ENERGIA JUNH I FLUTUAÇ A EEL805 HO/2013. I.1 Definição magnitudes das. do envelopee de. são. nos sinais de tensão das. da tensão de. I.

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1 TRABALHO DE CONDICIONAMENTO DE ENERGIA JUNH UNIVERSIDADE FEDERAL F DE ITAJUBÁ ENGENHARIA ELÉTRICA E HO/2013 A EEL805 MÉTODOS PARA MITIGAÇÃO DE FLUTUAÇÕES DE TENSÃO Camila Carvalho Braz Marina Junqueira Melchior Prof. Dr. José Maria Carvalho Filho Instituto de Sistemas Elétricos e Energia ( ISEE) I FLUTUAÇ ÇÕES DE TENSÃO I.1 Definição Conceitualmente, flutuações de tensão podem ser definidas como variações repetitivas, aleatórias ou esporádicas do envelope da onda de tensão, geralmente provocadas pela operaçãoo de cargas com características de alterações rápidas e bruscas nas magnitudes das potências ativa e reativa como, por exemplo, como as verificadas nos fornos a arco. As flutuações de tensão, de uma maneira geral, estão mais fortemente relacionadas a variações bruscas e rápidas na amplitude da componente de potência reativa. O conceito de flutuação de tensão é comumente confundido com outros tipos de variações na magnitude da tensão de suprimento, notadamente com as variações de tensão de longa duração. As flutuações de tensão são caracterizadas por variações rápidas, da ordem de ciclos de duração, repetitivas ou aleatórias, da envoltória da onda de tensão, não são passíveis de estabilização através dos equipamentos de regulação tipicamente encontrados nas redes elétricas. A figura-1 ilustra um exemplo de flutuação senoidal da onda de tensão, com detalhamento do envelopee de modulação. Na prática, o comportamento do envelope de modulação é totalmente aleatório em termos de frequência e amplitude de modulação. Até muito recentemente, as flutuações de tensão eram associadas tão somente à operação de cargas com características de alterações rápidas e bruscas nas magnitudes das potências ativaa e, principalmente, reativa. Contudo, a partir do início do século XXI, o fenômeno da flutuação de tensão começou a ser analisado sob um novoo enfoque, notadamente no que diz respeito à presença de componentes inter-harmônicas nos sinais de tensão das redes de energia elétrica. Neste sentido, um novoo conceito mais amplo e abrangente para o fenômeno da flutuação de tensão foi sugerido: As flutuações de tensão são variações repetitivas, aleatórias ou esporádicas do valor eficaz da tensão de fornecimento, provocadas pela operação de cargas capazes de produzir componentes de frequências inter-harmônicas nos sinais de tensão das redes de energia elétrica. I.2 Classificação A classificação das variações de tensão RMS é mostradaa na Figura-2. As áreas hachuradas correspondem às variações de tensão consideradas neste trabalho. Fig. 2 Classificação das variações de tensão. Paraa qualquer sistema elétrico, a tensão na carga é diferente da tensão na fonte. Isto pode ser demonstradoo pelo circuito equivalente monofásico da Figura 3a. A equação (1) mostra como o valor da queda de tensão U,, mostrada na Figura 3b, pode ser obtidoo a partir do diagrama fasorial. Fig. 1 Forma de onda do sinal resultante 1

2 Fig. 4 Exemplo de flutuação de tensão I.3 Características Fig. 3 (a) Circuito equivalente monofásico da rede de alimentação e (b) diagrama fasorial para uma carga resistiva-indutiva. Onde: E: tensão da fonte; U 0 : tensão nos terminais da carga; I 0 : corrente; Z S, X S, R S : impedância equivalente, reatância e resistência do sistema; P,Q: potência ativa e reativa da carga; S ZW W: potência de curto-circuito no pontoo de conexão da carga (S SC ). Assumindo que a resistência equivalente da linha é desprezível quando comparada com a sua reatância (X S > 10 R S ), o que é verdade para sistemass em média e alta tensão, a equação (1a) define o valor relativo da variação de tensão na barra da carga. (1 1 Dependendo de sua causa, a variação de tensão ΔU pode assumir a forma de uma queda de tensão com um valor constante, por um longo intervalo de tempo; uma variação de tensão lenta ou rápida; ou uma flutuação de tensão repetitiva ou aleatória. Conforme já citado, flutuação de tensão é definida como uma série de variações da tensão RMS ou uma variação cíclica da envoltória da forma de onda da tensão, conforme ilustrado na Figura 4. 1) As característicass que definem as flutuações de tensão são: A amplitude da variação de tensão (diferença entree os valores RMS ou de pico máximo e mínimo ocorrida durante a perturbação) ); O número de variações de tensão durante uma unidade especificada de tempo ou frequência; Os efeitos resultantes, tal como a cintilação luminosa, ou efeito flicker, são quantificados pelos indicadores P ST ou P LT. I.4 Fontes de Flutuações de Tensão Da relação indicada na equação (1a), pode ser visto que a causa primária das variações de tensão é a variação no tempo do componente de energia reativa das cargas. Tais cargas incluem, por exemplo, fornos ao arco, laminadores e máquinas de solda. A Figura-5 mostra o comportamento da tensão em função da variação da potencia reativa demandada por um forno a arco. Vale também observar que as cargas de pequena potência, tais como partida de motores de indução, máquinas de solda, caldeiras, reguladores de tensão, serras e martelos elétricos, bombas e compressores, guindastes, elevadores, etc. também podem ser fontes de flutuação de tensão nas redes de baixa tensão. A Figura-6 mostra o comportamento da tensão em função da variação da correntee demandada pela máquina de solda. Variações no despacho de geração, como, por exemplo, turbinas eólicas, também podem provocar o mesmo efeito no sistema elétrico onde as fazendas eólica são acopladas. Em alguns casos, flutuações de tensão podem ser causadas por inter-harmônicas de tensão de baixaa frequência. 2

3 Fig. 5 Variações na potência reativa e as flutuações de tensão resultantes no ponto de conexão de um forno a arco. Fig. 6 Flutuações de tensão durante o processoo de soldagem. I.5 Efeitos De uma maneira geral, as flutuações de tensão podem causar uma série de efeitos indesejáveis nas redes elétricas, ocasionando falhas e interrupção de processos. Todos os efeitos relacionados às flutuações de tensão podem provocar perdas financeiras, em maior ou menor intensidade, seja através do comprometimento dos processos de produção, seja pelo aumento dos custos de manutenção ou perda de material. Apesar dos diversos efeitos que possam ser associados às flutuações de tensão, o efeito denominado cintilação luminosa, ou flicker, é o mais conhecido. Inclusive, e principalmente no Brasil, o termo flutuação de tensão é comumente confundido com o fenômeno da cintilação luminosa. Contudo, vale ressaltar que o efeito visual das flutuações de tensão compõe apenas um dos efeitos relacionados à flutuação da amplitude e frequência da onda modulante. Os principais efeitos associados às flutuações de tensão nos sistemas de energia elétrica são: Efeitos em máquinas elétricas As flutuações de tensão nos terminais de um motor de indução, principalmente com frequências situadas entre 0,2 e 2,0 Hz, podem causar oscilaçõess eletromecânicas, com consequentes variações no torque e no escorregamento da máquina, afetando o processoo de produção ao qual a máquina está vinculada. Nos casos mais severos, podem surgir vibrações excessivas, resultando em uma fadiga mecânica do motor e a redução de sua vida útil. Efeitos em retificadores e inversores Os efeitos mais comuns das flutuações de tensão em retificadores e inversores de frequência estão relacionados com a geração de harmônicas não características, assim como a geração de componentes de frequências inter-harmônicas. No pior caso, a existência de flutuações de tensão nos terminais destes equipamentos pode resultar em falhas de comutação. Efeitos em equipamentos de aquecimento Na presença de níveis consideráveis de flutuações de tensão, a eficiência de todos os equipamentos de aquecimento como, estufas, fornos a arco e fornos a indução, reduz-se significativamente. Portanto, estess equipamentos podem requerer tempos maiores para cadaa ciclo de operação, aumentando-se os custos envolvidos em cada processo e diminuindo a produtividade. De uma maneiraa geral, as flutuações de tensão e as componentes de tensão inter-harmônicas estão fortementee relacionadas, de modo que todos os efeitos associados às componentes de frequências inter-harmônicas estão também associados às flutuações de tensão nos sistemass elétricos. Assim, entre outros efeitos das flutuações de tensão, podem-se citar: Falhas de sensores e equipamentos de comando elétrico que operam através da identificação da passagem por zero ou de pico dos valores instantâneos da tensão e/ou corrente elétrica; Aquecimento adicional em máquinas e condutores devido ao incremento de parcelas de perdas Joulicas; Saturação de transformadoress de corrente; Interferência em sistemas de telecomunicaç ção; Incremento de vibrações mecânicas e ruídos audíveis; Cintilação luminosa, ou flicker. O efeito da cintilação luminosa (flicker), em função talvez devido a sua percepção direta por parte da maioriaa dos observadores humanos, é o mais discutido e analisado mundialmente. A própria metodologia de quantificação de flutuações de tensão, atualmentee utilizada em vários países do mundo, é baseadaa substancialmente neste particular efeito do fenômeno da flutuação de tensão. II MÉTODOS DE MITIGAÇÃO Os efeitos das flutuações de tensão dependem, em primeiro lugar, de suas amplitudes e frequência, influenciadas pelas características do sistema de potência, do tipo de carga e a natureza de sua operação. Normalmente, medidas de mitigação são utilizadas em ações focadas para limitar a amplitude das flutuações de tensão. II.1 Compensadores Dinâmicos de Tensão Controladores dinâmicos de tensão correspondem a uma solução tecnicamente viável para a eliminação ou mitigação de flutuações de tensão. Suas efetividades dependem principalmentee da potência nominal e da velocidade de resposta. A demanda variável de potência reativa na frequência fundamental produzem variações de tensão nas impedâncias da rede de alimentação. Dependendo se a potência reativa é indutiva ou capacitiva, o valor de tensão RMS no ponto de conexão comum (PCC) pode ser aumentado ou reduzido. A Figura 7 mostra a classificação de várias soluções paraa o controle da tensão do sistema. Elas são aplicáveis em sistemas trifásicos, de elevada potência nominal, 3

4 projetados para realizar o controle da tensão na barra principal de um sistema de distribuição, de uma carga específica ou de um grupo de cargas. Tipos de Compensadores série do circuito, elevando-se os níveis de curto- circuito; Elevação dos níveis de tensão de fornecimento, reduzindo-se a corrente de linha; Implementação de sistema de compensação série (capacitor série) no circuito de alimentação da planta industrial, de forma a reduzir a impedância do circuito; Duplicação do circuito de alimentação da plantaa industrial, reduzindo-se a sua impedância; Instalação de compensador síncrono. As soluções apresentadas acima possuem custoss envolvidos substancialmentee elevados. No caso específico da implementação de um sistema de compensação série, cuidados especiais devem ser tomados com o intuito de não se possibilitar a ocorrência de ressonância série no sistema, o que poderia excitar frequências de oscilação subsíncronas em equipamentos rotativos, com possíveis danos mecânicos aos mesmos. IV INSTA ALAÇÃO DE COMPENSADORES ESTÁTICOS E AUTOCOMUTADOS Fig. 7 Classificação dos compensadores dinâmicos de tensão. III ELEV VAÇÃO DO NÍVEL N DE CURTO CIRCUITO O nível de curto-circuito em um determinado barramento elétrico é um indicador natural da proximidade elétrica da geração ou, em outros termos, da robustez do sistema elétrico. Considerando-se o equacionamento segundo o qual resultouu a equação (1a), pode-se facilmente verificar que com o aumento dos níveis de curto-circuito (Szw), a amplitude das variações de tensão diminui na proporção inversa. Onde: U/E = Amplitude da variação/flutuação da tensão de fornecimentoo nos terminais da carga; Q = Variação da potência reativa da carga; Szw = Potência de curto-circuito nos terminais da carga. Portanto, aumentando-se o nível de curto-circuitoo nos terminais da carga, ocorre uma diminuição da variação/flutuação de tensão, para uma mesma amplitude de variação de carga. Nesse sentido, têm-se as seguintes alternativas para elevação dos níveis de curto-circuito nos terminais da carga. Recondutoramento do circuito de alimentação da planta industrial (linha de transmissão e distribuição), de forma a reduzir a impedância Além das soluções já apresentadas, as quais promovem a elevação direta dos níveis de curto-circuito nos terminais da carga, existem ainda outros métodos de mitigação das flutuações de tensão, baseados em compensadoress estáticos com excelentes tempos de resposta. Dentre os principais compensadores estáticos, podem-se citar: Capacitor chaveado a tiristores (CCT); Reator controlado a tiristores (RCT); Soluções mistas (RCT + CCT); Reator núcleo saturado (soluçãoo antiga em desuso). V CAPACIT TOR CHAVEADO POR TIRISTOR CCT V.1 Definição Os Capacitores Chaveados por Tiristores CCT, ou em inglês Thyristor Switched Capacitor TSC,, corresponde a uma solução onde diversoss estágios de bancos de capacitores são chaveados (ligados ou desligados) por meio de chaves tiristorizadas CA, conforme pode ser visto na Figura 10. Então, os valores das susceptânciass equivalentes do compensador variam de uma maneiraa discreta dependendo do número de estágios conecta barra do sistema. A sincronização do chaveamento evitam a ocorrência de sobrecorrentes e sobretensões normalmente relacionadas ao chaveamento de capacitores. O tempo de resposta para operaçãoo simétrica não excede a 1 ciclo. 4

5 Fig. 8 (a) Diagrama esquemático de um compensador de CCT e (b) formas de onda de corrente e tensão durante o chaveamento de capacitor. V.2 Características Básicas Controla a tensão da barra; Corrige o fator de potência do forno; Apresenta resposta lenta; Chaveamento próximo da tensão pré-carga do capacitor; Não gera harmônicos e nem transitórios de chaveamento. Fig. 9 Reator controlado a tiristor e Reaotr controlado a tiristor com capacitor fixo. VII SO OLUÇÃO MIS TA CCT+ RCT De forma a compensar as desvantagens apresentadass tanto pelo CCT quanto pelo RCT, é comumm a utilização de soluções mistas, como a indicada na figura 10, consistindo na combinação das duas soluções já citadas. VI REAT TOR CONTROLADO A TI IRISTOR - RCT O reator controlado a tiristores, mostrado na figura 9, por sua vez controlam a tensão da barra. Este apresenta uma característicaa indutiva e não corrige o fator de potência do forno, porém permite tempos de resposta menores que aqueles possíveis com a utilização do CCT, o que lhe confere uma capacidade maior de compensar as flutuações rápidas da carga. No entanto, por produzir descontinuidade de condução de corrente, introduz harmônicas no sistema elétrico, que variam em amplitude com o ângulo de disparo dos tiristores. Como consequência direta, o RCT requer a utilização de filtros sintonizados passivos, ou então de configurações físicas com maior número de tiristoress (pontes de 12 ou 24 pulsos) de forma a reduzir o impacto das distorções harmônicas geradas, elevando-se sobremaneira os custos da solução. Fig. 10 Solução Mista de um CCT+RCT VII.1 Características Básicass Associa as melhores qualidades dos compensadores CCT e RCT; Atua de forma continua por agir nas regiões capacitiva e indutiva; Controla a tensão da barra; Corrige o Fator de Potência do Forno; O controle grosso da tensão fica a cargo do CCT; O controle fino da tensão fica a cargo do RCT; Apresenta tempo de resposta adequado. Em alguns casoss existe a colocação de um filtro em paralelo com o CCT e RCT, conforme figura 11. 5

6 Fig. 11 Solução mista CCT + RCT + Filtros VIII RE EATOR DE NÚCLEO SATU URADO RNS seu efeito. Ele afeta a qualidade fundamental do serviço a concessionária quer dizer, a habilidade de prover uma iluminação estável e consistente para o consumidor. Desenvolvimentos em eletrônica de potência, em particular na fabricação de dispositivos semicondutores, permitiram a construção prática de sistemas dinâmicos de controle de tensão com potências nominais cada vez maiores, enquanto que ao mesmo tempo foram reduzidos os investimentos e os custos operacionais. A disponibilidade de equipamentos com habilidades paraa executar algoritmos complexos de controle permite a implementação de diversas funções complexas. VIII.1 Definição Este foi um dos primeiros compensadores estáticos aplicados em escala industrial para mitigar os efeitos de flutuações de tensão. O reator é projetado de modo que a característicaa de magnetização tenha um joelho definido com uma pequena rampa linear positiva acima do ponto de saturação, conforme é mostrado na Figura 12. O reator é projetado de forma que, no mínimo da faixa de tensão, o núcleo está muito perto da saturação e circula uma correntee de magnetização, semelhante ao caso de um transformador sem carga. Neste estado, não há praticamentee nenhuma influência na amplitude da tensão. Na tensão nominal o reator está saturado e, assim, uma variação pequena na tensão de alimentação resulta numa variação considerável na corrente. O compensador normalmentee é conectado à rede de alimentação sem um transformador. [1] [2] [3] [4] X REFER RÊNCIAS J. M. Carvalho Filho, Notas de aula de Qualidade de Energia. UNIFEI E. Franco, Qualidade de Energia Causas, Efeitos e Soluções, Engecomp. IECOM, Centro de Engenharia Elétrica e Informática da Universidade Federal de Campina Grande Z. Hanzelka, A. Bién, Cintilamento. Cooper Distúrbios Davelopmet de Tensão: Association, AGH University of Science and Technology Disponível energy.org.br/> em: < Z. Hanzelka, A. Bién, Distúrbios de Tensão: Medição de Cintilamento (Flicker). Cooper Davelopmet Association, AGH University of Sciencee and Technology Disponível em: < Fig. 12 Princípio de operação do reator auto- saturado: (a) diagrama esquemático e (b) característica magnética no núcleo. VIII.2 Características Básicas O controle é intrínseco (sem malha de controle adicional); Baixo fator de potência; Perdas ferromagnéticas elevadas e aquecimento; Geração de harmônicos (não linearidadee do núcleo). IX C CONCLUSÃO A cintilação luminosa (flicker) é um fenômeno subjetivo. Consequentemente, é difícil determinarr o custo direto de 6