NP-EN 50160
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Electrónica e Automatismo, Lda Universidade Algarve I.S.E. – Dep. Engenharia Eletrotécnica Jornadas Técnicas de Eletrotecnia Aspetos Gerais da Qualidade de Energia 7 de Novembro de 2012 José Caçote [email protected] 09-11-2012 Conteúdos Electrónica e Automatismo, Lda Normas internacionais NP EN50160 Aplicações Casos práticos 09-11-2012 Normas Internacionais Electrónica e Automatismo, Lda Normas IEEE IEEE 1159 – Definições e guia IEEE 1459 – Técnico – desequilíbrio, harmónicas IEEE 519 – Limites das harmónicas 09-11-2012 Normas Internacionais Electrónica e Automatismo, Lda • • • • SEMI F47, SEMI E6 – semicondutores ANSI (American National Standards Institute) CE and RoHS – Comunidade europeia CBEMA, ITIC… • IEC 61010 – Segurança em equipamentos • IEC 61000 series – compatibilidade entre a carga e a rede • IEC 61000-4-30 – metodos de medida PQ 09-11-2012 Electrónica e Automatismo, Lda Normas aplicáveis à qualidade de energia A energia elétrica é um produto e, tal como todos os produtos, deve satisfazer determinados requisitos e padrões de qualidade. Para um equipamento funcionar corretamente, deverá ser-lhe fornecida uma tensão que seja enquadrada nos requisitos do equipamento. A maior parte dos equipamentos utilizados hoje em dia, especialmente dispositivos com eletrónica, requerem uma boa qualidade de energia. Os . próprios equipamentos de uma instalação causam distorção da onda de tensão devido às suas caracteristicas não lineares, isto é, introduzem na instalação correntes não sinusoidais que interferem com a onda de tensão De forma a manter uma qualidade de energia satisfatória, a responsabilidade deverá ser repartida pelo fornecedor de energia e pelo utilizador. 09-11-2012 Electrónica e Automatismo, Lda Normas aplicáveis à qualidade de energia A norma NP EN 50160 é a versão portuguesa da norma Europeia EN 50160: 1994. Tem por objetivo definir e descrever os valores que caracterizam a tensão de alimentação, tais como: • Frequência • Amplitude • Forma de onda • Simetria das tensões trifásicas 09-11-2012 Normas aplicáveis à qualidade de energia NP-EN 50160 Características da tensão fornecida pela redes geral de distribuição 09-11-2012 -7- NP-EN 50160 Introdução Frequência Amplitude Simetria Forma de onda Indica os limites ou valores das características da tensão que todos os clientes têm de esperar… 09-11-2012 -8- NP-EN 50160 Características da alimentação em baixa tensão Perturbação Frequência Variações da tensão Variações rápidas da tensão Medida Limites Média da frequência de cada ciclo durante 10 s Média da VAC de cada ciclo durante 10 min. Número de eventos tipo escalão de tensão até 10% de UN ±1% +4%/-6% ±10% +10%/-15% Indicação 1 Plt (2 horas) <1 Cavas de tensão Número de eventos (com U < 0,9UN) Indicação 2 Interrupções curtas da tensão Número de eventos (com U <0,01UN e t < 3 min.) Indicação 3 Interrupções longas da tensão Número de eventos (com U <0,01UN e t > 3 min.) Indicação 4 Sobretensões (50 Hz) Número de eventos (com U>1,1UN e t>10 ms) Indicação 5 Sobretensões transitórias Número de eventos (com U>1,1UN e t<10 ms) Indicação 6 Severidade da tremulação Desequilíbrio da tensão Tensão harmónica Tensão interharmónica Transmissão de sinais 09-11-2012 Média de Uinv/Udir de cada ciclo durante 10 min. Para cada harmónica i, média da U i/UN em cada ciclo durante 10 min. Média do THD da tensão referenciada a UN em cada ciclo durante 10 min. Por estudar Tensão eficaz do sinal transmitido médio em 3 s -9- Percentagem de medidas dentro de limites durante o intervalo 99,5% ano 100,0% 95% cada semana 100,0% Intervalos de avaliação cada semana 95% ano <2% Ver tabela 1 cada semana 95% <8% Ver gráfico 1 cada día 99% NP-EN 50160 Características da alimentação em baixa tensão Nº 09-11-2012 Indicação 1 Escalões de 5% de UN são normais. Escalões de 10% de UN podem-se produzir várias vezes ao dia. 2 De 10 a 1.000. A maioria duram menos de 1s e têm uma profundidade inferior a 60% de UN 3 De 10 a 1.000. 70% das interrupções duram menos de 1 s 4 De 10 a 50 5 Normalmente não ultrapassam 1,5 kV AC 6 Normalmente não ultrapassam 6 kV de crista - 10 - NP-EN 50160 Exemplos de limites na NP-EN 50160 2.1 Variações do fornecimento da tensão • Para cada período de uma semana, 95% dos valores eficazes da tensão médios de 10 minutos devem situar-se no intervalo Un ± 10% • Para todos os períodos de 10 min, todos os valores médios de valor eficaz da tensão devem situar-se no intervalo Un +10%/-15% 09-11-2012 - 11 - NP-EN 50160 t = 5 min Exemplos de limites A B 95% 95% 230 V 95% 5% • Durante o tempo T: - 100% das medidas dentro do limite A - 95% das medidas dentro do limite B 0% • Logo a soma dos tempos ti em que o registo excede o limite B (sem exceder nunca o A), não pode ser superior a 95% de T T = 100 min ≈ 1,6 horas 09-11-2012 - 12 - NP-EN 50160 Sistemas de ligação 09-11-2012 - 13 - Perturbações de energia Electrónica e Automatismo, Lda Sintomas • Falhas de energia • Disparo de disjuntores e diferenciais • Súbito aumento da fatura de energia sem causa aparente • Tremulação das lâmpadas • Aquecimento de equipamentos e funcionamento ruidoso • Falhas de equipamentos • Baixa de rendimento e paralisações inesperadas • Perdas de dados em dispositivos eletrónicos (K) Descargas atmosféricas Impedância das linhas 09-11-2012 Cargas Utilizadores Perturbações de energia Electrónica e Automatismo, Lda Causas • • • • • • • • Cavas de tensão Interrupções momentâneas Sobretensões Variações de frequência Transitórios Distorção harmónica Flicker Oscilações de tensão 09-11-2012 Perturbações de energia Electrónica e Automatismo, Lda O que provoca as falhas? Bugs de Software? Ligações incorretas? Erros humanos? Temperatura? Humidade? Falhas de alimentação? Etc.. EtcK Ou será deficiência na tensão de alimentação? É NECESSÁRIO MEDIR E VERIFICAR!! 09-11-2012 Perturbações de energia Electrónica e Automatismo, Lda Como Eliminar as falhas? Regulador de tensão? UPS? Estabilizador de tensão? Transformador de isolamento? Transformador com fator K? Efetuar testes e certificações? Blindagem? Etc.. EtcK É NECESSÁRIO MEDIR E VERIFICAR!! 09-11-2012 Perturbações de energia Electrónica e Automatismo, Lda A quem atribuir responsabilidade pelas falhas? Fornecedor de energia? Própria instalação? Problema local? Falhas dos equipamentos? Cabos soltos? Curto-circuitos? Erros humanos? Temperatura? Humidade? É NECESSÁRIO MEDIR E VERIFICAR!! 09-11-2012 Perturbações de energia Electrónica e Automatismo, Lda Porque não se resolvem os problemas de qualidade de energia? Porque estes são provocados por falhas e acidentesK 09-11-2012 Perturbações de energia Electrónica e Automatismo, Lda E vão sempre existir falhas e acidentesK 09-11-2012 Perturbações de energia Electrónica e Automatismo, Lda Os custos de uma má qualidade de energia podem se bastante significativos Produção: Cada vez que a produção é interrompida, os produtos não são fabricados; não podem ser vendidos – Perdas de proveitos Danos no produto: Interrupções podem causar danos parciais ou completos nos produtos correspondendo a prejuízos. Custos com a energia: Os fornecedores de energia cobram por baixos fatores de potência e altos valores de pico. Manutenção: Falhas prematuras nos equipamentos causam alocação de recursos incorrendo em custos na resolução dos problemas e restauro de produção. Impacto de mercado: Os custos de uma má imagem devido a atrasos de entrega de um produto ou má qualidade dos mesmos podem ser significativos. 09-11-2012 Perturbações de energia Electrónica e Automatismo, Lda Porque necessito de um equipamento com grande precisão? • Poupança de energia de +/-5% Um erro de 1% corresponde a 20% do valor de poupança! • Energia “limpa” – A precisão da medida é um fator fundamental. 09-11-2012 Perturbações de energia Electrónica e Automatismo, Lda Porque necessito de um equipamento com grande precisão? 61000-4-30 - Classe A é importante! 2 instrumentos ligados ao mesmo sinal devem devolver o mesmo resultado! 09-11-2012 Perturbações de energia Electrónica e Automatismo, Lda Formas de medir 09-11-2012 Aplicações PQube Electrónica e Automatismo, Lda Equipamentos industriais - O tamanho e o preço são perfeitamente adequados para instalação diretamente nos quadros. - Retorno do investimento de curta duração devido aos serviços ou danos evitados. - Monitorização de energia – Definição de estatísticas, falhas de motoresK - Fácil instalação sem necessidade de software, com ou sem rede de comunicação 09-11-2012 Aplicações PQube Electrónica e Automatismo, Lda Equipamentos medicina – Perfeito para equipamentos de grande sensibilidade Hospitais e clínicas – Deteta qualquer perturbação que possa afetar o correto funcionamento de cargas sensíveis Parques eólicos – Ligação direta a 690V; Monitoriza a estabilidade da rede AC e do barramento DC Parques fotovoltaicos – Monitorização dos dois lados do inversor; Fornece dados de compatibilidade de rede Telecom e datacenters – Ligação direta à rede AC ou a 48VDC; Medição T e RH; Transportes – Monitoriza problemas de harmónicas dos retificadores; ideal para discussão de dados junto do fornecedor de energia; Vasta gama de frequências para geradores dos navios 09-11-2012 Aplicações PQube Electrónica e Automatismo, Lda Aeroportos – Redução de chamadas de manutenção Bases militares ou embaixadas – Relatórios de consumos e qualidade de energia em qualquer língua Universidades - Captura de qualquer perturbação de rede; Dados detalhados e estatísticas de dezenas de parâmetros em ficheiro CSV adequado para programas de análise Laboratórios – Monitorização de parâmetros que podem danificar equipamentos de grande sensibilidade Plataformas Off Shore – Monitorização do funcionamento de geradores, UPS ou quadros de alimentação de cargas sensíveis Indústria – Monitorização da alimentação das salas de controlo Estações de tratamento – Controlo da energia para garantir o funcionamento doas bombas, variadores de velocidade, etcK 09-11-2012 Electrónica e Automatismo, Lda O que distingue o PQube? • Sem necessidade de software. Sem licenças. Totalmente aberto – Para utilizar o PQube apenas necessita de um editor de texto, browser da web ou um programa como o excell. • Fácil de compreender – Olhando para a informação disponibilizada pelo PQube não necessita de perder muito tempo para aprender acerca do PQube para ver o que quer. • Uptadtes de firmware grátis – De tempos em tempos são oferecidas actualizações para adicionar ao seu PQube algumas funcionalidades. Totalmente gratuitas. • Trabalha por si – Para utilizar o PQube apenas necessita de o ligar à rede e começará a gravar imediatamente. • Funciona com ou sem rede – Caso tenha rede Ethernet pode utilizar o módulo opcional ETH1 e receba e-mails quando ocorra um evento, procure os eventos gravados e analise as tendências. Caso não tenha rede Ethernet, o PQube grava todos os eventos em cartão SD. 09-11-2012 Electrónica e Automatismo, Lda O que distingue o PQube? • Armazena anos de dados – O PQube inclui um cartão SD de 4GB com o qual é possível gravar aproximadamente 3 anos de dados • Tamanho compacto – O PQube tem dimensões reduzidas o que permite uma fácil integração nos quadros eléctricos. • Baixo custo – A Power Standards Lab, apresentam-se como especialistas em sensores de potência para edifícios. Sabem como fazer bons produtos a baixo custo para o utilizador. • Ferramenta global – Qualidade de energia, cavas, sobretensões, variações de frequência, impulsos a alta frequência, energia activa, energia aparente, carbono. Dados diários, semanais e mensais. Vários equipamentos num só. 09-11-2012 PQube Electrónica e Automatismo, Lda 09-11-2012 Variações de tensão Electrónica e Automatismo, Lda Tensão rms [%] UN Sobretensão 110% 100% 90% Cava Interrupções Interrupção de curta duração 10 ms 09-11-2012 1s 1 min Interrupção longa duração 3 min 1h t 1% 0% Variações de tensão Electrónica e Automatismo, Lda Cava de tensão Duração: 0.542 seg Profundidade: 66,77 % 09-11-2012 Variações de tensão Electrónica e Automatismo, Lda Sobretensão Duração: 0.020 seg Amplitude: 117,45% 09-11-2012 Flicker - Tremulação Electrónica e Automatismo, Lda Flicker is the effect produced on the visual human perception by a changing emission of light by lamps subjected to fluctuations of their supply voltage. Modulação 8,4Hz 50 Hz (CEI 6100061000-4-15) Pst : Curta duração duração(10 (10 min) Plt : Longa duração duração(2 (2 hrs hrs)) 09-11-2012 Electrónica e Automatismo, Lda Variações de tensão – Case study Problema: Queixas acerca de tremulação da iluminação num resort de ski É feita uma análise da onda de tensão que aparentemente não apresenta anomalias É contactado o fornecedor de energia que efetua uma análise no ponto de entrega O ponto de entrega é ao fundo da colina e não no edifício 09-11-2012 Electrónica e Automatismo, Lda Variações de tensão – Case study Problema: A medição revelou algumas cavas sem significado com profundidade bastante baixa e não frequentes. Verificou-se a existência de picos de corrente coincidentes com as cavas. O problema estaria no interior do resort. É feita uma análise da qualidade da onda de tensão. 09-11-2012 Electrónica e Automatismo, Lda Variações de tensão – Case study • Foi feita uma medição no circuito de iluminação (1) onde forma encontradas cavas de 5 V bem como de corrente. • Efetuou-se uma medição similar na alimentação do quadro (2) onde se verificou um problema similar. • Foi efetuada a medição na fritadeira (3) onde se verificaram as cavas de tensão acompanhadas com aumentos de corrente. Foi encontrada a origem do problema. 09-11-2012 37 Electrónica e Automatismo, Lda Variações de tensão – Case study Solução: A fritadeira foi alimentada a partir de uma alimentação independente tendose resolvido o problema O problema era devido ao longo cabo entre a alimentação e a fritadeira As cavas são provocadas pelas cargas elevadas e pelos valores de impedância elevados 09-11-2012 Harmónicas Electrónica e Automatismo, Lda Fourier Onda distorcida fbase=50 Hz Amplitudine Tbase=20 ms Traçando as magnitudes de cada harmónica no eixo do yy e as frequências no eixo dos xx, obtemos o espectro harmónico 1 2 3 4 5 6... ordem C1 09-11-2012 C2 C3 C4 C5 Harmónicas Electrónica e Automatismo, Lda Características • As harmónicas são caracterizadas pela sua ordem, frequência, fase e sequência. • A fase da harmónica é relacionada com a fundamental. • O valor da THDv, incluindo harmónicas até à ordem 40 não deve exceder os 8%. Ordem 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Frequência (Hz) 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Sequência + - 0 + - 0 + - 0 09-11-2012 Harmónicas Electrónica e Automatismo, Lda Sequências positivas, negativas e zero Sequencia Rotação Efeitos Positiva Frente Aquecimento de condutores, disjuntores, etcJ Negativa Inversa Aquecimento como na anterior + problemas nos motores Zero - Aquecimento e correntes de neutro Efeitos das sequências das harmónicas F 2ª 3ª 4ª 5ª 6ª 7ª 8ª 9ª Frequência 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Sequência + - 0 + - 0 + - 0 09-11-2012 Harmónicas Electrónica e Automatismo, Lda Efeito pelicular I • 1 A de corrente de uma harmónica de ordem n gera calor n2 vezes maior do que a mesma corrente à frequência fundamental. 09-11-2012 Harmónicas Electrónica e Automatismo, Lda • Motores alimentados a partir de tensões distorcidas irão aquecer. • Harmónicas de sequência negativa reduzem a eficiência mecânica dos motores uma vez que tentam forçar o motor a girar ao contrário. A energia contida nestas harmónicas é dissipada sob calor provocando envelhecimento precoce. • Aquecimento em transformadores poderá ser provocado pelo efeito pelicular! Nota: As classificações de transformadores e geradores são baseadas no calor provocado pelas correntes de uma carga sinusoidal 09-11-2012 Harmónicas Electrónica e Automatismo, Lda • Disjuntores operam conforme a temperatura a menos que incluam um dispositivo magnético. É o aquecimento do disjuntor devido à corrente que faz o disjuntor atuar . • Quando as proteções estão sujeitas a cargas com harmónicas poderão não funcionar corretamente. • A definição de ressonância é quando as reatâncias capacitivas igualam as reatâncias . Equação da frequência de ressonância: 1 fr = 2π LC • As características de um circuito de ressonância LC é que amplifica as correntes cujas frequências coincidem com as frequências de ressonância. • Condensadores não geram harmónicas mas geram circuitos ressonantes com as cargas indutivas da instalação. 09-11-2012 Harmónicas – Case study Electrónica e Automatismo, Lda Fábrica de componentes plásticos - Cenário Como os técnicos desta fábrica aprenderam a baixar as correntes de neutro. Uma empresa de plásticos recentemente adicionou uma área de processamento de encomendas. A empresa utiliza computadores e pequenas máquinas de transporte. As máquinas em questão têm controladores monofásicos e movimentam-se por ação de pequenos motores trifásicos. Após adicionarem uma nova máquina, começaram a verificar-se disparos intempestivos devido a cavas de tensão. O quadro de alimentação aqueceu. 09-11-2012 Harmónicas – Case study Electrónica e Automatismo, Lda Fábrica de componentes plásticos - Ações Foi efetuada uma verificação da onda de tensão que se verificou ser de forma achatada no topo bem como uma THD de 13%. A maior parte da distorção é na harmónica de 3ª ordem. Através de uma analisador de energia foi efetuado um estudo ao quadro de alimentação Confirmou-se que a fase R e S apresentam uma distorção bastante elevada bem como correntes de neutro anormalmente elevadas. 09-11-2012 Harmónicas – Case study Electrónica e Automatismo, Lda Fábrica de componentes plásticos - Soluções Foram equilibradas as fases do quadro de alimentação do processamento de encomendas Foram substituídos os controladores monofásicos por trifásicos Manteve-se alguma distorção harmónica mas muito abaixo do medido na 3ª harmónica e menos corrente de neutro 09-11-2012 Harmónicas – Case study Electrónica e Automatismo, Lda Outras soluções para harmónicas •Substituição dos transformadores por transformadores fator k •Redução de carga nos transformadores sobreaquecidos •Recablar ou redistribuir cargas de forma a reduzir as impedâncias e isolar cargas não lineares •Filtros passivos •Filtros ativos •Condutores de maior secção terão menor impedância. Menor preponência para distorção da onda de tensão •Aumentar a secção do condutor de neutro 09-11-2012 Harmónicas – Case study Electrónica e Automatismo, Lda Numa instalação a 3 ou 4 fios, as harmónicas triplas (sequência zero) vão ser refletidas no condutor de neutro. Este facto acontece em todas as harmónicas múltiplas de 3 incluindo a 6ª, 9ª, 12ª, 15ª As harmónicas múltiplas de 3 encontram-se em fase com a fundamental criando desequilíbrio 09-11-2012 400 300 200 100 0 -100 0 -200 -300 -400 400 300 200 100 0 -100 0 -200 -300 -400 400 300 200 100 0 -100 0 -200 -300 -400 90 180 270 360 90 180 270 360 90 180 49 270 360 Harmónicas – Case study Electrónica e Automatismo, Lda Fábrica de componentes plásticos - Soluções As distorções harmónicas podem causar: Correntes altas nos condutores de neutro Aquecimento de motores e transformadores provocando o seu envelhecimento precoce Aumento da probabilidade de ocorrência de cavas de tensão podendo originar resets de equipamentos Redução da eficiência dos transformadores e motores Vibração e ruido nos cabos 09-11-2012 Harmónicas – Case study Electrónica e Automatismo, Lda 09-11-2012 Electrónica e Automatismo, Lda 09-11-2012 Harmónicas – Case study Desequilíbrio Electrónica e Automatismo, Lda L1 L2 L1 L3 L3 UL3 120º 120º UL1 50 Hz 120º UL2 Tensões desequilibradas 09-11-2012 - Diferente magnitude - Ângulo de fase ≠ 120º Desequilíbrio Electrónica e Automatismo, Lda •Funcionamento deficiente de sistemas de correção de fator de potência Causas •Fornecimento de energia desiquilibrado ou instável •Transformadores subdimensionados. •Cargas monofásicas mal distribuidas •Defeitos fase/fase oufase/terra •Motores não poderão produzir o seu máximo torque, o seu alinhamento poderá ser afetado. Efeitos •Estator e rotor excessivamente aquecidos levando ao envelhecimento precoce . •A capacidade de operação dos transformadores e linhas é reduzida devido às componentes harmónicas de sequência negativa. 09-11-2012 Electrónica e Automatismo, Lda Desequilíbrio – Case study Cenário Numa operação de manutenção, foi descoberto um problema • Durante um procedimento de manutenção foi descoberto um cabo quente no circuito de alimentação das bombas • Os cabos alimentam tanto os motores mais antigos como os mais recentes arrancadores suaves • Tem sido efetuada uma substituição dos arrancadores antigos gradualmente • Não foram adicionados novos motores 09-11-2012 Electrónica e Automatismo, Lda Desequilíbrio – Case study • Foi efetuada uma verificação do desequilíbrio onde se verificou que o mesmo se encontra dentro dos limites. • Verificou-se que a 5ª harmónica apresentava um valor de cerca de 14%. • Verificou-se que um sistema antigo de correção de fator de potência foi ligado por engano. • Os condensadores for a ligados quando todos os motores utilizavam arrancadores suaves. • Os condensadores causam ressonância aproximadamente na 5ª harmónica • Foi substituída a bateria de condensadores por uma com filtro e o problema foi resolvido. 09-11-2012 Electrónica e Automatismo, Lda 09-11-2012 Desequilíbrio – Case study Electrónica e Automatismo, Lda Aplicações Diagramas de cargas Aplicações: Auditorias energéticas, verificação de consumos, alocação de custos, eficiência dos processos 09-11-2012 Electrónica e Automatismo, Lda 09-11-2012 Aplicações Diagrama fasorial Electrónica e Automatismo, Lda Aplicações Gráficos de Tendências Aplicações: Comportamento dos transformadores e dos cabos, estudo das reservas disponíveis, determinação da origem das perturbações 09-11-2012 Electrónica e Automatismo, Lda Aplicações Análise harmónica Aplicações: Comportamento dos transformadores e dos cabos, dimensionamento baterias factor de potência, diagnóstico avarias 09-11-2012 Electrónica e Automatismo, Lda Aplicações Forma de onda e transitórios Aplicações: Diagnóstico avarias, detecção de problemas na instalação eléctrica 09-11-2012 Soluções Fluke Equipamentos monofásicos Com ecrã FLUKE 43B FLUKE 345 Sem ecrã FLUKE VR1710 09-11-2012 Prestações - 63 - Soluções Fluke Equipamentos trifásicos Sem ecrã FLUKE 1740 FLUKE 1760 Com ecrã FLUKE 1735 09-11-2012 FLUKE 434 - 64 - FLUKE 435 Prestações Electrónica e Automatismo, Lda As Nossas Referências Sistemas de Monitorização da Qualidade da Energia - QWebReport® EDP Distribuição EDP Serviços Electricidade dos Açores Rede Eléctrica Nacional – REN Electricidade da Madeira 09-11-2012 Fim Electrónica e Automatismo, Lda Muito Obrigado! QEnergia - Sistemas para Qualidade e Gestão de Energia, Lda. Centro Empresarial S. Sebastião, R. São Sebastião, Lt.11, nº10, Albarraque 2635-448 Rio de Mouro - Portugal Tel.: +351 214 309 320 Fax: +351 214 309 299 e-mail: [email protected] www.qenergia.pt 09-11-2012
