se adapta não importa qual a carga. Entretanto, sua potência harmônica é limitada. • O filtro híbrido reune o conjunto das performances dos filtros passivos e ativos. 135 As soluções para atenuar as harmônicas Detecção • As centrais de medição PM500 • Medições para tabela elétrica • alocação dos custos • monitoramento à distância da instalação • monitoramento das harmônicas (THD) 136 As soluções para atenuar as harmônicas Os CM’s são centrais de medição com performances que ofertam numerosas possibilidades de medições e uma integração assegurada nos sistemas graças a sua conectividade Ethernet e seu servidor Web incluso. CM3000 CM4000 137 As soluções para atenuar as harmônicas Micrologic: centro de medição integrada ao disjuntor Para as novas instalações, a unidade de controle micrologic H, integrada ao disjuntor de potência Masterpact, é particularmente interessante no caso de uma medição no início da instalação ou sobre a saída. 138 As soluções para atenuar as harmônicas A exploração das centrais de medição Exploração e análise a distância: Programa de exploração e de análise Na grade mais global de uma rede em supervisão, o mercado oferece a possibilidade de ligar estes diferentes materiais por uma rede de comunicação, autorizando assim centralizar as informações, e de ter uma visão global das perturbações sobre o conjunto de uma rede. • SMS SMS é um programa muito completo de análise de rede associado aos produtos PowerLogic System. Instalado sobre PC standard. 139 As soluções para atenuar as harmônicas O mercado propõe uma oferta de serviço completa para o tratamento das harmônicas: uma experiência em análise, dispositivos de medição e supervisão, dispositivos de filtragem. 140 As soluções para atenuar as harmônicas Produtos específicos Filtros passivos Filtros ativos Filtros híbridos 141 Produtos VERT Engenharia Título: CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA Formato: 247 páginas formato A4 - 210 x 297mm e-Book (em CD-Rom), totalmente ilustrado, mais de 30 exercícios práticos, conforme resolução 456 da ANEEL DE 29/11/00! Este material técnico tem como objetivo dar orientação para uma correta instalação de capacitores, corrigindo efetivamente o fator de potência, proporcionando às empresas um aumento da produtividade do sistema elétrico, através da redução das perdas de energia em cabos e transformadores, redução dos custos de energia elétrica (redução de multas e de perdas elétricas), liberação da capacidade do sistema, elevação dos níveis de tensão entre outras vantagens. Especial atenção é dada às harmônicas na instalação. Outro assunto bastante importante abordado é o de gerenciamento de energia e tarifação energética. Em face do crescente uso de automação nas indústrias e do aumento das multas e ajustes cobrados pelas concessionárias, o gerenciamento da energia elétrica vem se tornando uma necessidade para as empresas interessadas em reduzir custos. 142 Produtos VERT Engenharia Título: PASSO A PASSO DAS INSTALAÇÕES ELÉTRICAS RESIDENCIAIS Formato: aproximadamente 400 páginas formato A4 - 210 x 297mm e-Book (em CD-Rom), totalmente ilustrado, com mais de 60 plantas do projeto detalhadas em AutoCAD, mostrando a aplicação passo-a-passo da NBR 5410 nas instalações elétricas A idéia principal deste livro é mostrar de forma clara, simples e objetiva, residenciais. todas as etapas para a elaboração de um projeto de instalações elétricas residenciais de baixa tensão, conforme prescrições da NBR 5410. A didática aplicada é de ser realmente passo-a-passo, ensinando os conceitos e teorias com a aplicação prática, partindo de uma planta de arquitetura de uma residência de 8 cômodos. Cada simples etapa do projeto vai sendo desenvolvida e representada pelo acréscimo de uma nova planta, implantada sobre a da etapa anterior, resultando em uma visão dinâmica e muito clara do desenvolvimento do projeto.b Enfim, é um material muito útil aos profissionais eletrotécnicos, sejam eles iniciantes ou não, pois trata não apenas de conceitos básicos (muitas vezes esquecidos por profissionais experientes), mas o que deve ser feito e como deve ser feito, abordando todas as questões de dimensionamento e segurança, preparando e atualizando o profissional para a elaboração de projetos elétricos e para o promissor mercado de trabalho de Avaliação da Conformidade das Instalações Elétricas, onde serão exigidos certificados de inspeção das instalações elétricas pelas concessionárias. 143 Produtos VERT Engenharia Título: UTILITÁRIO PARA CÁLCULOS ELETROTÉCNICOS Planilha eletrônica (em CD-Rom), para automatização dos cálculos de projetos elétricos residenciais. Extremamente prático e com uma abordagem inédita, este utilitário (desenvolvido conforme a NBR 5410/97 em planilha eletrônica MS-Excel 97) permite automatizar os cálculos dos projetos elétricos residenciais. São 8 módulos (interrelacionados) dedicados a: Previsão de carga; Divisão de circuitos; Dimensionamento de condutores; Dimensionamento de eletrodutos; Dimensionamento da proteção; Cálculo de Curto-circuito; Divisão de cargas; Conversão de unidades. Esta planilha oferece ao usuário uma rapidez para a elaboração de uma memória de cálculo referente a todas as etapas de dimensionamento de uma instalação elétrica residencial (limitada para 15 cômodos por quadro de distribuição), permitindo a impressão dos resultados obtidos, como, por exemplo, o dimensionamento do padrão de entrada e do quadro de distribuição de cargas, com a indicação dos circuitos, potência, corrente, condutores fase, neutro e de proteção, disjuntor, etc para cada circuito terminal. 144 Produtos VERT Engenharia Título: AVALIAÇÃO DA CONFORMIDADE DAS INSTALAÇÕES ELÉTRICAS: verificação, inspeção e ensaios Formato: 167 páginas formato A4 - 210 x 297mm e-Book (em CD-Rom) sobre o mais recente tema da área de instalações elétricas: a avaliação da conformidade das instalações elétricas de baixa tensão. Conforme exigência da NBR 5410, qualquer tipo de edificação residencial, comercial ou industrial, sejam elas novas ou reformas em instalações existentes, deve proceder à "verificação final" das instalações antes de entregues ao uso, através de uma inspeção visual e de diversos ensaios, a fim de se verificar se a instalação está em conformidade com suas exigências e prescrições. Este livro (único do gênero no mercado nacional) aborda, de maneira prática, todas as necessidades que os projetistas e engenheiros deverão atender para terem seus projetos elétricos e obras inspecionadas satisfatoriamente segundo os requisitos das normas técnicas pertinentes. É colocado em foco também as necessidades e responsabilidades de quem compra projetos, de quem instala e de quem inspeciona. Resumindo: quem deve fazer o que, quando e como! Enfim, é um material técnico para ser utilizado por todos os responsáveis neste processo de elaboração, compra, instalação e inspeção de projetos elétricos. 145 Produtos VERT Engenharia Título: INTERPRETANDO A NBR 5410: INFLUÊNCIAS EXTERNAS E GRAUS DE PROTEÇÃO Formato: 63 páginas formato A4 - 210 x 297mm e-book (em CD-Rom) + Software G-pro versão 1.0 Um dos grandes destaques da NBR 5410, e, infelizmente, na maioria das vezes, passado despercebido por grande parte dos projetistas, é a classificação das chamadas influências externas, as quais orientam as tarefas de seleção e instalação dos componentes de uma instalação elétrica. É fundamental o conhecimento da compatibilidade entre as características construtivas de um determinado componente da instalação e o ambiente onde será instalado. A seleção correta está intimamente relacionada ao emprego de um componente com o grau de proteção adequado, sendo esta a informação que os fabricantes de materiais elétricos costumam fornecer em seus catálogos ou no corpo do próprio componente. Este produto apresenta as regras sobre a classificação das influências externas e aplicação dos graus de proteção em projetos de engenharia de uma maneira mais inteligível, fornecendo orientação sobre a aplicação destas regras e, mais do que isso, as principais razões das prescrições normativas citadas, utilizando exemplos práticos. É oportuno salientar que, para agilizar ainda mais o acesso a estas informações, este produto inclui, além deste "e-book", o software G-PRO, um aplicativo em ambiente windows® para gerenciamento e consulta a todas as informações normativas referente ao presente tema. 146 VENDAS: CIAL COMÉRCIO [email protected] (11) 3932-3535 / 3932-5818 147 Obrigado! www.procobrebrasil.org www.schneider-electric.com.br www.vertengenharia.com.br 148
