Qualidade de Energia em Instalações Elétricas Rurais

QUALIDADE DE ENERGIA EM INSTALAÇÕES ELÉTRICAS RURAIS
Ricardo M. Rodrigues, Paulo J. A. Serni, José F. Rodrigues, José A. Cagnon
Departamento de Engenharia Elétrica
Faculdade de Engenharia
UNESP
CEP 17033 - 360 - Bauru-SP tel: 14 2216116 fax: 14 2216110
RESUMO
A partir da teoria de circuitos elétricos,
desenvolveu um modelo, que permite observar o
comportamento das cargas elétricas rurais, com
potência instalada de até 20kW, alimentadas por um
sistema bifásico, a três fios, 220/127V. O modelo irá
possibilitar a análise do conteúdo harmônico do
sinal em regiões tipicamente rurais; da possível
influência no comportamento dos sinais de tensão e
corrente nas cargas características de uma instalação
rural, do comportamento das tensões e correntes em
equipamentos de iluminação, eletrodomésticos e
aparelhos com fontes chaveadas e da influência das
cargas na corrente de neutro do sistema. Analisou-se
o circuito elétrico equivalente, utilizando-se modelos
desenvolvidos para cada tipo de carga e através de
simulação, obteve-se as formas de onda e
respectivos conteúdos harmônicos das tensões e
correntes.
ABSTRACT
From the electric circuit theory a model was
established that enable the investigation of rural
electric loads behavior for power rating up to 20 kW
when the main power is a two phase system with
tree wire 220/127V. This model will enable the
signal harmonic content analysis at regions typically
rural and its influence over voltage and current
signals for typically rural loads, the voltage and
current behavior for electrical appliances, lighting
equipment and equipment feed by switching power
supply and its influence over the system neutral
current. The equivalent electrical circuit analysis
was carried out using models developed for these
types of loads and the waveforms for voltage and
current with its harmonic contents was obtained by
simulation.
INTRODUÇÃO
O
desenvolvimento
da
indústria
eletroeletrônica, nas últimas décadas, está levando o
consumidor rural, assim como o consumidor urbano,
a uma especialização da demanda de energia
elétrica, isto é, introdução de equipamentos e
dispositivos com características não lineares:
eletrodomésticos, aparelhos eletrônicos e tipos
diversificados de equipamentos de iluminação.
Deste fato, vem aumentando o aparecimento de
distorções nas formas de onda da corrente e da
tensão nas redes de distribuição de energia elétrica
que servem, especificamente, regiões rurais. Por esta
razão, o sistema de distribuição passou a receber
forte contribuição de harmônicos.
Sistemas
de
iluminação
utilizando
lâmpadas de descarga e reatores eletrônicos de
elevada eficiência podem proporcionar uma
substancial redução na potência absorvida da rede e
consequentemente na energia elétrica, entretanto,
apresentam uma característica tensão vs. corrente
fortemente não linear, o que provoca a presença de
harmônicos.
As fontes chaveadas e outras estruturas
eletrônicas usadas em equipamentos eletrônicos
também são fontes de distorção. A associação desses
equipamentos e concentração dessas cargas em
muitas instalações rurais, está gerando um novo
comportamento para o consumidor rural, o de
gerador de sinais não senoidais.
Objetiva este trabalho buscar um modelo
elétrico, a partir da teoria de circuitos, que permita
observar o comportamento das cargas elétricas
rurais, com potência instalada de até 20 kW,
alimentadas através de um sistema bifásico a 3 fios,
220/127V, analisadas à luz dos novos materiais,
equipamentos e dispositivos existentes.
Um modelo elétrico desenvolvido para
esses consumidores irá possibilitar uma análise do
conteúdo harmônico do sinal em regiões tipicamente
rurais, avaliar o comportamento dos sinais de tensão
e corrente nas cargas típicas de uma instalação rural
e a influência dessas cargas na corrente de neutro do
sistema.
Desde 1990, harmônicas tornou-se a
palavra de ordem em qualidade de energia;
distúrbios elétricos causam desligamentos e danos a
equipamentos criando problemas a um número
crescente de consumidores e respostas às questões
como sobrecarga no condutor neutro, perdas de
tensão, sobreaquecimeto de transformadores ainda
não
foram
respondidas
satisfatoriamente
(MURPHY,1997). [1]
As perturbações harmônicas numa rede de
alimentação são quantificadas pela relação de
harmônicas individuais e a distorção harmônica total
(THD). A relação de harmônica individual expressa
a magnitude de cada harmônica em relação a
fundamental e a distorção harmônica total quantifica
o efeito térmico de todas as harmônicas, é a relação
entre o valor eficaz de todas as harmônicas e a
corrente não distorcida na frequência da rede.
Entretanto, a THD dá conteúdo harmônico
total, mas não indica o nível de cada componente
harmônica, havendo necessidade de definir-se um
Fator de Distorção (FD), que indica a quantia de
distorção harmônica que resta em uma forma de
onda particular, após os harmônicos terem sido
atenuados, portanto, o Fator de Distorção é uma
medida de eficiência em reduzir-se harmônicas
indesejáveis (RASHID, 1993). [2]
O IEEE - Institute of Electrical and
Eletronics Engineers propõe recomendações práticas
e requisitos para o controle de harmônicas em
sistemas elétricos de potência, tanto para o usuário
como para o sistema. Para sistemas com nível de
tensão até 69kV a THD máxima deve ser 5% (IEEE
- 519, 1996). [3]
As cargas não lineares, como dispositivos a
semicondutores para alimentação e controle de
equipamentos de potência, têm contribuído
significativamente para a degradação da qualidade
de energia fornecida ao consumidor. As
componentes harmônicas não realizam trabalho ou
produzem potência na carga; entretanto, existem
impactos negativos, tanto para o consumidor, quanto
para a concessionária: o valor total da corrente
absorvida aumenta; possíveis ressonâncias entre
cargas indutivas e capacitivas, provocando danos por
sobretensões;
interferência
em
linhas
de
comunicação que correm próximas com os
condutores de potência, e, aumento das perdas do
condutor neutro em sistemas trifásicos, resultantes
da circulação de componentes com frequências da 3ª
harmônica ou de seus múltiplos.
O conteúdo de harmônicas em instalações
residenciais, comerciais ou industriais variam de
acordo com a utilização de equipamentos geradores
de harmônicas ao longo do tempo. Entretanto, as
harmônicas não são proporcionais a carga ou
necessariamente uma função do uso do
equipamento, mas geralmente depende de outros
fatores incluindo alterações na impedância do
sistema (WILLIS, 1997). [4]
Um primeiro reconhecimento da presença
de harmônicas poderá ser obtido da verificação das
formas de onda em um osciloscópio, observa-se que
a grande maioria dos instrumentos de medição só
indicam a medição correta para ondas senoidais, no
caso de forma de ondas distorcidas indicarão uma
corrente menor que a real. Portanto, deve-se usar
medidores que indiquem uma medição correta para
essas formas de onda, esses medidores são
chamados como True-RMS. Para uma análise mais
detalhada necessita-se de analisadores de
harmônicas, que possibilitam detectar com precisão
todas as correntes e tensões harmônicas presentes no
sistema.
O aumento dos níveis de distorção
harmônica pode afetar a performance dos medidores
de demanda e fator de potência levando a resultados
incorretos, a diferença em kVA em um medidor de
demanda pode estar em torno de 30%, isto ocorre
devido ao conceito de potência aparente
implementado no medidor (ARSENAU et alli,
1997). [5]
Os efeitos da presença de harmônicas são
sentidos por todos os equipamentos conectados ao
sistema e, paradoxalmente, mesmo os geradores de
harmônicas, como conversores estáticos, sofrem
com a distorção na tensão a aos “notches”
produzidos por eles próprios. Adicionalmente, a
tendência para o futuro é um maior rigor de parte
das concessionárias de energia elétrica, com a
sobretaxação relativa aos reativos de distorção,
analogamente ao que hoje é feito com os reativos de
deslocamento, devido às cargas lineares indutivas
(KASSICK,1998).[6]
Fig. 1- Circuito equivalente da instalação elétrica
MATERIAL E MÉTODOS
MODELOS
Para o desenvolvimento do presente
trabalho considerou-se uma instalação elétrica rural,
alimentada por um sistema bifásico, 220/127V, com
cargas lineares e não lineares.
Analisou-se a instalação elétrica através de
um circuito elétrico equivalente, apresentado na Fig.
1, utilizando-se modelos adotados conforme o tipo
de carga.
Fig. 3 - Conteúdo harmônico da corrente de fase
SIMULAÇÃO
Desenvolvidos os modelos de fontes,
alimentadores e cargas, obteve-se as formas de onda
e respectivos conteúdos harmônicos através do
software SPICE - Simulation Program with
Integrated Circuit Emphasis.
ANÁLISE EXPERIMENTAL
A análise experimental constou de
medições de corrente e tensão, para cada tipo de
carga considerada e respectiva análise harmônica
destas variáveis, utilizando-se o equipamento PQM
– Multilin (Power Quality Meter – GE).
Observa-se, que os equipamentos cujos
modelos adotados foram de cargas lineares, não
foram objeto da análise experimental.
Fig. 4 - Forma de onda da corrente de neutro
RESULTADOS E DISCUSSÕES
SIMULAÇÃO
As Fig. 2 a 5 mostram que as componentes
harmônicas estão presente, tanto na corrente de fase,
como na corrente de neutro, problema que vem se
agravando com o aumento de cargas não lineares no
sistema.
Fig. 5 - Conteúdo harmônico da corrente de neutro
O modelo adotado para o televisor
apresenta na etapa de entrada um retificador de onda
completa com capacitor de filtro. A presença desse
capacitor faz com a corrente solicitada pelo
equipamento seja altamente distorcida, de acordo
com os períodos de carga e descarga do mesmo,
conforme mostra a Fig. 6.
Fig. 2 - Forma de onda da corrente de fase
Fig. 6 - Conteúdo harmônico da corrente no televisor
Fig. 9 . Forma de onda da corrente no televisor
ANÁLISE EXPERIMENTAL
Nas Fig. 7 a 10 apresentadas pelo analisador
de harmônicas, verifica-se, conforme esperado, que
a corrente solicitada pela lâmpada fluorescente tem
uma componente de 180Hz, com uma THD de 9,6%,
enquanto que a THD no televisor, para a
componente de 180Hz é 76,3% e para 300Hz é de
39,9%.
Fig. 10 - Conteúdo harmônico da corrente no televisor
CONCLUSÕES
Fig. 7 - Forma de onda na corrente da lâmpada fluorescente
Fig. 8 - Conteúdo harmônico da corrente na lâmpada fluorescente
Os resultados obtidos com o trabalho
permitiram, para as condições analisadas, as
seguintes conclusões:
 modelo teórico adotado para os
equipamentos, permitiu um boa
aproximação
com
a
análise
experimental;
 a forma de onda não senoidal, tanto nas
correntes de fase, quanto na corrente
de neutro evidencia uma dificuldade no
dimensionamento dos alimentadores,
bem como das proteções; na análise
teórica, verifica-se que existe uma
diminuição nas distorções das formas
de onda das correntes de fase e de
neutro,
quando
a
impedância
equivalente
das
cargas
é
predominantemente resistiva (circuito
considerando
a
operação
dos
chuveiros), fazendo com que a
componente de 60Hz dilua o efeito das
componentes harmônicas;
 a utilização de lâmpadas de descargas
(fluorescentes) pode proporcionar uma
substancial redução na potência
absorvida da rede e consequentemente
economia de energia, entretanto, há
que se assegurar que não contribua
com quantidades significativas de
componentes harmônicas na rede de
alimentação,
comprometendo
a
qualidade de energia e reduzindo os
benefícios alcançados com esse tipo de
iluminação.
Os resultados obtidos nos leva a uma
preocupação quanto ao futuro, com relação a
crescente utilização de equipamentos, que solicitam
correntes com formas de onda não senoidais, em
instalações rurais.
Desta forma, recomenda-se, num curto
espaço de tempo, a elaboração de normas e
recomendações
a
nível
nacional
para
eletrodomésticos, bem como para lâmpadas de
descarga, para que os mesmos obedeçam um limite
de 5% na distorção harmônica total (THD) da sua
corrente de operação, respeitando, também a nova
regulamentação de fator de potência.
PALAVRAS CHAVES
Qualidade
de
energia,
eletrificação rural, redes rurais
harmônicas,
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao Sr. Marco Antônio Rossi,
desenhista do Departamento de Engenharia Elétrica
pela sua contribuição na elaboração deste artigo.
REFERÊNCIAS
[1] MURPHY H.G. - Power quality and the AFD
overwiew.
http://www.execpc.com/~hgmurphy/PW
RQUAL.HTM . 1998.5p.
[2] RASHID M. H. - Power Electronics: circuits,
devices and aplicattions. 2ª Ed. Prentice Hall Inc.
New Jersey. 1993. 701p
[3] IEEE - 519 - Guide for appling harmonic limits
on power systems. Institute of Electrical and
Eletronics Engineers, Inc. New York. 1996. 79p.
[4] WILLIS H. L. - Power Distribution Planning
Reference Book. ABB Power T&D Company
INC. Cary, North Carolina. Marcel Dekker, Inc.
New York.1997.812p
[5] ARSENEAU R.; HEYDT G. T.; KEMPKER
M.J. - Application of IEEE Standard 519-1992
Harmonics Limits for Revenue Billing Meters.
IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 12,
Nº 1, January 1997. 346-353p
[6] KASSICK E. V. - Harmônicas em sistemas
industriais de baixa tensão. INEP. Instituto de
Eletrônica de Potência. Departamento de
Engenharia Elétrica. Universidade Federal de
Santa Catarina. Florianópolis. SC. 1998. 126p.