2. energia elétrica

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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA – CARACTERIZAÇÃO E
SIMULAÇÃO
Área de Engenharia Elétrica da Universidade São Francisco, Campinas - SP
por
Leandro Augusto Simari Ferreira
Geraldo Peres Caixeta, Doutor
Orientador
Campinas (SP), Junho de 2008
UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA – CARACTERIZAÇÃO E
SIMULAÇÃO
Área de Engenharia Elétrica da Universidade São Francisco, Campinas - SP
por
Leandro Augusto Simari Ferreira
Relatório apresentado a Banca Examinadora do
Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia
Elétrica para análise e aprovação.
Orientador: Geraldo Peres Caixeta, Doutor
Campinas (SP), Junho de 2008
ii
SUMÁRIO
LISTA DE AREVIATURAS.......................................................……………........ v
LISTA DE FIGURAS.......................................................................…………....... vi
LISTA DE TABELAS.................................................................……………....... vii
LISTA DE EQUAÇÕES ............................................................……………...... viii
RESUMO.…................................................................................................…………...…. ix
ABSTRACT.......................................................................……………..........................…. x
1. INTRODUÇÃO.........................................................……….............................. 1
1.1. Objetivos …....................................................................................................... 1
1.1.1. Objetivo Geral................................................................................................. 1
1.1.2. Objetivos Específicos...................................................................................... 2
1.2. Metodologia ……............................................................................................... 2
1.3. Estrutura do trabalho …………...................................................................... 2
2. ENERGIA ELÉTRICA.............................................……………....................... 3
2.1. O fornecimento de energia elétrica ……………………................................. 3
2.2. Qualidade de energia ........................................................................................ 4
2.3. O controle da qualidade de energia .................................................................7
2.3.1. Continuidade de fornecimento .................................................................... 8
3. PERFIL DOS DISTÚRBIOS ...............................................………................ 12
3.1. Causas dos distúrbios ………......................................................................... 12
3.1.1. Tipos de distúrbios .....………………………………................................. 13
3.2. Transitórios ....................................................................…............................. 15
3.2.1. Transitório impulsivo .................................................................................. 15
3.2.2. Transitório oscilatório ................................................................................. 18
3.3. Variações de longa duração na tensão ……………………………...……... 21
3.3.1. Sobretensão ……......................................................................................... 21
3.3.2. Subtensão ………………….......................................................................... 22
3.3.3. Interrupções sustentadas ............................................................................ 25
3.4. Variações de tensão de curta duração........................................................... 26
3.4.1. Interrupções de curta duração ................................................................... 27
3.4.2.Afundamentos de tensão ………………….................................................. 29
3.4.3. Elevação de tensão ……………................................................................... 30
3.5. Desequilíbrio de tensão …….......................................................................... 32
3.6. Distorção da forma de onda ........................................................................... 35
3.6.1. Nível CC ……………………………............................................................ 35
3.6.2. Harmônicos …………….............................................................................. 35
3.6.3. Interharmônicos .......................................................................................... 43
3.6.4. Notching ……………………....................................................................... 43
3.6.5. Ruídos …………........................................................................................... 44
3.7. Flutuação de tensão …………….................................................................... 44
iii
3.8. Variações na frequência do sistema .............................................................. 47
3.9. Resumo dos distúrbios ................................................................................... 47
4. SIMULAÇÃO ..……………………………...................................................... 49
4.1. Introdução ……………................................................................................... 49
4.2. Statcom ………................................................................................................ 50
4.3. Filtro ativo ………………............................................................................... 51
4.3.1. Filtro ativo paralelo ……………………..................................................... 52
4.3.2. Filtro ativo série …....................................................................................... 52
4.3.3. Filtro ativo série/paralelo ............................................................................ 53
4.4. Caso simulado ……………………………………………………...……….. 54
4.5. Conclusão …………………………………………………………...………. 57
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS …………............................................................ 58
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ….………............................................... 59
iv
LISTA DE ABREVIATURAS
QE
ANEEL
DNAEE
STATCOM
UPS
HVDC
Qualidade da energia
Agencia Nacional de Energia Elétrica
Departamento Nacional de Águas e Energia Elétrica
Compensador estático
Uninterruptible power supply
High Voltage Direct
v
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Fornecimento de energia ................................................................................................. 3
Figura 2.2 - Crescimento da potência instalada .................................................................................. 7
Figura 2.3 - Custo estimado em interrupções ..................................................................................... 7
Figura 3.1 - Corrente transitória impulsiva oriunda de uma descarga atmosférica .......................... 17
Figura 3.2 - Corrente proveniente de um banco de capaciotores ..................................................... 18
Figura 3.3 - Transitório oscilatório de baixa frequência causado pelo fenômeno da ferroressonância
em um transformador a vazio ........................................................................................................... 19
Figura 3.4 - Circuito equivalente para o estudo das tensões transitórias de restabelecimento quando
da eliminação de uma falta ............................................................................................................... 20
Figura 3.5 - Sobretensão decorrente da eliminação de uma falta .................................................... 20
Figura 3.6 - Perfil de tensão ao longo de um alimentador em função do fator de potência ............ 23
Figura 3.7 - Potência consumida por uma lâmpadfa de 100W para diferentes valores de tensão ... 24
Figura 3.8 -Elevação de corrente num motor de indução de 5CV em função da tensão de
alimentação ....................................................................................................................................... 24
Figura 3.9 - Interrupção momentânea devido a um curto-circuito e subseqüente religamento ....... 27
Figura 3.10 - Seqüência de manobras efetuadas por dispositivos automáticos de proteção ........... 28
Figura 3.11 - Diagrama unifilar de um sistema de distribuição ....................................................... 29
Figura 3.12 - Afundamento de tensão causado por uma falta fase-terra ......................................... 30
Figura 3.13 - Elevação de tensão devido a uma falta fase-terra ...................................................... 31
Figura 3.14 - Resposta do motor a alimentação desequilibrada ...................................................... 33
Figura 3.15 - Retificados alimentado por tensões equilibradas e desequilibradas .......................... 34
Figura 3.16 - Tensão de alimentação de um conversor CA/CC ..................................................... 36
Figura 3.17 - Vida útil de um transformador em função da distorção harmônica de corrente ........ 40
Figura 3.18 - Perdas elétricas de um motor de indução trifásico em função da distorção total de
tensão ................................................................................................................................................ 41
Figura 3.19 - Oscilação de tensão oriundas da operação de um laminador ..................................... 45
Figura 3.20 - Motor submetido a tensões oscilantes ........................................................................ 46
Figura 3.21 - Limites da percepção visual para flutuações de tensão associadas a ondas senoidais e
quadradas .......................................................................................................................................... 46
Figura 4.1 - Circuito com filtro ativo STATCOM............................................................................ 50
Figura 4.2 - Configuração básica do STATCOM ............................................................................ 51
Figura 4.3 - Filtro ativo paralelo ...................................................................................................... 52
Figura 4.4 - Filtro ativo série ........................................................................................................... 53
Figura 4.5 - Filtro ativo série/paralelo ............................................................................................. 54
Figura 4.6 - Simulação com filtro ativo desligado .......................................................................... 55
Figura 4.7 - Simulação com filtro ativo entrando em ação ............................................................. 55
Figura 4.8 - Gráfico da simulação com filtro ativo desligado ........................................................ 56
Figura 4.9 - Gráfico da simulação com filtro ativo em ação .......................................................... 56
vi
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Categoria de classificação dos Distúrbios........................................................................14
Tabela 2 - Classes e características típicas de fenômenos eletromagnéticos ................................... 15
vii
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 - Queda de tensão por fase ............................................................................................. 22
Equação 2 - Distorção harmônica total para tensão ........................................................................ 37
Equação 3 - Distorção harmônica total para corrente....................................................................... 37
Equação 4 - Distorção harmônica individual para tensão................................................................ 37
Equação 5 - Distorção harmônica individual para corrente............................................................. 37
Equação 6 - Nível de distorção de tensão ........................................................................................ 40
Equação 7 - Perdas Joulicas .................................... ....................................................................... 40
Equação 8 - Nível de tensão admissível ( a plena carga) ................................................................ 41
Equação 9 - Nível de tensão admissível ( a vazio) ........................................................................... 41
Equação 10 - Grau de imunidade aos harmônicos .( motores de indução ) ..................................... 42
Equação 10 - Grau de imunidade aos harmônicos ( máquinas síncronas )....................................... 43
viii
RESUMO
FERREIRA, Leandro A., Qualidade de energia elétrica – Caracterização e Simulação. Campinas,
2008. 59pgs., Universidade São Francisco,Campinas, 2008.
O termo Qualidade de Energia se refere a Qualidade da tensão e corrente nas instalações
elétricas, e representa hoje a mais importante prioridade da industria. É imprescindível que nos
processos, em particular nas plantas industriais, a operação aconteça sem nenhuma interrupção visto
que o alto nível de produtividade é um fator importante a ser alcançado.
Entre os problemas de qualidade de energia, comumente encontrados nas operações
industriais, estão incluídos transitórios (impulsivos, oscilatórios), variações de curta duração
(interrupção, afundamento/sag, elevação/swell), variações de longa duração (interrupção
permanente, subtensão, sobretensão), desequilíbrio de tensão, distorção da forma de onda
(harmônicas, ruídos, cortes de comutação, eventuais níveis cc, interharmônicas), flutuação de tensão
e variações de frequência da rede.
Este trabalho apresenta uma análise de caso em ambiente industrial, onde se procurou traçar
o perfil do comportamento das diversas cargas e conhecer a natureza de cada equipamento que
integra o sistema elétrico industrial para, em seguida, observar-se a rede de alta tensão.
Neste sentido, buscou-se implementar neste trabalho a classicação dos fenômenos de
distorção, que podem ter origem na concessionária de energia elétrica ou nos equipamentos da
industria, podendo haver também casos oriundos da interação de ambas.
Através desta avaliação do sistema industrial pode ser elaborada uma estratégia para evitar gastos e
melhorar a qualidade de energia.
Palavras-chave: Qualidade de Energia, Interrupção de energia. Distorção harmônica, Transitório
eletromagnético
ix
ABSTRACT
FERREIRA, Leandro A., Quality of electric energy applied the industry. Campinas, 2008. 59pgs.,
San Francisco University, Campinas, 2008.
The Power Quality term refers to the voltage and current quality in the electric facilities, and
nowadays it represents the one of the main priority of industry. It is indispensable that in the
processes, particularly in the industrial plants, the operation takes place without any interruption
since the high level of productivity is the most important subject to be reached.
In the Power Quality problems, commonly faced in the industrial operations, it can be
included transients (impulsive, oscillatory), short duration variations (interruption, sag, swell), long
duration variations (sustained interruptions, undervoltage, overvoltage ), voltage unbalances,
waveform distortions (harmonics, noise, notching, DC offset, interharmonics), voltage uctuations
and power frequency variations.
This work presents a case study about an industrial environment analysis, in which it is tried
to describe the electrical prole of several loads and to identify the nature of each equipment of the
industrial electrical system and later on, to observe the behavior at high tension system.
It is tried to implement in this work a classification of the distortion phenomena that can started on
the power utility or on the industry equipment or on both. Through this assessment of the industrial
system can be developed a strategy to avoid costs and improve quality of energy.
.
Keywords Quality of Energy, Interruption of energy. Harmonic distortion, Transitional
electromagnetic
x
1. INTRODUÇÃO
Qualidade de Energia Elétrica designa uma área de estudos pertinente aos Sistemas de
Energia Elétrica, que corresponde ao termo composto da língua inglesa "Power Quality ", e tem
sido usada para agregar em um único tema uma série de conceitos utilizados em engenharia elétrica.
Este tema vem sendo, em anos recentes, objeto de preocupação e de esforços coordenados de
diagnósticos e de análise para que se atinja o maior entendimento possível sobre o mesmo.
Protagonistas desta atitude têm sido, tanto concessionárias de energia elétrica, quanto grandes
consumidores, bem como universidades, centros de pesquisa e fabricantes de equipamentos.
Em face disso a matéria tem merecido ampla divulgação através de um número infindável
de artigos, informes técnicos e comentários em publicações nacionais e internacionais.
O estudo, a caracterização, a compreensão, em resumo, a abordagem de alguns dos
fenômenos que afetam a Qualidade de Energia Elétrica, já vinham apresentando avanços
significativos. Contudo, quase sempre foram tratados de forma independente e sem levar muito em
conta as inevitáveis inter-relações entre os sistemas supridor e consumidor. Por outro lado, restaram
ainda fenômenos que não foram analisados profundamente ou sob esta ótica unificadora.
Quando ocorre um fenômeno que afeta a qualidade de energia elétrica, surgem
inevitavelmente, até em seus aspectos mais primários, dificuldades, tais como: conceituação
apropriada, nomenclatura adequada, definição de assuntos pertinentes, simbologia padronizada,
regulamentação alicerçada, assim como os limites a serem observados para aferir a relevância de
um problema de qualidade de energia nos diferentes cenários que possam vir a interessar.
Em face do exposto, é natural e até imprescindível a priorização do tema, sobretudo em
projetos de novas unidades industriais, bem como nos de modernização das já existentes. Não
passíveis de serem alcançadas, quando fornecedor de energia, consumidor e fabricantes de
equipamentos conscientizam-se da necessidade de entendimento mútuo para tal.
1.1. Objetivos
1.1.1. Objetivo Geral
Este trabalho busca uma harmonia entre conservação de energia elétrica e qualidade de
energia elétrica, procurando-se entender claramente a definição de Qualidade de Energia Elétrica,
suas causas, problemas e soluções necessárias.
1
1.1.2. Objetivos Específicos
Seguido de uma breve explanação do assunto, com o intuito de nivelar o embasamento
teórico, a estrutura do documento procurar atender os seguintes objetivos:
•
Apresentar os conceitos e o perfil dos principais distúrbios da rede de energia e como
surgem esses distúrbios.
•
Analisar em um estudo de simulacão no software EMTDC/PSCAD. Analizando o
efeito que os disturbios causam a rede
1.2. Metodologia
O estudo teórico de qualidade de energia aplicada a industria, foi possível através de:
•
Pesquisa bibliográfica: foi necessário o embasamento em literaturas sobre qualidade
de energia.
•
Pesquisa webgráfica: boa parte de tudo o que foi estudado até o momento proveio de
sites da Internet, trabalhos científicos publicados, monografias, artigos etc.
•
Por fim o estudo de caso baseado em simulações.
1.3. Estrutura do trabalho
No capitulo 1 faz-se uma introdução ao trabalho, que desenvolve o estudo de qualidade de
energia, e os itens que caracterizam os problemas na rede de energia elétrica.
O capitulo 2, aborda o fornecimento de energia elétrica, o que é qualidade de energia elétrica
e o controle da qualidade de energia elétrica.
No capitulo 3, é apresentado o perfil dos distúrbios.
No capitulo 4, tem-se um estudo de caso com o auxilio do software EMTDC/PSCAD,
simulando problemas na rede de energia e analizando seus efeitos.
Finalmente no capitulo 5, tem-se as conclusões e perspectivas futuras.
2
2. ENERGIA ELÉTRICA
2.1. O fornecimento de energia elétrica
A energia elétrica é gerada instantaneamente e é transportada pela rede de linhas aéreas e/ou
de cabos subterrâneos até alcançar seus centros consumidores. A Figura 2.1 esquematiza de uma
forma simplificada todo este processo desde a sua fonte geradora (1), passando por uma subestação
de elevação da tensão (2), pelo seu transporte por longas linhas de transmissão (3) até uma outra
subestação (4), onde o nível de tensão é rebaixado. A subestação abaixadora então distribui a
energia através de linhas do sistema de distribuição (5), encarregam-se de direcionar a energia
elétrica até as residências, centros comerciais e industriais (6).
No entanto, para manter o nível de tensão dentro de certos limites operacionais aceitáveis,
tanto ao nível de transmissão como de distribuição, são necessárias medidas de controle e de
acompanhamento tanto dos órgãos de fiscalização como das concessionárias fornecedoras de
energia. Isto se deve ao fato de que, tanto os sistemas de distribuição como de transmissão estão
constantemente sujeitos a ocasionais variações de tensão. Estas variações, mesmo dentro de limites
pré-estabelecidos, podem causar operações incorretas de sensíveis equipamentos elétricos nos
diversos setores [4].
Figura 2.1- O fornecimento da energia [4]
Para avaliar o quanto um sistema está operando fora de suas condições normais, duas
grandezas elétricas básicas podem ser empregadas. São elas: a tensão e a freqüência. A freqüência
em um sistema interligado situa-se na faixa de 60 ± 0,5Hz. Por outro lado, em relação a tensão, três
aspectos principais devem ser observados:
•
Forma de onda, a qual deve ser o mais próximo possível de senóide;
3
•
Simetria do sistema elétrico e
•
Magnitudes das tensões dentro de limites aceitáveis.
Entretanto, existem alguns fenômenos, aleatórios ou intrínsecos, que ocorrem no sistema
elétrico fazendo com que os aspectos acima citados sofram alterações, deteriorando a qualidade do
fornecimento de energia elétrica. Dentre os fenômenos podemos citar: afundamentos e/ou elevações
de tensões, as interrupções, distorções harmônicas, flutuações de tensão, oscilações, ruídos,
sobretensões, subtensões, etc.
Para este contexto, cabe salientar que até bem pouco tempo atrás, a maioria dos
consumidores industriais entendia que gerenciar a energia elétrica significava controlar a demanda,
o fator de potência, e administrar os contratos junto a concessionária. Pouco se falava em
supervisão de grandezas como tensões, correntes, potências e muito menos, em distorções
harmônicas ou transientes. Por esta razão, as empresas que hoje pretendem apenas acompanhar a
tensão e a corrente em tempo real logo manifestarão uma grande preocupação com o número de
interrupções no fornecimento, e o tempo médio destas interrupções. Pouco tempo depois, estes
mesmos usuários desejarão acompanhar a forma de onda da tensão entregue pela concessionária, de
modo a analisar, por exemplo, transitórios, correntes harmônicas e afundamentos de tensão. No
entanto, esta almejada análise depende da definição apropriada de indicadores que representem o
desempenho dos serviços prestados pelas concessionárias envolvidas. No que segue, comentários
básicos que dizem respeito a uma “boa qualidade da energia” e sobre os índices de continuidade
associados ao assunto serão apresentados.
2.2. Qualidade de energia
Como são de conhecimento, as interrupções, que podem ser provocadas tanto por
fenômenos aleatórios como pela falta de manutenção preventiva dos sistemas elétricos, causam a
diminuição da produtividade dos consumidores ocasionando a interrupção na operação dos
equipamentos. Para o consumidor residencial, o que ele tem em mente como baixa qualidade da
energia elétrica é realmente a falta de energia [5]. Desde que essa falta não seja muito demorada,
não haverá grandes aborrecimentos ou mesmo perdas econômicas por parte do consumidor. Se
faltar tensão em sua casa durante três minutos, em princípio, não tem problema nenhum. Se faltar
durante três horas, passa a ser diferente. Para o consumidor industrial, no entanto, se faltar energia
durante meio segundo, a fábrica pára e o processo industrial tem que ser reiniciado, o que causa
grandes prejuízos financeiros.[3] Suponha que o processo seja a fabricação de tecido: a interrupção
4
momentânea de tensão pode partir os fios do tecido. Para reiniciar o processo, será preciso emendar
todos os fios que se partiram, e isso leva um certo tempo, com perda de produção. Se fosse um
processo de estamparia, por exemplo, o tecido seria refugado uma vez que a estampa ficaria fora
dos padrões. Nos processos de laminação de aço, quando as máquinas param, os operários têm que
"desentupir" o laminador, cortando os varões de aço com maçaricos, além de manipulá-los sob altas
temperaturas, etc. Como dado ilustrativo, constata-se pelos registros dos eventos, que uma
interrupção na energia elétrica ou uma queda de 30% na tensão fornecida por um curto período
pode zerar os controladores programáveis acarretando em inúmeras situações não desejáveis ao
sistema integrado.
Em virtude destas interrupções operacionais, destaca-se então, uma das principais razões
para os estudos relacionados a QE: o valor econômico. Sendo que há impactos econômicos
consideráveis nas companhias, em seus consumidores/clientes e fornecedores de equipamentos. No
ramo industrial, sente-se um impacto econômico direto já que, nos últimos tempos, houve uma
grande revitalização das indústrias com a automação e a inclusão de modernos equipamentos.
Tem-se então que, para se estabelecer padrões de qualidade adequados é necessário definir a
real expectativa dos consumidores, isto é, identificar o quanto a sociedade está disposta a pagar
pelos custos dos mesmos, pois a melhoria do nível de qualidade implica em aumento dos custos.
Cabe, para o momento, definirmos o que seria então um problema de QE.
Não existe uma convenção ou consenso sobre este conceito. Por causa da rápida evolução
dos sistemas nos últimos anos, este conceito também vem sofrendo alterações periodicamente. O
conceito de “Qualidade da Energia” está relacionado a um conjunto de alterações que podem
ocorrer no sistema elétrico. Entre muitos apontamentos da literatura, podemos então apresentar o
assunto como qualquer problema manifestado na tensão, corrente ou desvio de freqüência, que
resulta em falha ou má operação de equipamento dos consumidores. Tais alterações podem ocorrer
em várias partes do sistema de energia, seja nas instalações de consumidores ou no sistema supridor
da concessionária. Como causas mais comuns pode-se citar: perda de linha de transmissão, saída de
unidades geradoras, chaveamentos de bancos de capacitores, curto-circuito nos sistemas elétricos,
operação de cargas com características não-lineares, etc.
Quanto ao nível da QE requerido, este é que possibilita uma devida operação do
equipamento em determinado meio para o qual foi projetado. Usualmente, há padrão muito bem
definido de medidas para a tensão, de onde convencionalmente associa-se a QE a qualidade de
tensão, já que o fornecedor de energia pode somente controlar a qualidade da tensão, mas não tem
controle sobre a corrente que cargas particulares e ou específicas podem requerer. Portanto, o
5
padrão aceito com respeito a QE é direcionado a manter o fornecimento de tensão dentro de certos
limites.
No passado, os problemas causados pela má qualidade no fornecimento de energia não eram
tão expressivos, visto que, os equipamentos existentes eram pouco sensíveis aos efeitos dos
fenômenos ocorridos e não se tinham instalados, em grandes quantidades, dispositivos que
causavam a perda da qualidade da energia. Entretanto, com o desenvolvimento tecnológico,
principalmente da eletrônica de potência, consumidores e concessionárias de energia elétrica têm-se
preocupado muito com a qualidade da energia. Isto se justifica, principalmente, pelos seguintes
motivos [4]:
•
Os equipamentos hoje utilizados são mais sensíveis as variações na qualidade da
energia. Muitos deles possuem controles baseados em microprocessadores e
dispositivos eletrônicos sensíveis a muitos tipos de distúrbios;
•
crescente interesse pela racionalização e conservação da energia elétrica, com vistas
a otimizar a sua utilização, tem aumentado o uso de equipamentos que, em muitos
casos, aumentam os níveis de distorções harmônicas e podem levar o sistema a
condições de ressonância;
•
Maior conscientização dos consumidores em relação aos fenômenos ligados a
qualidade da energia, visto que aqueles, estão se tornando mais informados a respeito
de fenômenos como interrupções, subtensões, transitórios de chaveamentos, etc.,
passando a exigir que as concessionárias melhorem a qualidade da energia fornecida;
•
Integração dos processos, significando que a falha de qualquer componente tem
conseqüências muito mais importantes para o sistema elétrico;
•
As conseqüências da qualidade da energia sobre a vida útil dos componentes
elétricos.
A título de esclarecimento, a Figura 2.2 ilustra a capacidade de potência instalada e a
previsão de crescimento na capacidade instalada no Brasil, até o ano 2009.
6
Figura 2.2 - Crescimento da potência instalada [7]
Para exemplificar os impactos econômicos da qualidade da energia, a Figura 2.3 [8] mostra
os custos associados a interrupções elétricas de até 1 minuto para diferentes setores econômicos.
Figura 2.3 - Custo estimado - Interrupção de até 1 min
Dentro do exposto, fica evidente a importância de uma análise e diagnóstico da qualidade da
energia elétrica, no intuito de determinar as causas e as conseqüências dos distúrbios no sistema,
além de apresentar medidas técnicas e economicamente viáveis para solucionar o problema.
2.3. O controle da qualidade de energia elétrica
A qualidade do setor elétrico de distribuição em específico é a performance das
concessionárias no fornecimento de energia elétrica; seus parâmetros são: a conformidade, o
atendimento ao consumidor e a continuidade.
Esses parâmetros são pontos básicos para a definição dos diversos critérios de localização e
arranjo das subestações, de critérios de escolha dos materiais e equipamentos de controle e
proteção, regulação, e configuração da rede de distribuição.
7
A conformidade está relacionada com os fenômenos associados a forma de onda de tensão,
tais como: flutuações de tensão, distorções harmônicas e variações momentâneas de tensão.
O atendimento abrange a relação comercial existente entre as concessionárias e o consumidor,
considera a cortesia, o tempo de atendimento, as solicitações de serviços, o grau de presteza e o
respeito aos direitos do consumidor.
A continuidade corresponde ao grau de disponibilidade de energia elétrica ao consumidor. O
ideal é que não haja interrupção no fornecimento de energia elétrica, ou, se houver, que seja a
mínima possível e informada ao consumidor em tempo hábil, a fim de prevenir possíveis prejuízos
decorrentes da falta de energia. Dentre os parâmetros de qualidade podemos considerar a
continuidade o de maior relevância, porque afeta o cotidiano das pessoas e causa grandes
transtornos por comprometer serviços essenciais. [7]
2.3.1.
Continuidade de fornecimento
O controle da qualidade depende da definição apropriada de indicadores que representem o
desempenho dos serviços prestados pelas concessionárias de energia. No que se refere a
continuidade, os indicadores utilizados permitem o controle e monitoração do fornecimento de
energia elétrica, a comparação de valores constatados ao longo de períodos determinados e, a partir
de metas de qualidade definidas, a verificação do resultados atingidos .
Os indicadores, além de refletirem os níveis de qualidade, possibilitam a imposição de
limites aceitáveis de interrupção de fornecimento. Esses índices são ainda utilizados pelas
concessionárias de energia elétrica como valores de referência para os processos de decisão nas
etapas de planejamento, projeto, construção, operação e manutenção do sistema elétrico de
distribuição.
Em um contexto nacional, a ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) tem o papel de
promover a qualidade da energia, regulamentar os padrões e garantir o atendimento aos mesmos,
estimular melhorias, zelar direta e indiretamente pela observância da legislação, punir quando
necessário, e também definir os indicadores para acompanhamento do desempenho das
concessionárias. Cabe também ao órgão regulador estabelecer metas de melhoria de continuidade
mediante contratos e/ou negociação com as concessionárias.
A Portaria 046/78, do antigo DNAEE (Departamento Nacional de Águas e Energia Elétrica),
estabeleceu os primeiros dispositivos do controle da continuidade, os quais, com a evolução do
setor tornaram-se insuficientes. A implantação do novo modelo do setor elétrico configurou um
8
monopólio natural regulado no segmento de distribuição, reforçando ainda mais a necessidade de
apuração dos controles sobre a qualidade. A regulação pelo preço em vigor incentiva a assimetria de
informação, pois as concessionárias não têm estímulos para fornecer dados relativos aos seus
custos. Como o nível de qualidade implica em custos, a tendência das concessionárias é manter esse
nível no menor patamar possível, de modo a maximizar seus ganhos, correspondentes a margem
entre o preço do serviço e o custo. Esses fatos, aliados a evolução dos recursos tecnológicos,
tornaram imperativa a revisão desta portaria.
Com a finalidade de atingir este objetivo foi editada a Resolução no 024/2000 da ANEEL,
que introduziu novos avanços, e reformulou os procedimentos de controle de qualidade sobre os
aspectos da continuidade.
Entre as medidas mais significativas estão a criação de procedimentos auditáveis, a
uniformização do método de coleta de dados e registros dos mesmos, a forma de apresentação e a
periodicidade do envio destes a ANEEL, de modo a possibilitar a análise e acompanhamento dos
mesmos.
Outra melhoria foi a introdução dos indicadores individuais, que tornou possível a avaliação
das ocorrências de interrupção por unidade consumidora, o acompanhamento da agência reguladora
e também do próprio consumidor. Atualmente esses índices podem ser solicitados as
concessionárias. Entretanto, a partir de janeiro de 2005 tornou-se obrigatório a inclusão destes
dados na fatura.
A apuração dos dados de interrupção para os indicadores são realizadas com periodicidade
mensal, trimestral e anual.
Foram introduzidos novos critérios de formação de grupo de consumidores de características
semelhantes e contíguos, geralmente pertencentes a uma determinada área de uma concessionária,
que possibilitou o atendimento homogêneo. Esses conjuntos foram propostos pelas concessionárias
a ANEEL, que após análise e aprovação, gerou uma resolução específica para cada concessionária
com dados validados.
Na resolução, estabeleceram-se padrões de referência baseados no levantamento de dados
históricos de cada concessionária e a comparação destes entre as diversas empresas.
O desenvolvimento de técnicas de comparação de desempenho entre as empresas de
distribuição permitiu a formulação desses novos padrões e o estabelecimento de metas de melhoria
dos índices de continuidade.
As metas para os indicadores de continuidade individuais, coletivos (para cada conjunto de
unidades consumidoras), ou globais (para o total da concessionária) foram definidas através de
9
negociação entre as concessionárias e a ANEEL. Foram estabelecidas por concessionárias, com
base nos valores históricos dos indicadores para os agrupamentos de consumidores, na análise
comparativa de desempenho das empresas e nas metas de contratos de concessão, quando
existentes. Essas metas são possíveis de renegociação quando das revisões tarifárias.
Dos avanços obtidos pela resolução, podemos ainda ressaltar a exigência do envio dos
indicadores a ANEEL, a imposição de penalidade por descumprimento das metas, o
estabelecimento de prazos para o aviso de interrupção aos consumidores com a antecedência
necessária e a obrigatoriedade da informação dos indicadores na fatura. Também se determinou a
disponibilização do serviço de atendimento gratuito e permanente para o registro de reclamações
dos consumidores e as solicitações de providências para serviços emergenciais.
Os índices de continuidade adotados pelo órgão regulador são [7]:
•
Coletivos
a) DEC: Duração equivalente de interrupção por unidade consumidora
b) FEC: Freqüência equivalente de interrupção por unidade consumidora
•
Individuais
a) DIC: Duração de interrupção individual por unidade consumidora
b) FIC: Freqüência de interrupção individual por unidade consumidora
c) DMIC: Duração máxima de interrupção contínua por unidade consumidora.
Os indicadores coletivos são particularmente úteis a agência reguladora para atender suas
necessidades de avaliação das concessionárias, enquanto os individuais servem mais
especificamente ao interesse dos consumidores para avaliar o seu atendimento pela distribuidora.
Nas apurações dos indicadores acima todas as concessionárias devem considerar interrupções iguais
ou maiores que 3 (três) minutos, e quando já estiver previsto no contrato de concessão, apuração
com interrupções iguais ou maiores que 1 (um) minuto, será apurado das duas formas. A partir de
2005 todas as empresas deverão considerar somente as interrupções com intervalos iguais ou
10
maiores que 1 (um) minuto, isto permite uma adequação de todas as distribuidoras ao padrão único
de 1 (um) minuto no decorrer deste prazo, já que historicamente a maioria delas trabalhavam com
interrupções iguais ou maiores a 3 (três) minutos.
11
3. PERFIL DOS DISTÚRBIOS
3.1. Causas dos distúrbios
Alguns distúrbios relacionados a qualidade da energia originam-se do próprio sistema da
empresa. No entanto, as causas destes distúrbios estão, geralmente, além do controle das empresas.
Como por exemplo, ações provocadas pela ação da natureza como: relâmpagos, contato de galhos
de árvores, ventos fortes, contatos de animais, gelo, etc. Além destes, temos os eventos de causas
aleatórias como: atividades de construção, acidentes envolvendo veículos motores, falhas de
equipamentos. Somando-se ainda, as operações normais da empresa como chaveamentos, operações
com bancos de capacitores e atividades de manutenção também podem gerar situações que venham
a provocar determinados distúrbios sobre o sistema.
Para limitar estes tipos de distúrbios sobre o sistema a um menor número possível de
clientes, o sistema de distribuição das empresas emprega um considerável número de dispositivos
tais como circuitos disjuntores, circuitos automáticos de religamento, barramentos e seccionadores
para auxiliar no isolamento do defeito.
Uma grande percentagem dos distúrbios relacionados a qualidade da energia, na realidade,
originam-se, de uma maneira geral, de dentro das instalações industriais/comerciais. Dos distúrbios
originados de dentro das instalações dos usuários podemos destacar como principais fontes [6]:
a) nas instalações comerciais: os sistemas de aquecimento ou resfriamento de
motores;
elevadores;
refrigeradores, lâmpadas
fluorescentes;
condutores
inadequados e aterramentos impróprios; maquinário de escritório (copiadoras,
fax, impressoras a laser, etc.); circuitos sobrecarregados e interferência
magnética.
b) nas instalações industriais: reguladores de velocidade ajustável;capacitores para
correção do fator de potência; motores elétricos de grande porte; geradores de
emergência; condutores inadequados e aterramentos impróprios; circuitos
sobrecarregados e interferência magnética.
12
3.1.1. Tipos de distúrbios
Os distúrbios de energia podem ser originados tanto nos sistemas e /ou equipamentos das
empresas concessionárias como dos consumidores. Estes distúrbios podem ser classificados em
categorias que podem variar quanto ao efeito, duração e intensidade. A Tabela 1 que segue, ilustra
as categorias mais comuns dos distúrbios, suas causas e algumas soluções práticas [6].
Dentre as soluções, aparecerá a utilização do UPS, que é uma fonte de alimentação
ininterrupta, (Uninterruptible Power Supply) que entra em ação, alimentando os dispositivos a ele
ligado, quando há interrupção no fornecimento de energia.
13
Tabela 1 – Categoria de Classificação dos Distúrbios
Distúrbio
Interrupções
Transientes
Sag / Swell
Descrição
Interrupção total da
alimentação elétrica
Distúrbio na curva
senoidal, resultando
em rápido e agudo
aumento de tensão
Subtensões (sags) ou
sobretensões (swells)
curtas (meio ciclo até
3 segundos)
Sags respondem por
cerca de 87% de todos
os distúrbios elétricos
Ruídos
Harmônicos
Variações de
Tensão de Longa
Duração
Causas
Efeitos
Soluções
Curto-circuitos,
descargas
atmosféricas, e outros
acidentes que exijam
manobras precisas de
fusíveis, disjuntores,
etc.
Queda do sistema
UPS
Danificação de
componentes
Geradores de
emergência
(interrupções de
longa duração)
Descargas
atmosféricas
Travamento, perda de
memória e erros de
processamento
Manobras da
concessionária
Perda de produção
Manobras de grandes
cargas e bancos de
capacitores
Queima de placas
eletrônicas,
danificação de
materiais de isolação e
de equipamentos
Queda/Partida de
grandes equipamentos
Perda de dados e erros
de processamento
Curto-circuitos
Desligamento de
equipamentos
Falha em
equipamentos ou
manobras da
concessionária
Sinal indesejado de
alta freqüência que
altera o padrão normal
de tensão (onda
senoidal)
Interferência de
estações de rádio e TV
Alteração do padrão
normal de tensão
(onda senoidal),
causada por
freqüências múltiplas
da fundamental (5060Hz)
UPS, Reatores
eletrônicos, inversores
de freqüência,
retificadores e outras
cargas não-lineares.
Variações de tensão
com duração acima de
1 minuto
Supressores de
transientes
UPS com
supressores de
transientes
Transformadores de
isolação
UPS
Reguladores de
tensão
Oscilações em
motores com redução
de vida útil
Travamentos, perda de
dados e erros de
processamento
UPS
Recepções distorcidas
(audio e video)
Filtros de linha
Sobreaquecimento de
cabos e equipamentos
Filtros de
harmônicas
Diminuição da
performance de
motores
Reatores de linha
Operação errônea de
disjuntores, relés e
fusíveis
Transformadores de
isolação
Equipamentos e fiação
sobrecarregados
Desligamento de
equipamentos
UPS
Utilização imprópria
de transformadores
Sobreaquecimento de
motores e lâmpadas
Fiação
subdimensionada ou
conexões mal feitas
Redução de vida útil
ou de eficiência dos
equipamentos
Operação de
equipamentos
eletrônicos
14
Transformadores de
isolação
Melhorias na fiação
e no aterramento
Verificar conexões
e fiações elétricas
Transferência de
equipamentos para
outros circuitos
A Tabela 2 mostra as categorias e características típicas de fenômenos eletromagnéticos que
contribuem para a perda da qualidade da energia em um determinado sistema elétrico. Grande parte
destes fenômenos já receberam comentários iniciais quando da apresentação da Tabela 1. Esta
Tabela (2) estará referenciada a todos os demais capítulos que dizem respeito a cada fenômeno em
específico. A mesma é uma síntese de todos os distúrbio que eventualmente possam a vir a ocorrer
sobre determinado sistema elétrico, trazendo as principais características pelas quais os fenômenos
são definidos.
Tabela 2 – Classes e Características típicas de fenômenos
eletromagnéticos nos Sistemas elétricos
15
3.2. Transitórios
O termo transitório tem sido aplicado a análise das variações do sistema de energia para
denotar um evento que é indesejável, mas momentâneo, em sua natureza. Ou ainda, entende-se por
transitórios eletromagnéticos as manifestações ou respostas elétricas locais ou nas adjacências,
oriundas de alterações súbitas nas condições operacionais de um sistema de energia elétrica.
Geralmente, a duração de um transitório é muito pequena, mas de grande importância, uma vez que
os equipamentos presentes nos sistemas elétricos estarão submetidos a grandes solicitações de
tensão e/ou corrente [6].
Os fenômenos transitórios podem ser classificados em dois grupos, os chamados transitórios
impulsivos, causados por descargas atmosféricas, e os transitórios oscilatórios, causados por
chaveamentos.
Oioioioi oioioi oioioioi oioioi oioioioi oioioi oioioioi oioioi oioioioi oioioi oioioio.
Subtítulo Nível 5
3.2.1. Transistório impulsivo
Um transitório impulsivo é uma súbita alteração não desejável no sistema, que se encontra
em condição de regime permanente, refletido nas formas de ondas da tensão e corrente, ou ambas,
sendo unidirecional na sua polaridade (primeiramente positivo ou negativo). Normalmente é
causado por descargas atmosféricas com freqüências bastante diferentes daquela da rede elétrica. A
Figura 3.1 ilustra uma corrente típica de um transitório impulsivo, oriundo de uma descarga
atmosférica.
Os transitórios impulsivos são normalmente caracterizados pelos seus tempos de aumento e
decaimento, os quais podem ser revelados pelo conteúdo espectral do sinal em análise. Como
exemplo, um transitório impulsivo 1,2x50-μs 2000-V nominalmente aumenta de zero até seu valor
de pico de 2000 V em 1,2 μs e decai a um valor médio do seu pico em 50 μs. Como anteriormente
citado, a causa mais comum de transitórios impulsivos é a descarga atmosférica. Devido a alta
freqüência do sinal resultante, a forma dos transitórios impulsivos pode ser alterada rapidamente
pelos componentes do circuito e apresentar características significantes quando observadas de
diferentes partes do sistema de energia.
16
Figura 3.1 – Corrente Transitória Impulsiva oriunda de uma descarga atmosférica
Por se tratarem de transitórios causados por descargas atmosféricas, é de fundamental
importância se observar qual o nível da tensão no ponto de ocorrência da descarga.
Em sistemas de distribuição o caminho mais provável para as descargas atmosféricas é
através de um condutor fase, no primário ou no secundário, causando altas sobretensões no sistema.
Uma descarga diretamente na fase geralmente causa “flashover” na linha próxima ao ponto de
incidência e pode gerar não somente um transitório impulsivo, mas também uma falta acompanhada
de afundamentos de curta duração e interrupções. Altas sobretensões transitórias podem também ser
geradas por descargas que fluem ao longo do condutor terra. Existem numerosos caminhos através
dos quais as correntes de descarga podem fluir pelo sistema de aterramento, tais como o terra do
primário, o terra do secundário e as estruturas do sistema de distribuição. Os principais problemas
de qualidade da energia causados por estas correntes no sistema de aterramento são os seguintes [6]:
•
Elevação do potencial do terra local, em relação a outros terras, em vários kV.
Equipamentos eletrônicos sensíveis que são conectados entre duas referências de
terra, tal como um computador conectado ao telefone através de um “modem”,
podem falhar quando submetidos aos altos níveis de tensão.
•
Indução de altas tensões nos condutores fase, quando as correntes passam pelos
cabos a caminho do terra.
Em se tratando de descargas em pontos de extra alta tensão, o surto se propaga ao longo da
linha em direção aos seus terminais podendo atingir os equipamentos instalados em subestações de
manobra ou abaixadoras. Entretanto, a onda de tensão ao percorrer a linha, desde o ponto de
incidência até as subestações abaixadoras para a tensão de distribuição, tem o seu valor de máximo
17
consideravelmente atenuado, e assim, consumidores ligados na baixa tensão não sentirão os efeitos
advindos de descargas atmosféricas ocorridas a nível de transmissão. Contudo, os consumidores
atendidos em tensão de transmissão e supostamente localizados nas proximidades do ponto de
descarga, estarão sujeitos a tais efeitos, podendo ocorrer a danificação de alguns equipamentos de
suas respectivas instalações.
3.2.2. Transistório oscilatório
Também como para o caso anterior, um transitório oscilatório é uma súbita alteração não
desejável da condição de regime permanente da tensão, corrente ou ambas, onde as mesmas
incluem valores de polaridade positivos ou negativos. É caracterizado pelo seu conteúdo espectral
(freqüência predominante), duração e magnitude da tensão (Tabela 2). Estes transitórios são
decorrentes da energização de linhas, corte de corrente indutiva, eliminação de faltas, chaveamento
de bancos de capacitores e transformadores, etc..
Um transitório com um componente de freqüência primário menor do que 5 kHz, e uma
duração de 0,3 a 50 ms, é considerado um transitório oscilatório de baixa freqüência. Estes
transitórios são freqüentemente encontrados nos sistemas de subtransmissão e de distribuição das
concessionárias e são causados por vários tipos de eventos. O mais comum provem da energização
de uma banco de capacitores, que tipicamente resulta em uma tensão transitória oscilatória com
uma freqüência primária entre 300 e 900 Hz. O pico da magnitude pode alcançar 2,0 p.u., mas é
tipicamente 1,3 a 1,5 p.u. com uma duração entre 0,5 e 3 ciclos dependendo do amortecimento do
sistema. A Figura 3.2 ilustra o resultado da simulação da energização de um banco de 600 kVAr na
tensão de 13,8 kV.
Figura 3.2 – Transitório proveniente do chaveamento de um banco de capacitores
18
Transitórios oscilatórios com freqüências primárias menor do que 300 Hz também podem
ser encontrados em sistemas de distribuição. Estes são geralmente associados com a
ferroressonância e a energização de transformadores. Transitórios envolvendo capacitores em série
podem ser incluídos nesta categoria. Estes ocorrem quando o sistema responde pela ressonância
com componentes de baixa freqüência na corrente de magnetização do transformador (segunda e
terceira harmônica) ou quando condições não usuais resultam em ferroressonância.
Oscilações de ferroressonância podem aparecer no TPC devido a possibilidade de uma
capacitância entrar em ressonância com algum valor particular de indutância dos componentes que
contem núcleo de ferro. Esta situação não é desejável no caso dos TPCs, uma vez que informações
indesejáveis poderiam ser transferidas aos relés e aos instrumentos de medição.
A Figura 3.3 ilustra o fenômeno da ferroressonância envolvendo um transformador a vazio.
Figura 3.3 – Transitório oscilatório de baixa frequência causado pelo fenômeno da ferroressonância em um
transformador a vazio
Um transitório com componentes de freqüência entre 5 e 500 kHz, com uma duração medida
em microssegundos (ou vários ciclos da freqüência principal), é referenciado como transitório
oscilatório de média freqüência. Estes podem ser causados pelo chaveamento de disjuntores para a
eliminação de faltas e podem também ser o resultado de uma resposta do sistema á um transitório
impulsivo. A título de ilustração, toma-se como referência as Figuras 3.4 e 3.5, as quais ilustram um
circuito equivalente para o estudo de tensões transitórias de restabelecimento (TRV) e a resposta do
sistema a operação do disjuntor respectivamente.
19
Figura 3.4 – Circuito equivalente para o estudo das tensões transitorias de restabelecimento quando da eliminação de
um falta
Figura 3.5 – Sobretensão decorrente da eliminação de uma falta
Transitórios oscilatórios com um componente de freqüência maior do que 500 kHz e com
uma duração típica medida em microssegundos (ou vários ciclos da freqüência principal) são
considerados transitórios oscilatórios de alta freqüência. Estes transitórios são freqüentemente
resultados de uma resposta local do sistema a um impulso transitório. Podem ser causados por
descargas atmosféricas ou por chaveamento de circuitos indutivos.
A desenergização de cargas indutivas pode gerar impulsos de alta freqüência. Apesar de
serem de curta duração, estes transitórios podem interferir na operação de cargas eletrônicas. Filtros
de alta-frequência e transformadores isoladores podem ser usados para proteger as cargas contra
este tipo de transitório.
Considerando o crescente emprego de capacitores pelas concessionárias para a manutenção dos
níveis de tensão, e pelas indústrias com vistas a correção do fator de potência, tem-se tido uma
preocupação especial no que se refere a possibilidade de se estabelecer uma condição de
ressonância, devido as oscilações de altas freqüências, entre o sistema da concessionária e a
indústria, e assim ocorrer uma amplificação das tensões transitórias, bem superiores as citadas
anteriormente, podendo atingir níveis de 3 a 4 p.u.
20
Um procedimento comum para limitar a magnitude da tensão transitória é transformar os
bancos de capacitores do consumidor, utilizados para corrigir o fator de potência, em filtros
harmônicos. Uma indutância em série com o capacitor reduzirá a tensão transitória na barra do
consumidor a níveis aceitáveis. No sistema da concessionária, utiliza-se o chaveamento dos bancos
com resistores de préinserção.Com a entrada deste resistor no circuito, o primeiro pico do
transitório, o qual causa maiores prejuízos, é significativamente amortecido.
Conforme apresentado, algumas técnicas podem ser utilizadas na tentativa de se reduzir os
níveis dos transitórios causados seja por chaveamentos ou por descargas atmosféricas. Entretanto,
em alguns casos, como por exemplo, os transitórios oriundos de surtos de chaveamento em redes de
distribuição, podem ter seu grau de incidência e magnitudes reduzidas através de uma reavaliação
das filosofias de proteção e investimentos para melhorias nas redes. Esta última medida visa o
aumento da capacidade da rede, portanto, evitando que bancos de capacitors venham a ser exigidos
[6].
3.3. Variações de longa duração na tensão
Dos problemas relacionados as variações na tensão, citamos os efeitos de longa duração por
um período superior a 1 min, que podem ser caracterizados como desvios que ocorrem no valor
eficaz da tensão, na freqüência do sistema. Estas variações podem estar associadas a sobre ou
subtensão e faltas sustentadas. No caso de sobre ou subtensão, geralmente, não resultam de falhas
do sistema, mas são causadas por variações na carga e ou operações de chaveamento sobre o
mesmo.
3.3.1. Sobretensão
Podemos designar uma sobretensão como sendo um aumento no valor eficaz da tensão CA,
maior do que 110% (valores típicos entre 1,1 e 1,2 p.u.) na freqüência do sistema, por uma duração
maior do que 1 min (Tabela 2). Sobretensões, usualmente resultam do desligamento de grandes
cargas ou energização de um banco de capacitores. Taps dos transformadores incorretamente
conectados também podem resultar em sobretensões no sistema.
Geralmente, são instalados nas indústrias bancos de capacitores, normalmente fixos, para
correção do fator de potência ou mesmo para elevação da tensão nos circuitos internos da
instalação. Nos horários de pico, quando há grandes solicitações de carga, o reativo fornecido por
estes bancos é desejável. Entretanto, no horário fora de pico, principalmente no período noturno,
21
tem-se um excesso de reativo injetado no sistema, o qual se manifesta por uma elevação da tensão.
Com relação as conseqüências das sobretensões de longa duração, estas podem resultar em falha
dos equipamentos. Os dispositivos eletrônicos podem sofrer danos durante condições de
sobretensões, embora transformadores, cabos, disjuntores, TCs, TPs e máquinas rotativas,
geralmente, não apresentam falhas imediatas. Entretanto, tais equipamentos, quando submetidos a
repetidas sobretensões, poderão ter as suas vidas úteis reduzidas. Relés de proteção também
poderão apresentar falhas de operação durante as sobretensões. Uma observação importante, diz
respeito a potência reativa fornecida pelos bancos de capacitores, que aumentará com o quadrado da
tensão, durante uma condição de sobretensão.
Dentre algumas opções para a solução de tais problemas, destaca-se a troca de bancos de
capacitores fixos por bancos automáticos, tanto em sistemas das concessionárias como em sistemas
industriais, possibilitando um maior controle do nível da tensão e a instalação de compensadores
estáticos de reativos.
3.3.2. Subtensão
Já a subtensão apresenta características opostas, sendo que agora, um decréscimo no valor
eficaz da tensão AC para menos de 90% na freqüência do sistema, também com uma duração
superior a 1 min, é caracterizado (Tabela 1).
As subtensões são decorrentes, principalmente, do carregamento excessivo de circuitos
alimentadores, os quais são submetidos a determinados níveis de corrente que, interagindo com a
impedância da rede, dão origem a quedas de tensão acentuadas. Outros fatores que contribuem para
as subtensões são: a conexão de cargas a rede elétrica, o desligamento de bancos de capacitores e,
conseqüentemente, o excesso de reativo transportado pelos circuitos de distribuição, o que limita a
capacidade do sistema no fornecimento de potência ativa e ao mesmo tempo eleva a queda de
tensão.
A queda de tensão por fase é função da corrente de carga, do fator de potência e dos
parâmetros R e X da rede, sendo obtidos através da equação (1) [6].
ΔV = Ι ( R cos φ + Xsen φ )
Onde:
ΔV - queda de tensão por fase;
I - corrente da rede;
R - resistência por fase da rede;
22
(1)
X - reatância por fase da rede;
cosφ - fator de potência.
A partir da equação (1) pode-se concluir que aqueles consumidores mais distantes da
subestação estarão submetidos a menores níveis de tensão. Além disso, quanto menor for o fator de
potência, maiores serão as perdas reativas na distribuição, aumentando a queda de tensão no
sistema.
Para evidenciar a influência do fator de potência na tensão, a Figura 3.6 ilustra o perfil de
tensão ao longo de um alimentador.
Dentre os problemas causados por subtensões de longa duração, destacam-se:
Redução da potência reativa fornecida por bancos de capacitores ao sistema;
Possível interrupção da operação de equipamentos eletrônicos, tais como computadores e
controladores eletrônicos;
•
Redução de índice de iluminamento para os circuitos de iluminação incandescente,
conforme ilustra a Figura 3.7;
•
Elevação do tempo de partida das máquinas de indução, o que contribui para a
elevação de temperatura dos enrolamentos e
•
Aumento nos valores das correntes do estator de um motor de indução quando
alimentado por uma tensão inferior a nominal, como mostra a Figura 3.8.
Desta forma tem-se um sobreaquecimento da máquina, o que certamente reduzirá a
expectativa de vida útil da mesma.
Figura 3.6 – Perfil de tensão ao longo de um alimentador em função do fator de potência
23
Figura 3.7 – Potência consumida por uma lâmpada incandedescente de 100W para diferentes
valores de tensão
Figura 3.8 – Elevação de corrente num motor de indução de 5CV em função da tensão de alimentação
Para minimizar estes problemas, as medidas corretivas geralmente envolvem uma
compensação da impedância Z, ou a compensação da queda de tensão IR + jIX, causada pela
impedância.
As opções para o melhoramento da regulação de tensão são:
•
instalar reguladores de tensão para elevar o nível da tensão;
•
instalar capacitores “shunt” para reduzir a corrente do circuito;
•
instalar capacitores série para cancelar a queda de tensão indutiva (IX);
•
instalar cabos com bitolas maiores para reduzir a impedância Z;
•
mudar o transformador de serviço para um de capacidade maior reduzindo assim a
impedância Z; e
•
instalar compensadores estáticos de reativos, os quais tem os mesmos objetivos que
os capacitores, para mudanças bruscas de cargas.
Existe uma variedade de dispositivos usados para regulação de tensão. Tais dispositivos são
tipicamente divididos em três classes:
24
•
Transformadores de tap variável: Existem transformadores de tap variável com
acionamento
mecânico
ou
eletrônico.
A
maioria
destes
são
do
tipo
autotransformador, embora existam numerosas aplicações de transformadores de
dois e três enrolamentos com comutadores de tap. Os do tipo mecânico são para
cargas que variam lentamente, enquanto que os eletrônicos podem responder
rapidamente as mudanças de tensão.
•
Dispositivos de isolação com reguladores de tensão independentes: Dispositivos de
isolação incluem sistemas UPS (Uninterruptible Power Supply), transformadores
ferroressonantes (tensão constante), conjuntos M-G, etc. Estes são equipamentos que
isolam a carga da fonte de suprimento através de algum método de conversão de
energia. Assim, a saída do dispositivo pode ser separadamente regulada e manter
constante a tensão, desprezando as variações provenientes da fonte principal.
•
Dispositivos de compensação de impedância: Capacitores “shunt” ajudam a manter a
tensão pela redução da corrente de linha ou através da compensação de circuitos
indutivos. Estes capacitores podem ser fixos ou chaveados dependendo do tipo e da
necessidade do sistema. Capacitores em série são relativamente raros, mas são muito
úteis em algumas cargas impulsivas como britadeiras, etc. Estes capacitores
compensam grande parte da indutância dos sistemas. Se o sistema é altamente
indutivo, a impedância é significativamente reduzida. Se o sistema não é altamente
indutivo, mas tem uma alta proporção de resistência, os capacitores série não serão
muito efetivos. Compensadores estáticos de reativos podem ser aplicados tanto em
sistemas das concessionárias como industriais. Eles ajudam a regular a tensão pela
rápida resposta ao suprir ou consumir energia reativa. Existem três tipos principais
de compensadores estáticos: o reator controlado a tiristor, o capacitor chaveado a
tiristor e o reator a núcleo saturado. Estes equipamentos são muito usados em cargas
geradoras de oscilações (flicker), tais como fornos a arco e em outras cargas que
variam randomicamente.
3.3.3. Interrupções sustentadas
Quando o fornecimento de tensão permanece em zero por um período de tempo que excede
1 min, a variação de tensão de longa duração é considerada como uma interrupção sustentada. As
interrupções maiores do que 1 mim são geralmente permanentes e requerem intervenção humana
para reparar e retornar o sistema a operação normal no fornecimento de energia (Tabela 2).
25
As interrupções sustentadas podem ocorrer de forma inesperada ou de forma planejada. A
maioria delas ocorre inesperadamente e as principais causas são falhas nos disjuntores, queima de
fusíveis; falha de componentes de circuito alimentador, etc. Já as interrupções planejadas são feitas
geralmente para executar manutenção na rede, ou seja, serviços como troca de cabos e postes,
mudança do tap do transformador, alteração dos ajustes de equipamentos de proteção, etc.
Seja a interrupção de natureza sustentada ou inesperada, o sistema elétrico deve ser
projetado e operado de forma a garantir que:
•
número de interrupções seja mínimo;
•
uma interrupção dure o mínimo possível e
•
número de consumidores afetados seja pequeno.
Ao ocorrer uma falta de caráter permanente, o dispositivo de proteção do alimentador
principal executa 3 ou 4 operações na tentativa de se restabelecer o sistema, até que o bloqueio
definitivo seja efetuado. A duração desta interrupção pode atingir de vários minutos a horas (em
média 2 horas), dependendo do local da falta, do tipo de defeito na rede e também da
operacionalidade da equipe de manutenção. Em redes aéreas, a localização do defeito não demora
muito tempo, ao passo que em redes subterrâneas necessita-se de um tempo considerável, o que
contribui para o comprometimento da qualidade do fornecimento. Entretanto, a probabilidade de
ocorrer uma falta em redes subterrâneas é muito menor do que em redes aéreas.
A conseqüência de uma interrupção sustentada é o desligamento dos equipamentos, exceto
para aquelas cargas protegidas por sistemas “no-breaks” ou por outras formas de armazenamento de
energia. Como já foi colocado anteriormente, no caso de interrupções de curta duração, o
desligamento de equipamentos acarreta grandes prejuízos as indústrias. No caso de interrupção
sustentada o prejuízo é ainda maior, visto que o tempo de duração da interrupção é muito grande,
comparado com o da interrupção de curta duração, retardando a retomada do processo produtivo.
3.4. Variações de tensão de curta duração
Estas variações podem ser designadas como instantâneas (afundamentos e elevações de 0,5 a
30 ciclos), momentâneas (interrupções de 0,5 a 3 s e afundamentos/elevações de 30 ciclos a 3 s), ou
temporárias (interrupções e afundamentos/elevações de 3 s a 1 min), conforme definido na Tabela
2. Variações de tensão de curta duração são causadas por condições de faltas, energização de
grandes cargas que requerem altas correntes de partida, ou a perda intermitente de conexões nos
cabos do sistema. Dependendo da localização da falta e das condições do sistema, a falta pode ou
26
causar um decréscimo da tensão (afundamento) ou um aumento da tensão (elevação), ou ainda, a
completa perda da tensão (interrupção). A condição de falta pode estar próxima ou longe do ponto
de interesse. Em ambos os casos, o impacto da tensão durante a condição de falta, é uma variação
de curta duração até que os dispositivos de proteção operem para limpar a falta
3.4.1. Interrupções de curta duração
Uma interrupção ocorre quando o fornecimento de tensão ou corrente de carga decresce para
um valor menor do que 0,1 p.u. por um período de tempo que não excede 1 mim.
As interrupções podem ser resultantes de faltas no sistema de energia, falhas nos
equipamentos e mal funcionamento de sistemas de controle. As interrupções são medidas pela sua
duração desde que a magnitude da tensão é sempre menor do que 10% da nominal. A duração de
uma interrupção, devido a uma falta sobre o sistema da concessionária, é determinado pelo tempo
de operação dos dispositivos de proteção empregados. Religadores programados para operar
instantaneamente, geralmente, limitam a interrupção a tempos inferiores a 30 ciclos. Religadores
temporizados podem originar interrupções momentâneas ou temporárias, dependendo da escolha
das curvas de operação do equipamento. A duração de uma interrupção devido ao mal
funcionamento de equipamentos é irregular.
Algumas interrupções podem ser precedidas por um afundamento de tensão, quando estas
são devidas a faltas no sistema supridor. O afundamento ocorre no período de tempo entre o início
de uma falta e a operação do dispositivo de proteção do sistema [6]. A Figura 3.9 mostra uma
interrupção momentânea devido a um curto-circuito, sendo precedida por um afundamento.
Observa-se que a tensão cai para um valor de 20%, com duração de 3 ciclos e, logo após, ocorre a
perda total do suprimento por um período de 1,8 s até a atuação do religador.
Figura 3.9 – Interrupção momentânea devido a um curto-circuito e subsequente religamento
27
Seja, por exemplo, o caso de um curto-circuito no sistema supridor da concessionária. Logo
que o dispositivo de proteção detecta a corrente de curtocircuito, ele comanda a desenergização da
linha com vistas a eliminar a corrente de falta. Somente após um curto intervalo de tempo, o
religamento automático do disjuntor ou religador é efetuado. Entretanto, pode ocorrer que, após o
religamento, o curto persista e uma seqüência de religamentos pode ser efetuada com o intuito de
eliminar a falta. A Figura 3.10 ilustra uma seqüência de religamentos com valores típicos de ajustes
do atraso.
Figura 3.10 – Sequência de manobras efetuadas por dispositivos automáticos de proteção
Sendo a falta de caráter temporário, o equipamento de proteção não completará a seqüência
de operações programadas e o fornecimento de energia não é interrompido. Assim, grande parte dos
consumidores, principalmente em áreas residenciais, não sentirão os efeitos da interrupção. Porém,
algumas cargas mais sensíveis do tipo computadores e outras cargas eletrônicas estarão sujeitas a
tais efeitos, a menos que a instalação seja dotada de unidades UPS (Uninterruptible Power Supply),
as quais evitarão maiores conseqüências na operação destes equipamentos, na eventualidade de uma
interrupção de curta duração.
Alguns dados estatísticos revelam que 75% das faltas em redes aéreas são de natureza
temporária. No passado, este percentual não era considerado preocupante. Entretanto, com o
crescente emprego de cargas eletrônicas, como inversores, computadores, videocassetes, etc., este
número passou a ser relevante nos estudos de otimização do sistema, pois é, agora, tido como
responsável pela saída de operação de diversos equipamentos, interrompendo o processo produtivo
e causando enormes prejuízos as indústrias [2].
Atentos a este problema, algumas concessionárias têm mudado a filosofia de proteção com o
objetivo de diminuir o número de consumidores afetados pelas interrupções. Na filosofia de
28
proteção coordenada, o dispositivo de proteção do alimentador principal, seja o religador ou o
disjuntor, sempre opera uma ou duas vezes antes da operação do dispositivo oposto, geralmente, um
fusível. Como pode ser observado na Figura 3.11, nesta filosofia, todos os consumidores do
alimentador sentiriam as curtas interrupções, fazendo aumentar o índice de freqüência de
interrupção por consumidor (FEC), o qual é monitorado pelas concessionárias.
Figura 3.11 – Diagrama unifilar de um sistema de distribuição, nova filosofia de proteção
3.4.2. Afundamento de tensão
Dependendo da localização da falta e das condições do sistema, a falta pode causar um
decréscimo temporário de 10-90% no valor eficaz da tensão do sistema (0,1 e 0,9 p.u., na
freqüência fundamental), podendo permanecer por um período de meio ciclo até 1 min (Tabela 2).
Afundamentos de tensão são usualmente associados á faltas no sistema (curtos-circuitos ocorridos
nas redes de distribuição), mas podem também ser causados pela energização de grandes cargas ou
a partida de grandes motores e pela corrente de magnetização de um transformador.
Dependendo da sua duração estes eventos podem estar associados a três categorias, sendo
estas: instantâneas, momentâneas e temporárias, as quais coincidem com as três categorias das
interrupções e elevações já comentadas. Estes tempos de permanência sobre o sistema
correspondem aos tempos de operação típicos dos dispositivos de proteção das concessionárias, tão
bem como as divisões recomendadas pelas organizações técnicas internacionais.
A Figura 3.12 ilustra uma subtensão de curta duração típica, causada por uma falta faseterra. Observa-se um decréscimo de 80% na tensão por um período de aproximadamente 3 ciclos,
até que o equipamento de proteção da subestação opere e elimine a corrente de falta [6]. Neste caso,
de acordo com a Tabela 2, a subtensão é de caráter instantâneo. Entretanto, as características e o
número de subtensões diante de uma determinada falta dependem de vários fatores como: a
natureza da falta, sua posição relativa a outros consumidores ligados na rede e o tipo de filosofia de
proteção adotada no sistema.
29
Figura 3.12 – Afundamento de tensão causado por uma falsa fase-terra.
Nesta situação, observa-se a concessionária afetando os consumidores. Porém, pode ocorrer
uma situação em que o curto-circuito se localize dentro de uma instalação industrial ou comercial e,
desta forma, venha a causar subtensões em consumidores localizados em outros pontos da rede.
Ressalta-se que, neste caso, as quedas de tensão são de níveis menores devido a impedância do
transformador de entrada que limita a corrente de curto-circuito. Acrescenta-se ainda que, em
transformadores de conexão Δ-Y, a corrente de seqüência zero, oriunda de faltas assimétricas, é
eliminada do circuito.
Como efeito destes distúrbios tem-se, principalmente, a má operação de equipamentos
eletrônicos, em especial os computadores, que tem sido alvo de preocupações em órgãos de
pesquisa em qualidade da energia. Entretanto, determinar os níveis de sensibilidade de tais
equipamentos torna-se uma tarefa difícil, devido ao grande número de medições necessárias para a
coleta de dados, e ainda, as dificuldades de se ter equipamentos de medição em condições reais de
campo.
3.4.3. Elevação de tensão
Outro distúrbio pode ser caracterizado por um aumento da tensão eficaz do sistema
(aumento este entre 10-80% da tensão, na freqüência da rede, com duração de meio ciclo a 1 min,
Tabela 2) ocorrendo freqüentemente nas fases sãs de um circuito trifásico, quando da ocorrência de
um curto circuito em uma única fase. O termo sobretensão momentânea é empregado por vários
autores como sinônimo para o termo “elevação de tensão” [6].
30
Como para o item anterior, elevações são usualmente associadas á condições de faltas no
sistema, mas não são tão comuns como afundamentos de tensão. Um meio ilustrativo de como uma
elevação pode ocorrer é do aumento temporário da tensão em fases não faltosas durante uma falta
envolvendo uma fase com conexão a terra. A Figura 3.13 ilustra uma elevação de tensão causada
por uma falta fase-terra. Este fenômeno pode também estar associado a saída de grandes blocos de
cargas ou a energização de grandes bancos de capacitores, porém, com uma incidência pequena se
comparada com as sobretensões provenientes de faltas fase-terra nas redes de transmissão e
distribuição.
As elevações são caracterizadas pela sua magnitude (valor eficaz) e duração. A severidade
deste distúrbio durante uma condição de falta é uma função da localização da falta, impedância do
sistema e do aterramento. Em um sistema não aterrado com impedância de seqüência zero infinita,
as tensões fase á terra das fases não aterradas serão 1,73 por unidade durante uma condição de falta
envolvendo uma fase com conexão á terra. Próxima a subestação em um sistema aterrado, haverá
um pequeno ou nenhum aumento nas fases não faltosas porque o transformador da subestação é
usualmente conectado em delta-estrela, provendo um baixo caminho de impedância de seqüência
zero para a corrente de falta.
A duração da elevação está intimamente ligada aos ajustes dos dispositivos de proteção, a
natureza da falta (permanente ou temporária) e a sua localização na rede elétrica. Em situações de
elevações oriundas de saídas de grandes cargas ou energização de grandes bancos capacitores, o
tempo de duração das elevações depende do tempo de resposta dos dispositivos reguladores de
tensão das unidades geradoras, do tempo de resposta dos transformadores de tap variável e da
atuação dos dispositivos compensadores de reativos e síncronos em sistemas de potência e
compensadores síncronos que porventura existam.
Figura 3.13 – Elevação de tensão devido a uma falta fase- terra
31
Como conseqüência das elevações de curta duração em equipamentos, podese citar falhas
dos componentes, dependendo da freqüência de ocorrência do distúrbio. Dispositivos eletrônicos
incluindo ASDs (Adjustable Speed Drivers), computadores e controladores eletrônicos, podem
apresentar falhas imediatas durante estas condições. Contudo, transformadores, cabos, barramentos,
dispositivos de chaveamento, TPs, TCs e máquinas rotativas podem ter a vida útil reduzida. Um
aumento de curta duração na tensão em alguns relés pode resultar em má operação enquanto outros
podem não ser afetados. Uma elevação de tensão em um banco de capacitores pode,
freqüentemente, causar danos no equipamento. Aparelhos de iluminação podem ter um aumento da
luminosidade durante uma elevação.
Dispositivos de proteção contra surto como um circuito de fixação da amplitude (clamping
circuit) podem ser destruídos quando submetidos a elevações que excedam suas taxas de MCOV
(Maximum Continuous Operating Voltage). Dentro do exposto, a preocupação principal recai sobre
os equipamentos eletrônicos, uma vez que estas elevações podem vir a danificar os componentes
internos destes equipamentos, conduzindo-os a má operação, ou em casos extremos, a completa
inutilização. Vale ressaltar mais uma vez que, a suportabilidade de um equipamento não depende
apenas da magnitude da elevação, mas também do seu período de duração.
3.5. Desequilíbrio de tensão
Desequilíbrio de tensão é muitas vezes definido como o desvio máximo dos valores médios
das tensões ou correntes trifásicas, dividido pela média dos mesmos valores, expresso em
percentagem. O desequilíbrio também pode ser definido usando-se a teoria de componentes
simétricos. A razão entre os componentes ou de seqüência negativo ou zero, com o componente de
seqüência positivo pode ser usado para especificar a percentagem do desequilíbrio.
As origens destes desequilíbrios estão geralmente nos sistemas de distribuição, os quais
possuem cargas monofásicas distribuídas inadequadamente, fazendo surgir no circuito tensões de
seqüência negativa. Este problema se agrava quando consumidores alimentados de forma trifásica
possuem uma má distribuição de carga em seus circuitos internos, impondo correntes
desequilibradas no circuito da concessionária. Tensões desequilibradas podem também ser o
resultado da queima de fusíveis em uma fase de um banco de capacitores trifásicos.
Tais fatores fazem com que a qualidade no fornecimento de energia, idealizada pela
concessionária, seja prejudicada e desta forma alguns consumidores têm em suas alimentações um
desequilíbrio de tensão, o qual se manifesta sob três formas distintas [6]:
32
a) amplitudes diferentes;
b) assimetria nas fases; e
c) assimetria conjunta de amplitudes e fases.
Destas, apenas a primeira é freqüentemente evidenciada no sistema elétrico. A instalação
elétrica de um consumidor, sujeito a desequilíbrios de tensão, pode apresentar problemas
indesejáveis na operação de equipamentos, dentre os quais destacam-se:
a) Motores de Indução: Para as análises dos efeitos de tensões desequilibradas aplicadas a
um motor de indução, considera-se somente os efeitos produzidos pelas tensões de seqüência
negativa, somados aos resultados da tensão de seqüência positiva. Os efeitos das tensões e correntes
de seqüência zero não são comumente considerados, visto que a maioria dos motores não possui
caminho para a circulação destas correntes, seja pela conexão estrela isolada ou em delta destes
motores. Sabe-se que, quando tensões de seqüência negativa são aplicadas ao estator do motor,
surge um correspondente campo magnético que gira no sentido contrário ao campo da seqüência
positiva, ou seja, contrário ao sentido de rotação do rotor. Assim, tem-se estabelecido uma
indesejável interação entre os dois campos, o que resulta num conjugado pulsante no eixo da
máquina.
A Figura 3.14 ilustra a curva do conjugado desenvolvido por um motor de indução (20cv,
220V, Y), bem como a curva de conjugado de carga, quando alimentado por tensões
desequilibradas.
Figura 3.14 – Resposta do motor a alimentação desequilibrada.
33
b) Máquinas síncronas: Como no caso anterior, a corrente de seqüência negativa fluindo
através do estator de uma máquina síncrona, cria um campo magnético girante com velocidade
igual a do rotor, porém, no sentido contrário ao de rotação definido pela seqüência positiva.
Conseqüentemente, as tensões e correntes induzidas nos enrolamentos de campo, de amortecimento
e na superfície do ferro do rotor, terão uma freqüência igual a duas vezes a da rede. Tais correntes
aumentarão significativamente as perdas no rotor, principalmente no enrolamento de
amortecimento, que possui baixa impedância onde, conseqüentemente, a corrente será mais elevada.
No enrolamento de campo, estas correntes com freqüência duplicada distorcerão o campo
magnético produzido pela corrente de excitação que, por sua vez, deformará a forma de onda da
tensão gerada, interferindo, portanto, na atuação do regulador de tensão.
c) Retificadores: Uma ponte retificadora CA/CC, controlada ou não, injeta na rede CA,
quando esta opera sob condições nominais, correntes harmônicas características (de ordem 5, 7, 11,
13, etc). Entretanto, quando o sistema supridor encontra-se desequilibrado, os retificadores passam
a gerar, além das correntes harmônicas características, o terceiro harmônico e seus múltiplos.
A presença do terceiro harmônico e seus múltiplos no sistema elétrico é extremamente
indesejável, pois possibilita manifestação de ressonâncias não previstas, visto que não é prática a
instalação de filtros de terceiro harmônico em instalações desta natureza e, isto pode causar danos a
uma série de equipamentos.
A Figura 3.15 mostra o espectro harmônico de um conversor de 6 pulsos a diodo, alimentado por
tensões equilibradas e desequilibradas respectivamente.
Figura 3.15 – Retificador alimentado por tensões equilibradas e desequilibradas, espectro harmônico.
34
3.6. Distorsão da forma de onda
Distorção da forma de onda é definido como um desvio da forma de onda puramente
senoidal na freqüência fundamental, que é caracterizado principalmente pelo seu conteúdo
espectral.
Há cinco tipos principais de distorções da forma de onda - Tabela 2:
a) nível CC;
b) harmônicos;
c) inter-harmônicas;
d) notching e
e) ruído.
3.6.1. Nível CC
A presença de um componente CC na tensão ou corrente em um sistema de energia CA é
denominado nível CC. Este pode ocorrer como resultado de um distúrbio ou devido a operação
ideal de retificadores de meia-onda. O nível CC em redes de corrente alternada pode levar a
saturação de transformadores, resultando em perdas adicionais e redução da vida útil. Pode também
causar corrosão eletrolítica dos eletrodos de aterramento e de outros conectores.
3.6.2. Harmônicos
Tecnicamente, um harmônico é um componente de uma onda periódica cuja freqüência é
um múltiplo inteiro da freqüência fundamental (no caso da energia elétrica, de 60 Hz).
Harmônicos são fenômenos contínuos, e não devem ser confundidos com fenômenos de curta
duração, os quais duram apenas alguns ciclos. Distorção harmônica é um tipo específico de energia
suja, que é normalmente associada com a crescente quantidade de acionamentos estáticos, fontes
chaveadas e outros dispositivos eletrônicos nas plantas industriais [4]. Estas perturbações no
sistema podem normalmente ser eliminadas com a aplicação de filtros de linha (supressores de
transitórios). Um filtro de harmônicos é essencialmente um capacitor para correção do fator de
potência, combinado em série com um reator (indutor).
A Figura 3.16 mostra a tensão num barramento CA de alimentação de um conversor de seis
pulsos, na qual evidencia-se as deformações na forma de onda. A distorção harmônica vem contra
os objetivos da qualidade do suprimento promovido por uma concessionária de energia elétrica, a
35
qual deve fornecer aos seus consumidores uma tensão puramente senoidal, com amplitude e
freqüência constantes. Entretanto, o fornecimento de energia a determinados consumidores que
causam deformações no sistema supridor, prejudicam não apenas o consumidor responsável pelo
distúrbio, mas também outros conectados a mesma rede elétrica.
A natureza e a magnitude das distorções harmônicas geradas por cargas não lineares
dependem de cada carga em específico, mas duas generalizações podem ser assumidas:
a) os harmônicos que causam problemas geralmente são os componentes de números
ímpares e
b) a magnitude da corrente harmônica diminui com o aumento da freqüência.
Como comentado, altos níveis de distorções harmônicas em uma instalação elétrica podem
causar problemas para as redes de distribuição das concessionárias, para a própria instalação e para
os equipamentos ali instalados. As conseqüências podem chegar até a parada total de importantes
equipamentos na linha de produção acarretando em prejuízos econômicos. Dentre eles, de maior
importância estão a perda de produtividade e de vendas devido a paradas de produção, causadas por
inesperadas falhas em motores, acionamentos, fontes ou simplesmente pelo "repicar" de disjuntores.
Para a quantificação do grau de distorção presente na tensão e/ou corrente, lança-se mão da
ferramenta matemática conhecida por série de Fourier [4]. As vantagens de se usar a série de
Fourier para representar formas de onda distorcidas é que, cada componente harmônica pode ser
analisada separadamente e, a distorção final é determinada pela superposição das várias
componentes constituintes do sinal distorcido .
Figura 3.16 – Tensão de alimentação de um conversor CA/CC
36
Conhecidos os valores de tensões e/ou correntes harmônicas presentes no sistema, utiliza-se
de um procedimento para expressar o conteúdo harmônico de uma forma de onda. Um dos mais
utilizados é a “Distorção Harmônica Total”, a qual pode ser empregada tanto para sinais de tensão
como para correntes. As equações (2) e (3) apresentam tais definições:
nmáx
DHVT =
∑V
n >1
V12
nmáx
DHVT =
2
n
∑I
n >1
I
2
1
2
n
× 100(%)
(2)
× 100(%)
(3)
onde:
DHVT - distorção harmônica total de tensão
DHIT - distorção harmônica total de corrente
Vn - valor eficaz da tensão de ordem n
In - valor eficaz da corrente de ordem n
V1 - valor eficaz da tensão fundamental
I1 - valor eficaz da corrente fundamental
n - ordem da componente harmônica
A “Distorção Harmônica Individual” é utilizada para a quantificação da distorção individual
de tensão ou corrente, ou seja, para determinar a porcentagem de determinado componente
harmônico em relação a sua componente fundamental. As equações (4) e (5) expressam tais
definições.
DHV I =
Vn
× 100 (%)
V1
(4)
DHV I =
In
× 100 (%)
I1
(5)
37
onde:
DHVI - distorção harmônica individual de tensão.
DHVI - distorção harmônica individual de corrente.
Para fins práticos, geralmente, os componentes harmônicos de ordens elevadas (acima da
50ª ordem, dependendo do sistema) são desprezíveis para análises de sistemas de potência. Apesar
de poderem causar interferência em dispositivos eletrônicos de baixa potência, elas usualmente não
representam perigo aos sistemas de potência.
Com o rápido desenvolvimento da eletrônica de potência e a utilização de métodos que
buscam o uso mais racional da energia elétrica, o conteúdo harmônico presente nos sistemas tem-se
elevado. O problema é ainda mais agravado pela utilização de equipamentos e cargas mais sensíveis
a qualidade da energia. É de grande importância citar os vários tipos de cargas elétricas com
características não lineares, denominadas de “Cargas Elétricas Especiais” [4], que têm sido
implantadas em grande quantidade no sistema elétrico brasileiro. Estas, de um modo geral, podem
ser classificadas em três grupos básicos [1]:
a) Cargas de conexão direta ao sistema
•
motores de corrente alternada;
•
transformadores alimentadores;
•
circuitos de iluminação com lâmpadas de descarga (como as multi vapor metálico:
mercúrio e sódio);
•
fornos a arco, etc.
b) Cargas conectadas através de conversores
•
motores de corrente contínua controlados por retificadores;
•
motores de indução controlados por inversores com comutação forçada;
•
motores síncronos controlados por cicloconversores (conversão estática direta
CA/CA em uma dada freqüência para outra freqüência inferior);
•
fornos de indução de alta freqüência, etc.
c) Reguladores
•
fornos de indução controlados por reatores saturados;
•
cargas de aquecimento controladas por tiristores;
•
velocidade dos motores CA controlados por tensão de estator;
38
•
reguladores de tensão a núcleo saturado;
•
computadores;
•
eletrodomésticos com fontes chaveadas, etc.
As distorções harmônicas causadas pela operação de tais equipamentos e dispositivos,
causam alguns efeitos indesejáveis ao sistema elétrico. Estes efeitos podem ser divididos em três
grandes grupos. Nos dois primeiros estariam enquadrados, por exemplo, os problemas de perda da
vida útil de transformadores, máquinas rotativas, bancos de capacitores, etc. No terceiro grupo
estariam englobadas questões diversas que poderiam se traduzir numa operação errônea ou na falha
completa de um equipamento. Nesta categoria estariam incluídos efeitos como: torques oscilatórios
nos motores CA, erros nas respostas de equipamentos, aumento ou diminuição do consumo de
kWh, etc.
Para ressaltar tais efeitos, descreve-se abaixo como as distorções harmônicas de tensão e
corrente podem alterar a operação de alguns dispositivos comumente encontrados nas redes
elétricas.
Cabos
Dentre os efeitos de harmônicos em cabos destacam-se:
•
Sobreaquecimento devido as perdas Joule que são acrescidas;
•
Maior solicitação do isolamento devido a possíveis picos de tensão e imposição de
correntes pelas capacitâncias de fuga, provocando aquecimento e conseqüentemente
uma deterioração do material isolante.
Outro aspecto importante que deve ser destacado refere-se ao carregamento exagerado do
circuito de neutro, principalmente em instalações que agregam muitos aparelhos eletrônicos, como
microcomputadores, onde há uma predominância muito grande do terceiro harmônico. Este se
caracteriza por ser de seqüência zero, portanto, propaga-se pelo neutro podendo dar origem a
tensões perigosas quando estas correntes circulam por malhas de terra mal projetadas.
Com relação ao nível de distorção de tensão, abaixo do qual os cabos não são
expressivamente afetados, este é dado pela equação (6).
39
∞
∑ (Vn)
2
≤ 10%
(6)
n−2
Transformadores
Um transformador, quando submetido a distorções de tensão e corrente, experimentará um
sobreaquecimento causado pelo aumento das perdas Joulicas, além de intensificar as fugas
tradicionalmente manifestadas nos isolamentos. As perdas Joulicas são dadas pela equação (7).
2
ΔPJ = ΔPj1 (1 + DHI T )
(7)
onde:
ΔPJ1 = representa as perdas a corrente fundamental
ΔPJ = representa as perdas incluindo a distorção harmônica
Este aumento das perdas faz com que a vida útil deste equipamento seja reduzida, uma vez
que a degradação do material isolante no interior do transformador ocorrerá de forma mais
acentuada.
Como ilustração, a Figura 3.17 mostra um perfil da vida útil de um transformador de
corrente que se estabelece através de seus enrolamentos. Os resultados consideram que os
componentes harmônicos, para cada situação, são superpostos a uma corrente fundamental igual a
nominal do equipamento.
Figura 3.17 – Vida útil de um transformador em função da distorção de corrente.
Segundo a literatura, os transformadores possuem um nível de tensão admissível dado pelas
equações (8) e (9).
40
∞
∑ (Vn)
2
≤ 5%
( a plena carga)
(8)
2
≤ 10%
( a vazio)
(9)
n=2
∞
∑ (Vn)
n=2
Motores de Indução
Um motor de indução, operando sob alimentação distorcida, pode apresentar, de forma
semelhante ao transformador, um sobreaquecimento de seus enrolamentos. Este sobreaquecimento
faz com que ocorra uma degradação do material isolante que pode levar a uma condição de curtocircuito por falha do isolamento. A Figura 3.18 mostra uma estimativa do acréscimo das perdas
elétricas num motor de indução, em função da distorção total de tensão presente no barramento
supridor.
Figura 3.18 – perdas elétricas de um motor de indução trifásico em função da distorção total de tensão.
Em relação a análise de desempenho de um motor de indução submetido a tensões
harmônicas, verifica-se uma perda de rendimento e qualidade do serviço, devido ao surgimento de
torques pulsantes. Estes podem causar uma fadiga do material, ou em casos extremos, para altos
valores de torques oscilantes, interrupção do processo produtivo, principalmente em instalações que
requerem torques constantes como é o caso de bobinadeiras na indústria de papel-celulose e
condutores elétricos.
41
Com a utilização dos reguladores automáticos de velocidade, estes efeitos se pronunciam
com maior intensidade, pois os níveis de distorção impostos pelos inversores superam os valores
normalmente encontrados nas redes CA, muito embora, hoje, com novas técnicas de chaveamento,
estes níveis têm sido reduzidos consideravelmente.
Os motores de indução, de acordo com o seu porte e impedância de seqüência negativa,
possuem um grau de imunidade aos harmônicos conforme sugere a equação (10).
∞
2
⎛ Vn ⎞
⎜ ⎟ ≤ 1,3%.a.3,5%
∑
n=2 ⎝ n ⎠
(10)
Máquinas Síncronas
Pelo fato de estarem localizados distantes dos centros consumidores, as unidades geradoras,
responsáveis por grandes blocos de energia, não sofrem de forma acentuada as conseqüências dos
harmônicos injetados no sistema. Entretanto, em sistemas industriais dotados de geração própria,
que operam em paralelo com a concessionária, tem sido verificado uma série de anomalias no que
se refere a operação das máquinas síncronas. Dentre estes efeitos destacam-se:
•
Sobreaquecimento das sapatas polares, causado pela circulação de correntes
harmônicas nos enrolamentos amortecedores;
•
Torques pulsantes no eixo da máquina; e
•
Indução de tensões harmônicas no circuito de campo, que comprometem a qualidade
das tensões geradas.
Assim, é importante que uma monitoração da intensidade destas anomalias seja efetuada,
com o propósito de assegurar operação contínua das máquinas síncronas, evitando transtornos como
perda de geração. No caso de instalações que utilizam motores síncronos, as mesmas observações se
aplicam.
De forma semelhante aos motores de indução, o grau de imunidade das máquinas síncronas
aos efeitos de harmônicos é função do porte da máquina e da impedância de seqüência negativa.
Esta condição pode ser assegurada quando obedecida a equação (11).
42
∞
2
⎛ Vn ⎞
⎜ ⎟ ≤ 1,3%.a.2,4%
∑
n=2 ⎝ n ⎠
(11)
3.6.3. Interharmônicos
São formas de ondas de tensões e correntes que apresentam componentes de freqüência que
não são múltiplos inteiros da freqüência com a qual o sistema é suprido e designado a operar (50 ou
60 Hz). Estas interharmônicas podem aparecer como freqüências discretas ou como uma larga faixa
espectral. Podem ser encontradas em redes de diferentes classes de tensões. As principais fontes são
os conversores de freqüência estáticos, cicloconversores, motores de indução e equipamentos a
arco. Sinais “carrier” em linhas de potência também podem ser
considerados como
interharmônicos.
Os efeitos deste fenômeno não são bem conhecidos, mas admite-se que os mesmos podem
afetar a transmissão de sinais carrier (portadores) e a induzir a oscilações visuais no display de
equipamentos como tubos de raios catódicos.
3.6.4. Notching
Notching é um distúrbio periódico de tensão causado pela má operação dos dispositivos
eletrônicos quando a corrente é comutada de uma fase para outra. Durante este período há um
momentâneo curto circuito entre duas fases levando a tensão próxima a zero tanto quanto é
permitido pelas impedâncias do sistema.
Desde que ocorre continuamente, pode ser caracterizado pelo espectro harmônico da tensão
afetada. Os componentes de freqüência associados com o fenômeno notching podem ser altos e não
ser prontamente caracterizados pelos equipamentos de medidas normalmente usados para análise de
harmônicos.
43
3.6.5. Ruídos
Com respeito aos ruídos, estes podem ser definidos como sinais elétricos não desejáveis com
um conteúdo do espectro abaixo de 200 kHz, superposto a tensão e corrente do sistema de energia
nos condutores de fase ou obtidos sobre os condutores neutros, ou ainda, nos sinais da linha.
Pode ser causado em sistemas de energia por equipamentos eletrônicos, circuitos de
controle, equipamentos a arco, cargas com retificadores de estado sólido e fontes chaveadas e, via
de regra, estão relacionados com aterramentos impróprios. O problema pode ser atenuado pelo uso
de filtros, isolamento dos transformadores e condicionadores de linha.
3.7. Flutuação de tensão
Flutuações na tensão são variações sistemáticas dos valores eficazes de tensão, ou uma série
de mudanças aleatórias, cujas magnitudes normalmente não excedem faixas de valores préestabelecidos (faixa compreendida entre 0,95 e 1,05 p.u., Tabela 2).
Cargas industriais que exibem variações contínuas e rápidas na magnitude da corrente de
carga podem causar variações na tensão que são freqüentemente referidas como flicker ou
oscilação. Para ser tecnicamente correto, flutuação de tensão é um fenômeno eletromagnético
enquanto flicker é o resultado indesejável da flutuação de tensão em algumas cargas.
Tais flutuações são geralmente causadas por cargas industriais e manifestamse de diferentes
formas, a destacar:
•
Flutuações Aleatórias
A principal fonte destas flutuações são os fornos a arco, onde as amplitudes das oscilações
dependem do estado de fusão do material, bem como do nível de curto-circuito da instalação.
•
Flutuações Repetitivas
Dentre as principais fontes geradoras de flutuações desta natureza tem-se:
44
- Máquinas de solda;
- Laminadores;
- Elevadores de minas e
- Ferrovias.
A Figura 3.19 ilustra o comportamento do valor eficaz da tensão no barramento supridor de
um laminador, durante um período de 5 segundos.
Figura 3.19 – Oscilações de tensão oriundas da operação de um laminador.
•
Flutuações Esporádicas
A principal fonte causadora destas oscilações é a partida direta de grandes motores. Os
principais efeitos nos sistemas elétricos, resultados das oscilações causadas pelos equipamentos
mencionados anteriormente são:
- Oscilações de potência e torque das máquinas elétricas;
- Queda de rendimento dos equipamentos elétricos;
- Interferência nos sistemas de proteção e
- Efeito flicker ou cintilação luminosa.
Em relação aos efeitos em motores elétricos, o conjugado desenvolvido é diretamente
proporcional ao valor RMS da tensão e, estando os motores submetidos a tensões flutuantes, estes
passam a apresentar torques oscilantes no eixo [4]. A Figura 3.20 mostra as curvas de conjugado
eletromagnético e de carga de um motor de indução quando da presença de tensões oscilantes
aplicadas ao estator, onde se verifica oscilações no conjugado motor, de amplitudes consideráveis.
45
Figura 3.20 – Motor submetido a tensões oscilantes.
Entretanto, o fenômeno flicker consiste no efeito mais comum provocado pelas oscilações de
tensão. Este tema merece especial atenção, uma vez que o desconforto visual associado a
perceptibilidade do olho humano as variações da intensidade luminosa é, em toda sua extensão,
indesejável. A intensidade do efeito flicker está associada aos seguintes fatores:
•
Amplitude das oscilações;
•
Freqüência da moduladora e
•
Duração do distúrbio ou ciclo de operação da carga perturbadora.
Estes fatores, em conjunto com a perceptibilidade do olho humano, dão origem a curvas que
representam os limiares da percepção visual para flutuações de tensão, conforme ilustra a Figura
3.21
Figura 3.21 – Limites de percepção visual para flutuações de tensão associadas a ondas senoidais e quadradas
46
Como pode ser observado na figura anterior, variações da ordem de 0,25% da tensão
nominal são perceptíveis quando ocorrem em baixas freqüências (1 a 15 Hz). Entretanto, para as
variações graduais, o que ocorre é uma acomodação visual, provocando um nível de irritação visual
de menor intensidade e tolerável pelo ser humano.
3.8. Variações na frequência do sistema
Variações na freqüência de um sistema elétrico são definidas como o desvio no valor da
freqüência fundamental deste, de seus valores nominais especificados (50 ou 60 Hz).
A freqüência do sistema de potência está diretamente relacionado a velocidade de rotação
dos geradores que suprem o sistema. Há estreitas variações na freqüência com o balanço dinâmico
entre cargas e mudanças na geração. A amplitude da variação e sua duração depende das
características da carga e da resposta do sistema de controle de geração as alterações na carga.
Variações na freqüência que ultrapassem dos limites para a operação em regime permanente
podem ser causadas por faltas no sistema de transmissão, desconexão de um grande bloco de carga
ou pela saída de operação de uma grande fonte de geração.
Nos modernos sistemas interconectados de energia, variações significantes de freqüência são
raras. Variações consideráveis e freqüentes podem mais comumente ocorrer para cargas que são
supridas por geradores de sistemas isolados das concessionárias. Em sistemas isolados, como é o
caso da geração própria nas indústrias, na eventualidade de um distúrbio, a magnitude e o tempo de
permanência das máquinas operando fora da velocidade, resultam em desvios da freqüência em
proporções mais significativas.
3.9. Resumo dos distúrbios
A seguir, é apresentado as definições aceitas para muitos dos termos encontrados na
literatura nacional e internacional relacionados a qualidade da energia. [6].
Afundamento (Dip ou Sag): qualquer decréscimo na tensão de pequena duração (menor do
que 1 minuto).
Carga Crítica (Critical Load): dispositivos ou equipamentos identificados como
importantes ou essenciais para a segurança de pessoas ou para a situação econômica do
comércio/indústria.
47
Distorção da Forma de Onda (Waveform Distortion): qualquer variação na qualidade da
energia representada nas formas de ondas das tensões e correntes trifásicas.
Distorção Harmônica (Harmonic Distortion): alteração na forma padrão da tensão ou
corrente (onda senoidal) devido a um equipamento gerando freqüências diferentes das de 60 ciclos
por segundo.
Elevação (Swell): qualquer aumento de tensão de pequena duração (menor do que um
minuto) .
Interrupção (Interruption ou Outage): completa perda da energia elétrica
Interrupção
Momentânea (Momentary Outage): uma pequena interrupção na energia
permanecendo entre 1/30 (dois ciclos) de um segundo a 3 segundos.
Distúrbio (Disturbance): uma variação de tensão. Comumente, após a operação incorreta de
determinado equipamento elétrico, por razões desconhecidas, o seu mal funcionamento será
relacionado ao distúrbio de tensão.
Oscilação ou Tremulação (Flicker): variação de tensão de pequena duração, mas longa o
necessário para ser percebida pelos olhos humanos como uma oscilação de tensão.
Ruído (Noise): qualquer sinal elétrico indesejado de alta freqüência que altera a forma de
tensão padrão (onda senoidal).
Sobretensão (Overvoltage): aumento do nível de tensão acima do normal (10% ou mais),
com duração superior a um minuto.
Subtensão (Drop ou Undervoltage): queda ou diminuição de tensão devido a partida de
grandes motores ou perda de alimentadores ou transformadores sob carga. Algumas vezes é
empregado para descrever afundamentos de tensão (voltage sags) ou subtensões (undervoltages).
Tensão Nominal ou Normal (Nominal ou Normal Voltage): tensão nominal ou normal
contratada para um sistema de determinada classe de tensão.
Transitório (Transient, Spike ou Surge): um aumento inesperado no nível de tensão que
tipicamente permanece por menos do que 1/120 de um segundo.
48
4. SIMULAÇÃO
4.1. Introdução
Esta etapa do trabalho apresenta a simulação realizada através do software EMTDC /
PSCAD (Electromagnetic Transient and Direct Current / Power System Computer Aided Design),
que é uma ferramenta de simulação profissional para análise de sistemas, tendo sua aplicação
principal na simulação de transitórios eletromagnéticos voltados aos sistemas elétricos de potência.
PSCAD é a interface gráfica do usuário enquanto que o EMTDC é o software de simulação.
O EMTDC / PSCAD é considerado um dos mais apropriados meios de simulação de respostas
instantâneas no domínio do tempo. A interface gráfica do PSCAD aumenta sensivelmente o alcance
do EMTDC. Essa permite ao usuário construir esquematicamente o circuito, processar a simulação,
analisar os resultados e administrar os dados num ambiente completamente integrado.
A versão do software utilizado nessa simulação foi PSCAD 4.2.1 Student.
Para a simulação, foi utilizado o exemplo de aplicação criado originalmente no centro de
pesquisa da HVDC de Manitoba pelo Dr. M. Reformat, em Manitoba, Canadá. Os resultados foram
reproduzidos e comparados com o exemplo de aplicação original onde comprovou-se a eficácia dos
filtros ativos na eliminação de harmônicos.
O objetivo dessa simulação não é desenvolver nada inovador a respeito de filtros ativos, mas
sim aplicar a teoria já existente e comprovar seu funcionamento na filtragem de tensões harmônicas
indesejáveis na rede de energia.
Este caso ilustra o uso de um STATCOM fornecendo uma filtragem ativa para o lado C.A.
de um sistema conversor de 6 pulsos. O filtro ativo é conectado através de uma linha de 20 kVA, a
um transformador trifásicoY-Δ de 200 V, 50 hertz , com um conversor de carga de 6 pulsos.[10],
conforme veremos na figura 4.1.
49
Figura 4.1 – Circuito com filtro ativo STATCOM
Apesar de hoje já existir sistema de 24 pulsos, foi utilizado aqui um conversor de 6 pulsos
como ponto de partida para futuros estudos e implementações de mecanismos de controle e
melhorias da qualidade de energia. Esse ponto de partida se justifica pelo fato de já existir o modelo
desenvolvido em 1991, também em EMTDC, e que servirá para validar as simulações aqui
implementadas.
O circuito apresenta um sistema combinado de um filtro passivo e uma pequena taxa de
filtro ativo, ambos ligados em série aos outros. O filtro passivo remove as cargas produzidas de
harmônicos da mesma forma que um filtro convencional faz. Por outro lado, o filtro ativo
desempenha um papel importante na melhoria das características da filtragem do filtro passivo. Isso
resulta em uma grande redução do exigido na classificação do filtro ativo e na eliminação de todas
as limitações enfrentados por usar apenas o filtro passivo, o que conduz a uma prática e sistema
econômico.[10]
4.2. Statcom
O Statcom é um equipamento de eletrônica de potência que é utilizado na compensação de
potência reativa. Suas características principais são: a capacidade de aumentar o fluxo de potência
em uma linha de transmissão e assegurar uma maior estabilidade para o sistema elétrico.Tem como
função prover suporte de tensão em areas críticas do sistema de potência. O predecessor do
compensador síncrono estático, ou seja, o compensador síncrono rotativo, foi muito usado no
50
passado para a compensação "shunt" de reativos. O compensador rotativo apresenta várias
características funcionais desejáveis, tais como: a capacidade de injetar elevadas correntes
capacitivas durante períodos transitórios de subtensão e o fato de possuir uma impedância interna
indutiva, cujos valores típicos não causam ressonância com a rede de transmissão. Contudo, o
compensador rotativo possui uma série de desvantagens, tais como: (1) um tempo de resposta lento,
(2) instabilidade rotacional, (3) baixa impedância de curto circuito e (4) necessita de manutenções
freqüentes. Além do mais, ele não atende aos requisitos modernos de flexibilidade no controle em
tempo real de fluxo de potência, dentro dos novos conceitos de sistemas FACTS.
O Statcom é, dentro de certos limites, o equivalente eletrônico do compensador síncrono
ideal. Sua principal função é injetar corrente reativa no sistema de potência de forma controlada.
Para fazer isso, é necessário que o STATCOM trabalhe como uma fonte de tensão controlada. O
STATCOM possui, em sua composição básica, um inversor, um capacitor, um transformador e um
sistema de controle, estando conectado ao sistema em paralelo, tal como é mostrado na Figura 4.2
[11]
Figura 4.2 – Configuração básica do STATCOM
4.3. Filtro Ativo
O filtro ativo é composto por elementos ativos que fornecem o conteúdo harmônico
necessário a uma carga não-linear, limpando a rede da circulação destes harmônicos. Há dois tipos:
paralelo e série.
Estes filtros foram inicialmente propostos por Akagi: o filtro paralelo em 1984 e o filtro
série em 1988, sendo este último em conjunto com filtro paralelo [12].
51
4.3.1 . Filtro ativo paralelo
De acordo com a figura 4.3, o filtro ativo paralelo é representado pelo inversor fonte de
tensão e seu controle. Este inversor funciona com malha de controle e tem a função básica de
“curto-circuitar” as correntes indesejadas, geradas pela carga [12]. Analisando de outra perspectiva,
o filtro paralelo (ou shunt) irá fornecer as correntes harmônicas desejadas para o correto
funcionamento da carga não-linear.
Figura 4.3 – Filtro ativo paralelo
Vale dizer que as correntes não desejadas, na maioria dos casos são harmônicos, mas
podem, em alguns casos, ser correntes na freqüência fundamental (exemplo corrente reativa ou de
desequilíbrio). Assim, o grande desafio no projeto de um filtro ativo paralelo baseado em
conversores deste tipo, está na determinação instantânea da referência de corrente a ser sintetizada.
4.3.2. Filtro ativo série
O filtro série é mostrado na figura 4.4. Nesta figura, a fonte de tensão está representada por
uma fonte de tensão distorcida. O filtro ativo em série, entre a carga e a fonte, impede, desta forma
que as parcelas não desejáveis de tensão sejam aplicadas na carga. Vale lembrar que o filtro ativo
série não é capaz de eliminar harmônicos de correntes geradas pela carga uma vez que este filtro
está inserido em série com esta carga. Este consiste no conceito dual do que o ocorre com o filtro
paralelo. Para se ter esta compensação, tanto de tensão e corrente é necessário utilizar um filtro
ativo série/paralelo [12].
52
Figura 4.4 – Filtro ativo série
4.3.3. Filtro ativo série/paralelo
Para a compensação simultânea da tensão e da corrente, há uma combinação de filtros ativos
série/paralelo, a qual foi convencionada como UPQC (“Unified Power Quality Conditioner”) [12].
A figura 4.5 mostra uma situação típica para o emprego do UPQC. Este é um cenário onde se tem
um grupo de cargas críticas, muitos sensíveis as distorções harmônicas e requerem um suprimento
de energia de boa qualidade. Porém, estas cargas estão conectadas a um barramento onde se
encontram outras cargas (iL), não lineares, geradores de alto conteúdo de correntes harmônicas e
desbalanceadas. Além disso, admite-se que a tensão de suprimento (vs) deste barramento também
seja desbalanceada e distorcida, independentemente destas cargas não lineares. O UPQC está
inserido em paralelo, próximo a carga não-linear e em série com a tensão de suprimento, de tal
forma que a tensão do filtro série vc compense a tensão vs e torne a tensão v senoidal e balanceada.
Por outro lado, a corrente ic do filtro paralelo compensa os harmônicos e desbalanços da corrente
iL, impedindo que estas componentes indesejadas da corrente fluam pelo sistema, distorcendo ainda
mais a tensão de suprimento.
Há ainda a possibilidade de haver filtros híbridos ativo/passivo. Duas possibilidades são
existentes: ativo série / passivo paralelo e ativo paralelo / passive paralelo.
53
Figura 4.5 - UPQC - Filtros ativos série/paralelo
4.4. Caso Simulado
No circuito simulado ( figura 4.1), o filtro passa-alta assume ser ideal e o filtro ativo atua
como um resistor. Estritamente falando, o filtro ativo não age como uma pura resistência devido a
uma característica de fase do filtro passa-alta. Melhoria das características de filtragem do sistema
seriam estragadas especialmente se a menor freqüência estiver perto da frequência limite
do filtro passa-alta. Por isso, o uso do filtro passa-alta, cuja frequência limite é muito inferior a
menor freqüência, é preferível. Importante notarmos que a mais baixa frequência a ser considerada,
é a fundamental .
Por outro lado, variações de cargas são causas de flutuação. Se a frequência limite do filtro
passa-alta é inferior a frequência de variação da carga, as saídas do filtro ativo irão gerar uma tensão
fundamental para compensar a variação da carga, o que aumenta o crédito do filtro ativo. Assim, a
frequência de corte do filtro passa-alta deve ser projetado para ser mais elevado do que a freqüência
da variação de carga.
Nas seguintes experiências, foi utilizado o filtro passa-alta com frequência de corte de f, =
10 Hz . K = 2, Ω = 1 pu, e uma única fase do retificador de diodo em ponte estava ligado ao
capacitor dc para o fornecimento de comutação e condução das perdas o filtro ativo.
A figura 4.6 mostra experimentos onde o filtro ativo não está ativado. Nota-se uma grande
quantidade de quinta-harmônica na fonte de corrente. Na figura 4.7, o filtro ativo entra em ação e a
fonte de corrente se tornou senoidal após o início.
Os resultados das simulações mostrado nas figuras 4.6 e 4.7, concordam com os resultados
dos gráficos mostrados nas figuras 4.8 e 4.9. Devido ao fato de que a saída de tensão do filtro ativo
era cerca de 2,5 V, a avaliação exigida do filtro ativo foi de apenas 1,5% da harmônica produtora de
carga.
54
Figura 4.6 – Simulação com o filtro ativo desligado
Figura 4.7 - Simulação com o filtro ativo entrando em ação
55
Figura 4.8 – Gráfico da simulaçao com o filtro ativo desligado
Figura 4.9 – Gráfico da simulação com filtro ativo em ação
Espectros de frequência das fontes de correntes is e a tensão do terminal vT foram medidos
antes e depois de ligar o filtro ativo. Apesar do quinto e sétimo harmônicos estarem contidos em is,
antes de começar, eles foram eliminados após o filtro ativo entrar em ação.
56
4.5. Conclusão
Para esta simulação, foi proposto um sistema combinado de um filtro passivo e um filtro
ativo, que estão ligados em série. A teoria desenvolvida neste trabalho foi verificada analiticamente
e experimentalmente. As características do sistema proposto estão resumidos a seguir:
•
As características de filtragem são independentes da fonte de impedância.
•
Ressonâncias paralela e em série entre a fonte e o filtro passivo pode ser amortecida
pelo filtro ativo.
•
A avaliação exigida do filtro ativo utilizado nessas condições é muito menor que um
filtro ativo convencional utilizado sozinho.
Nas simulações, a avaliação exigida do filtro ativo é de apenas 1,5% de uma carga produtora
de hamônica, porque o filtro passivo tem um maior fator de qualidade (Q = 50 - 100) e pode ser
usado em sistemas práticos, a avaliação exigida do filtro ativo ligado em série seria reduzida de
acordo com a proporção inversa da qualidade do fator do filtro passiva.
57
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste trabalho foi apresentado, de forma sucinta, um assunto atual e de grande relevância
para as empresas: o problema da qualidade de energia elétrica. Mercê da utilização crescente e
generalizada de equipamentos de eletrônica de potência, que “poluem” os sistemas elétricos, e da
necessidade de automatização dos sistemas de produção, que obriga cada vez mais a utilização de
controladores eletrônicos, extremamente sensíveis ao meio electromagnético em que estão
inseridos, a atenção dada a qualidade da energia elétrica é crucial tendo em vista a garantia da
qualidade dos produtos e serviços e a redução dos custos de produção.
Estudos realizados no Brasil comprovam que a maioria das empresas não têm as suas
instalações elétricas preparadas para lidar com os problemas de qualidade de energia elétrica, tendo
em vista a realidade dos equipamentos utilizados nos processos produtivos. Além disso, verificou-se
que, na maior parte dos casos, os responsáveis pelas instalações elétricas nas empresas não
associam os problemas que ocorrem na rede ao fato das instalações não estarem adequadas aos
problemas de qualidade de energia a que estão sujeitas.
Muitos dos problemas de qualidade de energia podem fazer com que alguns equipamentos
funcionem de forma incorreta e levar a interrupção de processos de fábrica, 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.
.
No momento encontram-se em execução projetos para o desenvolvimento de equipamentos
para monitorização e compensação por filtros ativos de potência de problemas de qualidade de
energia elétrica. Espera-se ainda poder realizar trabalhos de levantamento dos problemas de
qualidade de energia em indústrias brasileiras.
O grande desafio para futuros trabalhos, é a aplicação de dispositivos de controle capazes de
atender as necessidades na correção dos distúrbios inerentes ao setor industrial, visto que haverá
uma implementação cada vez maior na automatização do processo de produção.
58
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Bergeron, R. et all. Análise da Norma IEC 1000-4-7 para Medição do Nível de Harmônicos.
Eletricidade Moderna, No 266, pág. 125- 133, Maio 1996.
[2] Bueno, A. F. M.; Ribeiro, T. N. “Problemas na Qualidade da Energia Suprida - Um Estudo de
Caso, Diagnóstico e Proposta de Solução”, I Seminário Brasileiro de Qualidade da Energia Elétrica,
Uberlândia, pp. 23-27, Junho 1996.
[3] GCOI/SCEL/GTEE. “Critérios e Metodologias para o Atendimento a Consumidores com
Cargas Especiais”, XII Seminário Nacional de produção e transmissão de energia elétrica, Recife,
1993.
[4] Souza, S. A ;Oleskovicz, M; Coury, D. V. . Caracterização de componentes harmônicos em um
sistema elétrico. VII CBQEE conferência brasileira sobre qualidade de energia elétrica, 2007,
Santos –SP.
[5] http://www.sorocaba.unesp.br/noticias/artigos/?a=38 - acessado em 26/03/2007
[6] Oliveira, J. C. (2000). Projeto SIDAQEE (2000). Qualidade da energia elétrica: definição e
análise dos itens de qualidade. Cap. II, Universidade Federal de Uberlândia, Centro de Ciências
Exatas e Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, Grupo de Qualidade e Racionalização
da Energia Elétrica.
[7] Agencia nacional de energia elétrica http:// www.aneel.com.br./ - acessado em 26/03/2007
[8] http://www.labplan.ufsc.br/sbqee - acessado em 27/03/2007
[9] http://www.sorocaba.unesp.br/noticias/artigos/?a=38 - acessado em 26/03/2007
[10] H. Fujita e H. Akagi,"Uma abordagem prática para compensação harmonica em power systems
- Conexão da Série Passiva e Active Filters ", IEEE Trans.Em nd.Applications,vol.27,no.6,Nov/Dez
1991, pp. 1020-1025 Revisado por J. E. Nordstrom - setembro 2000.
[11] Miguel, J. M; Henriques, Luis ; Aredes, Mauricio; Watanabe, Edson, “Simulação de um
compensador síncrono estático de potência” Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE –
Programa de Engenharia Elétrica
[12] Watanabe, E. H e Aredes, M., Teoria de Potência Ativa e ReativaInstantânea e Aplicações –
Filtros Ativos e FACTS, XII Congresso Brasileiro de Automática), Uberlândia, Brasil, Setembro
14-18, 1998.
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