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									Qualidade de Energia


Ricardo Alves Gonzaga

      UFPR - Eng. Elétrica
       Medidas Elétricas
Tópicos de discussão
   Introdução
   Variações e flutuações na tensão
   Desequilíbrios de tensão
   Harmônicas
   Efeito das harmônicas
   Limite para as harmônicas
O que é Qualidade
de Energia ?

É qualquer problema na tensão,
na corrente ou desvio na
freqüência que resulte em falha
ou prejudique a operação dos
equipamentos
Por que a Qualidade de
Energia é importante ?
   Equipamentos Eletrônicos
    sensíveis
   Aumento das cargas não lineares
   Ressonância
   Outros
Distúrbios gerados pela
concessionária
   A mudança de tap de
    transformadores gera transitórios
   A atuação de disjuntores gera
    transitórios
   A inserção de capacitores gera
    transitórios
   Etc
Distúrbios gerados
pelo consumidor
   Conversores Eletrônicos
   Fornos a arco
   Desequilíbrio de cargas
   Partida de grandes motores
   Etc
Variações na tensão
   Transitórios
   Variações de curta duração
   Variações de longa duração
   Interrupções
   Distorções na forma de onda
   "Flicker”
   Variações na freqüência
Transitório

           Um repentino
            distúrbio devido a
            uma rápida mudança
            nas condições da
            tensão e/ou corrente
           Duração: 30 a 200 s
       Transitório

   Causa:         Descarga
                    Atmosférica

   Impactos:      Falha em
                    transformadores
                   Falha em pára-raios
                   Danos em
                    equipamentos do
                    consumidor
Variação de Tensão de
Curta Duração

   Afundamento de tensão
   Elevação de tensão
Afundamento de Tensão

              Decréscimo entre
               0,1 e 0,9 pu do
               valor eficaz da
               tensão na
               freqüência da rede,
               com duração de 0,5
               ciclo até 1 min
Afundamento de Tensão

    Causas       Falta local ou
                   remota
                  Partida de
                   grandes motores
    Impacto      Prejudica o
                   funcionamento de
                   equipamentos
                   sensíveis
Elevação de Tensão

            Acréscimo entre 1.1
             e 1.8 pu do valor
             eficaz da tensão na
             freqüência da rede,
             com duração de 0,5
             ciclo até 1 min
    Elevação de Tensão

   Causa         Faltas fase - terra


   Impactos      Sobretensão nos
                   equipamentos
                  Danos a supressores
                   de sobretensão
Variação de Tensão de
Longa Duração

   Sobretensão
   Subtensão
Sobretensão

            Acréscimo maior
             do que 110 % do
             valor eficaz da
             tensão na
             freqüência da
             rede, com duração
             superior a 1 min
     Sobretensão

                 Introdução de banco
   Causas        de capacitores
                 Desligamento de
                  cargas pesadas
                 Sistema de regulação
                  de tensão
   Impacto      Alteração de
                  desempenho e/ou
                  vida útil de certos
                  equipamentos
Subtensão

           Decréscimo abaixo
            de 90 % do valor
            eficaz da tensão
            na freqüência da
            rede, com duração
            superior a 1 min
     Subtensão

                 Retirada de banco de
   Causas        capacitores
                 Entrada de cargas
                  pesadas
                 Sistema de regulação
                  de tensão
   Impacto      Alteração de
                  desempenho e/ou
                  vida útil de certos
                  equipamentos
Interrupções

   Interrupção momentânea: de 0,5
    até 3 segundos
   Interrupção temporária: de 3 a
    60 segundos
   Interrupção de longa duração:
    acima de 1 minuto
Interrupções
   Causas       Faltas temporárias
                  (exemplo: galho)
                 Descarga atmosférica
                 Faltas permanentes
   Impacto      Interrupção da
                  operação com perda
                  de produção e lucros
                  cessantes
Distorção na Forma de Onda
       Harmônicas

       Onda deformada por comutação

       Onda com ruído superposto
  Harmônicas
São produzidas por cargas não
lineares, tais como equipamentos de
eletrônica de potência.
Essas cargas geram correntes não
senoidais mesmo sendo alimentadas
com tensão senoidal.
    Harmônicas
   Causa         Cargas não lineares


   Impactos      Operação prejudicada
                   de equipamentos
                   sensíveis
                  Falhas em capacitores
                   ou queima do fusível
                  Interferência na
                   comunicação telefônica
  Onda deformada
  por comutação
Distúrbio na forma de onda da tensão
causada pela operação normal de
chaves semicondutoras quando a
corrente é comutada de uma fase para
outra.
    Onda deformada
    por comutação

   Causa        Operação normal de
                  retificadores


   Impacto      Operação prejudicada
                  de equipamentos
                  sensíveis
  Onda com ruído
  superposto
É qualquer sinal elétrico não desejado
com intervalo de freqüência menor do
que 200 kHz superposto á corrente ou
tensão do sistema.
    Onda com ruído
    superposto

   Causas        Fontes chaveadas
                  Solda elétrica

   Impactos      Prejudica o
                   funcionamento de
                   microcomputadores,
                   controladores lógicos
                   programáveis, etc
  Flutuação de Tensão
        “Flicker”
É causada por carga que varia rápida
e continuamente a corrente solicitada,
particularmente a sua componente
reativa.
    Flutuação de Tensão
          “Flicker”

   Causa         Fornos a arco

   Impactos      Variação do fluxo
                   luminoso em lâmpadas,
                   abalando o sistema
                   nervoso devido ao
                   desconforto visual
                  Oscilação de potência e
                   de torque em motores
Variação na Freqüência

Desvio no valor nominal da freqüência
fundamental do sistema elétrico.
    Variação na Freqüência

   Causas       Falta em ponto importante
                  do sistema elétrico
                 Desconexão de grandes
                  blocos de carga
                 Desconexão de uma
                  grande fonte de geração

   Impacto      Prejudica a operação de
                  equipamentos
Desequilíbrio de Tensão

 É a condição na qual as fases
 apresentam diferentes valores de
 tensão tanto em módulo como em
 fase.
 A caracterização da presença de
 desequilíbrios pode ser feita
 através de diferentes métodos.
     Método das
componentes simétricas
 Neste método, o grau de
 desequilíbrio é definido pela
 relação entre os módulos da tensão
 de seqüência negativa e da tensão
 de seqüência positiva.


                  V2
   GD %              100
                  V1
  Método do máximo
desvio da tensão média
 Neste método, o grau de
 desequilíbrio é definido como a
 relação entre o máximo desvio da
 tensão média e a tensão média.


           V
   GD %          100
          Vmédio
 Harmônicas

São distorções na forma de onda
da tensão e/ou corrente,
caracterizadas por sinais senoidais
com freqüências múltiplas e inteiras
da freqüência fundamental.
Harmônicas
Harmônicas
Cargas não lineares

São cargas que, embora sujeitas a
uma tensão senoidal, solicitam da
rede uma corrente não senoidal.
Equipamentos que se utilizam da
eletrônica de potência recortam a
onda de corrente.
Distorção Harmônica
Individual

É a relação entre a amplitude da
harmônica de ordem “h” e a
correspondente grandeza
(corrente ou tensão) fundamental


          Ih
    DHI      100
          I1
Distorção Harmônica Total

  É a relação entre o valor eficaz
  das componentes harmônicas e
  a correspondente grandeza
  (corrente ou tensão) fundamental


            I  I  I  I  
             2   2    2   2
DHT         2   3    4   5
                    I1
Fator de Deslocamento

É o cosseno do ângulo de
defasagem entre a onda
fundamental de tensão e a onda
fundamental de corrente.
O cos só é igual ao F.P. no caso
de ondas puramente senoidais.
Conceitos - Harmônicas

As harmônicas de corrente exigem
um sobredimensionamento da
instalação elétrica e dos
transformadores, além de aumentar
as perdas (efeito pelicular).
Conceito

A componente de 3a harmônica da
corrente, em sistema trifásico com
neutro, pode ser muito maior do que
o normal.
Conceito

As componentes harmônicas podem
excitar ressonâncias no sistema de
potência, levando a picos de tensão
e de corrente, podendo danificar
dispositivos conectados à linha.
 Conceito

As componentes harmônicas da
corrente também contribuem para o
aumento da corrente eficaz, de modo
que elevam a potência aparente sem
produzir potência ativa (supondo a
tensão senoidal). Assim, uma correta
medição do FP deve levar em conta a
distorção da corrente, e não apenas a
componente reativa (na freqüência
fundamental).
Conceito

Num caso genérico, tanto a
componente fundamental quanto as
harmônicas podem produzir
potência ativa, desde que existam
as mesmas componentes espectrais
na tensão e na corrente, e que sua
defasagem não seja 90 graus.
Efeito das Harmônicas
   Motores e Geradores
   Transformadores
   Cabos de Alimentação
   Capacitores
   Equipamentos Eletrônicos
   Aparelhos de medição
   Fusíveis
   Relés de proteção
Motores e Geradores

Provoca o aumento do
aquecimento devido ao aumento
das perdas no ferro e no cobre.
Afeta-se, assim, sua eficiência e o
torque disponível. Além disso,
tem-se um possível aumento do
ruído audível, quando comparado
com alimentação senoidal.
Motores e Geradores

Algumas componentes harmônicas,
ou pares de componentes (por
exemplo, 5a e 7a, produzindo uma
resultante de 6a harmônica) podem
estimular oscilações mecânicas em
sistemas turbina-gerador ou motor-
carga, devido a uma potencial
excitação de ressonâncias
mecânicas.
  Transformadores
Também neste caso tem-se um
aumento nas perdas. Harmônicos na
tensão aumentam as perdas no ferro,
enquanto harmônicos na corrente
elevam as perdas no cobre. A
elevação das perdas no cobre deve-
se principalmente ao efeito pelicular,
que implica numa redução da área
efetivamente condutora à medida que
se eleva a freqüência da corrente.
Transformadores


O efeito das reatâncias de
dispersão fica ampliado, uma vez
que seu valor aumenta com a
freqüência. Isso prejudica a
regulação dos transformadores
devido à maior queda de tensão.
Cabos de Alimentação

 Em razão do efeito pelicular, que
 restringe a seção condutora para
 componentes de freqüência
 elevada, também os cabos de
 alimentação têm um aumento de
 perdas e queda de tensão devido
 às harmônicas de corrente.
Cabos de Alimentação

 Tem-se, também, o chamado
 "efeito de proximidade", o qual
 relaciona um aumento na
 impedância do condutor em função
 do efeito dos campos magnéticos
 produzidos pelos demais
 condutores colocados nas
 adjacências.
     Capacitores

O maior problema é a possibilidade
de ocorrência de ressonâncias
(excitadas pelas harmônicas),
podendo produzir níveis excessivos
de corrente e/ou de tensão.
     Capacitores

As correntes de alta freqüência, que
encontrarão um caminho de menor
impedância pelos capacitores,
elevarão as suas perdas ôhmicas. O
decorrente aumento no aquecimento
do dispositivo encurta a vida útil do
capacitor.
Equipamentos Eletrônicos

   Alguns equipamentos são muito
   sensíveis a distorções na forma de
   onda de tensão. Por exemplo, se
   um aparelho utiliza os cruzamento
   com o zero para realizar alguma
   ação, distorções na forma de onda
   podem alterar, ou mesmo
   inviabilizar, seu funcionamento.
Equipamentos Eletrônicos

    Caso as harmônicas penetrem na
    alimentação do equipamento por
    meio de acoplamentos indutivos e
    capacitivos (que se tornam mais
    efetivos com a aumento da
    freqüência), eles podem também
    alterar o bom funcionamento do
    aparelho.
Aparelhos de Medição

Os instrumentos eletrônicos de
medição são capazes de efetuar
leituras baseados nos valores
eficazes verdadeiros,
independentemente das formas de
onda envolvidas, porém tais
instrumentos são de custo superior
aos convencionais.
Aparelhos de Medição

Os transformadores de potencial e
de corrente ( TP’s e TC’s ) utilizados
para medição não são afetados nas
condições de conteúdo harmônico
normalmente encontrados em
sistemas elétricos.
Aparelhos de Medição

Dispositivos com discos de indução,
como os medidores de energia, são
sensíveis a componentes
harmônicas, podendo apresentar
erros positivos ou negativos,
dependendo do tipo de medidor e da
harmônica presente. Em geral a
distorção deve ser elevada (>20%)
para produzir erro significativo.
        Fusíveis

É preciso empregar um redutor em
relação ao seu valor nominal de
corrente. Não existem ainda padrões
referentes a níveis de harmônicas
que tais dispositivos devam suportar
ou ter capacidade de interromper o
fluxo.
  Relés de proteção

Os relés, geralmente, apresentam
tendência de atuar de modo mais
lento e com valores de atuação
mais elevado, na presença de
distorção harmônica. No entanto, o
inverso também acontece.
   Relés de proteção

Na maior parte dos casos em que o
THD mantém-se na faixa de 5 %, as
mudanças na operação dos relés
são pequenas. Relés de
sobretensão e de sobrecorrente de
fabricantes diferentes apresentam
comportamentos também diferentes
na presença de distorção harmônica.
Documentos Brasileiros
 “Critérios e procedimentos para o
 atendimento a consumidores com
 cargas especiais”. Publicado em
 fevereiro de 1993.
 “Procedimentos de medição para
 aferição da qualidade da onda de
 tensão quanto ao aspecto de
 conformidade”. Publicado em
 novembro de 1997.
Recomendação IEEE

Os limites estabelecidos referem-
se aos valores medidos no Ponto
de Acoplamento Comum (PAC).
A filosofia é que não interessa ao
sistema o que ocorre dentro de
uma instalação, mas sim o que
ela reflete para o exterior.
Limites de distorção de tensão

                  Distorção    THD
                  individual
 69 kV e abaixo      3%        5%

   69 kV até        1,5%       2,5%
    161kV
   Acima de          1%        1,5%
    161kV
Bibliografia Recomendada

Electrical Power Systems Quality
        Dos autores:

        Roger C. Dugan
        Mark F. McGranaghan
        H. Wayne Beaty

								
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