Distorções Harmônicas Geradas por Algumas Cargas Não lineares com Tensões Senoidais

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1 1 Distorções Harmônicas Geradas por Algumas Cargas Não lineares com Tensões Senoidais Manuel Losada y Gonzalez, Márcio Melquíades Silva, Felipe Althoff, Selênio Rocha Silva Resumo A expansão do uso de cargas eficientes não lineares nos setores residenciais e comerciais tende a aumentar as distorções harmônicas nas redes do sistema elétrico brasileiro e, consequentemente, diminuir a qualidade da energia. Para estimar as distorções nas redes de distribuição, através de processos determinísticos ou estocásticos, é útil conhecer inicialmente o comportamento de cada carga alimentada em várias tensões fornecidas por uma fonte senoidal. Este artigo tem como objetivo apresentar resultados de medições de três tipos das principais cargas não lineares residenciais e comerciais nessas condições. As cargas são lâmpadas (lâmpada fluorescente compacta, lâmpada fluorescente tubular, lâmpada tubular de LED), televisores com telas de CRT e LCD, computadores desktop e notebook. Palavras-chaves Cargas não lineares, Distorção harmônica total, Medições, Qualidade de energia. D I. INTRODUÇÃO esde muito tempo, tem havido uma preocupação mundial com a qualidade de energia elétrica e muita pesquisa tem sido feita para identificar distorções harmônicas de cargas não lineares industriais e como minimizar seus efeitos sobre os sistemas elétricos [1]. Problemas associados com harmônicos atormentaram engenheiros desde o início dos sistemas elétricos. Por décadas, estes harmônicos têm sido citados como a fonte de uma variedade de problemas [2]. No Brasil, o setor industrial era o mais expressivo no consumo de energia elétrica e com distorções harmônicas de corrente quando comparadas aos setores residenciais e comerciais [3]. Esta expressividade tem diminuído. Tomando como exemplo: em 198, o setor industrial brasileiro consumia 55,6 % de toda energia elétrica, enquanto que os setores residenciais e Os autores agradecem à FAPEMIG e ao CNPq pelo suporte financeiro aos projetos e às atividades de pesquisa que possibilitaram o desenvolvimento deste artigo. Este Artigo foi produzido com resultados obtidos no projeto APQ /7 financiado pela FAPEMIG. Manuel Losada y Gonzalez é Professor Associado no Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG, Belo Horizonte, MG, ( manuel@cpdee.ufmg.br). Márcio Melquíades Silva é Doutorando no Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFMG, Belo Horizonte, MG, ( marcioms@ufmg.br). Felipe Althoff é Graduando no Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da UFMG, Belo Horizonte, MG, e Bolsista de Iniciação Científica da FAPEMIG ( althoff@ufmg.br). Selênio Rocha Silva é Professor Titular no Departamento de Engenharia Elétrica da UFMG, Belo Horizonte, MG, ( selenios@dee.ufmg.br). comerciais consumiram 19,% e 11,2%, respectivamente, totalizando 33,2%. Em 2, o consumo industrial encontravase em 44,2%, o do setor residencial em 25,2% e o do setor comercial em 14,3%, totalizando 39,5% nos dois últimos setores. Estes percentuais mantiveram praticamente estáveis nos últimos anos [4], [5]. Antigamente, não havia grandes preocupações com harmônicos gerados pelas cargas não lineares dos setores residenciais e comerciais. Os aparelhos do setor residencial tinham consumos pequenos (exemplos: televisores, aparelhos de som e micro-ondas) ou tinham baixas distorções harmônicas (exemplos: geladeira, aparelhos de ar condicionado). As cargas de maiores consumos eram lineares, como as de aquecimento (exemplos: chuveiros, fornos elétricos) e iluminação (exemplo: lâmpadas incandescentes). Em 21, aproximadamente 5% da energia elétrica consumida no País passava por algum dispositivo com eletrônica de potência antes que ela fosse finalmente utilizada [6]. Nos últimos anos, mesmo tendo surgido intenso uso de dispositivos eletrônicos para controle de motores nos setores industrial e comercial, nas residências houve a popularização do uso de equipamentos eletrônicos, tais como microcomputadores pessoais, impressoras, vídeos-game, televisores, entre outros, que são cargas não lineares e geram distorções harmônicas [7]. Algumas destas cargas residenciais são também utilizadas no setor comercial. Com o uso de tecnologias de iluminação mais eficientes nestes dois últimos setores, a distorção harmônica total (DHT) de tensão (DHTv) e de corrente (DHTi) certamente aumentaram no sistema elétrico nacional. Além disto, acredita-se que as cargas não lineares devem-se tornar mais significativas futuramente no consumo de energia elétrica frente às cargas lineares. Então, é esperado que a geração de distorções harmônicas nos setores residencial e comercial tornem-se tão importante ou mais quando comparada a mesma geração de distorção no setor industrial, contribuindo para a DHT do sistema elétrico e consequentemente com sua qualidade de energia. Os harmônicos podem causar diversos danos às instalações elétricas e seus equipamentos energizados, tais como a alteração no valor da corrente de disparo de disjuntores; sobreaquecimento dos condutores; alteração do torque e ruídos em motores elétricos e danificação de bancos de capacitores devido aos fenômenos de ressonância [7]. As distorções harmônicas de corrente em cargas

2 2 residenciais e comerciais têm sido medidas quando estas cargas são alimentadas pelas redes elétricas das distribuidoras de energia elétrica [1], [8], [9]. A Tabela I mostra valores médios de DHTi de algumas cargas. Mostra também valores médios de DHTv dos sistemas elétricos nos pontos de instalação dessas cargas nos momentos das medições. Sabe-se também que as redes elétricas têm suas distorções harmônicas de tensão e que estas distorções interferem sobre o comportamento das distorções harmônicas geradas pelas cargas não lineares [1]. TABELA I VALORES MÉDIOS DE DHT DE TENSÃO (DHTV) E CORRENTE (DHTI) EM CARGAS RESIDENCIAIS E COMERCIAS ALIMENTADAS POR REDES ELÉTRICAS DE DISTRIBUIDORAS DE ENERGIA Carga DHTv (%) Lâmpadas fluorescentes tubulares com (%)Posse reatores eletromagnéticos (4 amostras) 4,3 11,9 Lâmpadas fluorescentes tubulares com reatores eletrônicos (3 amostras) 4,2 12,5 Lâmpadas fluorescentes compactas (7 amostras) 4,2 112, Geladeiras (5 amostras) 3, 9,1 Televisores (5 amostras) 2,3 11, Ferro de passar roupa (1 amostra) 4,1 4,1 Microcomputadores (7 amostras) 3,9 12,2 Aparelhos de ar condicionado modo resfriar (9 amostras) 2,3 13,8 Lâmpada Vapor de Mercúrio (1 amostra) 3,2 35, Lâmpada Vapor de Sódio (1 amostra) - 56,1 Lâmpada Mista (1 amostra) - 29,2 Para estimar as distorções nas redes elétricas de distribuição através de processos determinísticos e estocásticos, é útil conhecer inicialmente o comportamento de cada carga atendida por uma fonte de tensão senoidal. Este artigo tem como objetivo apresentar os resultados de medições de três tipos das principais cargas não lineares residenciais e comerciais, quando alimentadas por uma fonte de tensão senoidal. II. AS CARGAS MEDIDAS O trabalho de medição considerou várias cargas residenciais e comerciais, porém neste artigo são apresentados os resultados de lâmpadas, televisores e computadores pessoais. III. A INSTRUMENTAÇÃO UTILIZADA NAS MEDIÇÕES Todas as medições foram realizadas no LabPEE Laboratório de Pesquisa em Eficiência Energética da Escola de Engenharia da UFMG. Utilizou-se os seguintes instrumentos: A. Fonte de tensão Buscando uma fonte que fornecesse uma tensão ideal, sem distorções harmônicas, optou-se pela fonte Agilent 6813B que fornece a tensão com uma DHT próxima de zero, abaixo de,1%. B. Medidor de harmônicos Foi usado o analisador de qualidade de energia ION 765 da Power Measurement/Schneider que tem classe de exatidão de,1% de tensão e corrente. Este analisador fornece módulos e ângulos de harmônicos até 32ª. ordem. Os valores de harmônicos apresentados neste trabalho foram aqueles disponibilizados pelo próprio analisador, porém, tendo em vista a clareza dos gráficos, foram apresentam resultados até o 21º. harmônico e desconsiderados os harmônicos pares devido suas baixas amplitudes. IV. AS TENSÕES UTILIZADAS NAS MEDIÇÕES As cargas medidas trabalham com tensão nominal 127 V. Examinando, no PRODIST, as tensões de atendimento nos pontos de conexão das distribuidoras de energia com os consumidores, tem-se três faixas de variação da tensão de leitura, que são aquelas apresentadas na tabela II [11]. Considerando estas faixas, selecionou-se as tensões de 19 V, 112 V, 116 V, 121 V, 127 V, 133 V e 14 V, que representam quatro limites das faixas (19 V, 116 V, 133 V e 14V) e outros três pontos intermediários (112 V, 121 V, ), totalizando sete pontos de medição. As tensões foram escolhidas com variações menores que 5%, objetivando uma análise mais detalhada no padrão de comportamento das cargas a serem analisadas. TABELA II LIMITES DE TENSÃO (TL) NOS PONTOS DE CONEXÃO DAS DISTRIBUIDORAS DE ENERGIA COM OS CONSUMIDORES Tensão de Atendimento Faixa de Variação da Tensão (Volts) Adequada 116 TL 133 Precária 19 TL<116 ou 133<TL 14 Crítica TL<19 ou TL>14 V. TEMPOS DE MEDIÇÃO Considerando que as cargas medidas gastam, em média, 3 minutos para atingirem o regime permanente de funcionamento, as medições foram realizadas em períodos de 1 hora por valor de tensão, com coleta de minuto em minuto. A análise dos resultados utilizou somente os 3 minutos finais, evitando os transitórios do período de estabilização. VI. OS RESULTADOS DAS MEDIÇÕES A seguir são apresentados os resultados obtidos. A. Lâmpadas Foram considerados os seguintes tipos de lâmpadas: lâmpada fluorescente compacta, lâmpada fluorescente tubular e lâmpada tubular de LED. 1) Lâmpadas Fluorescentes Compactas (LFC s) Foram analisadas 3 lâmpadas de potências e marcas distintas, sendo uma de 25 W (LFC-1), outra de 15 W (LFC-2) e a terceira de 8 W (LFC-3). A Fig. 1 apresenta o comportamento da DHTi em cada lâmpada de acordo com as tensões. Percebe-se um comportamento similar entre as lâmpadas. Este

3 3 comportamento pode também ser observado na Tabela III. A lâmpada LFC-1 teve uma DHTi variando entre 119% e 132 % ( DHTi = 11%), quando a tensão variou entre 19V e 14 V ( V= 28%), porém os valores máximos, médios e mínimos estiveram bem próximos em cada tensão. A lâmpada LFC-2 mostrou uma DHTi variando entre 87% e 17% ( DHTi = 23%), para a mesma variação de tensão. Seus valores máximos, médios e mínimos estiveram algo diferentes em cada tensão. A lâmpada LFC-3 apresentou uma DHTi variando entre 95% e 18% ( DHTi = 14%), e valores máximos, médios e mínimos com pequenas diferenças em cada tensão TABELA III VARIAÇÕES ENTRE VALORES MÉDIOS ENTRE TENSÕES E HARMÔNICOS DAS LFC S DHTi DHTi Relação Tensão DHTi LFC-3 LFC-1 LFC-2 112/19 2,75% 1,89% 1,72%,99% 116/112 3,57%,91% 1,81% 1,1% 121/116 4,31% 1,66% 2,8% 2,5% 127/121 4,96% 2,28% 3,6% 2,39% 133/127 4,72% 1,39% 2,85% 2,17% 14/133 5,26% 2,% 3,35% 2,44% A Fig. 2 mostra a resposta dos harmônicos ímpares à variação da tensão. Nota-se que a variação da DHTi com o aumento da tensão ocorre em função do aumento na amplitude da maioria dos harmônicos. Destacam-se os 3, 5, 7 e 9 harmônicos a LFC V 14V b LFC c LFC-3 Fig. 1. Valores mínimos, médios e máximos de THDi para as LFC s a LFC-1 b LFC-2 19V 14V 19V 14V c LFC-3 Fig. 2. Comportamento dos harmônicos ímpares nas LFC s. 2) Lâmpada Fluorescente Tubular de 2 W com Reator Eletrônico A Fig. 3 apresenta o comportamento de DHTi de uma lâmpada fluorescente tubular de acordo com as tensões. Este comportamento pode ser observado na Tabela IV.

4 4 A lâmpada teve uma DHTi variando entre 127% e 147% ( DHTi = 16%), quando a tensão variou entre 19V e 14 V ( V= 28%), porém os valores máximos, médios e mínimos estiveram bem próximos em cada tensão. A Fig. 4 mostra a variação dos harmônicos ímpares devido à variação da tensão. Todos harmônicos analisados aumentaram com o aumento da tensão, mas as variações não são na mesma proporção Fig. 3. Valores mínimos, médios e máximos do THDi para a lâmpada fluorescente tubular. TABELA IV VARIAÇÃO ENTRE TENSÕES E HARMÔNICOS NA LÂMPADA FLUORESCENTE TUBULAR Relação Tensão DHTi 112/19 2,75% 1,95% 116/112 3,57% 1,28% 121/116 4,31% 1,84% 127/121 4,96% 3,% 133/127 4,72% 2,19% 14/133 5,26% 2,74% Fig. 4. Amplitude dos harmônicos ímpares da lâmpada fluorescente tubular. 3) Lâmpada tubular de LED de 11 W Apenas uma lâmpada de LED foi medida. Apesar desta lâmpada ser a substituta atual e futura para a lâmpada fluorescente tubular de 2W, mostrou uma iluminação e uma DHTi menores do que as demais lâmpadas medidas anteriormente. A Fig. 5 apresenta seu comportamento de DHTi de acordo com as tensões. Este comportamento pode ser observado na Tabela V. A lâmpada teve uma DHTi variando entre 11,5% e 13,8 % ( DHTi = 2%), quando a tensão variou entre 19V e 14 V ( V= 28%), porém os valores máximos, médios e mínimos estiveram bem próximos em cada tensão. A Fig. 6 mostra a resposta dos harmônicos ímpares à variação da tensão. O aumento da DHTi é causado, 19V 14V principalmente, pelo 3 harmônico, que acompanha a variação de tensão fornecida à lâmpada. Os demais harmônicos possuem variações menores e não interferem de maneira significativa na DHTi Fig. 5. Valores mínimos, médios e máximos de THDi para a lâmpada tubular de LED. TABELA V VARIAÇÃO ENTRE TENSÕES E HARMÔNICOS NA LÂMPADA A LED Relação Tensão DHTi 112/19 2,75% 1,47% 116/112 3,57% 4,52% 121/116 4,31% 2,4% 127/121 4,96% 3,13% 133/127 4,72% 1,94% 14/133 5,26% 3,45% Fig. 6. Amplitude dos harmônicos ímpares para a lâmpada tubular de LED. B. Televisores Medições foram realizadas em 3 televisores, sendo que dois possuíam a mesma marca e tecnologia de tubo de raios catódicos (TRC), com tamanhos diferentes - 14 e 29. O terceiro tinha fabricante diferente e tecnologia LCD A Fig. 7 apresenta o comportamento da DHTi de cada um deles. A Tabela VI mostra o comportamento da DHTi em relação às tensões. O televisor de 14 apresentou uma DHTi variando entre 129 % e 154 % ( DHTi = 19%), quando a tensão variou entre 19V e 14 V ( V= 28%), porém alguns valores máximos, médios e mínimos tiveram uma variação bem significativa em cada tensão. O televisor de 29 mostrou uma DHTi variando entre 119 % e 149 % ( DHTi = 25%), quando a tensão variou entre 19V e 14 V ( V= 28%), porém seus valores máximos, médios e mínimos tiveram também uma variação bem significativa em cada tensão. 19V 14V

5 5 O televisor de 32 teve uma DHTi variando entre 15,1 % e 24,4 % ( DHTi = 62%), quando a tensão variou entre 19V e 14 V ( V= 28%). Seus valores máximos, médios e mínimos tiveram uma variação bem significativa em cada tensão a - TRC de b TRC de c LCD de 32 Fig. 7. Valores mínimos, médios e máximo de THDi para as Televisores. TABELA VI VARIAÇÃO ENTRE TENSÕES E HARMÔNICOS DOS TELEVISORES Relação Tensão DHTi DHTi DHTi 112/19 2,75% TRC 1,98% TRC 2,51% LCD 5,4% /112 3,57% 1,62% -2,63% 3,84% 121/116 4,31% 2,46% 6,5% 5,51% 127/121 4,96% 2,78% 2,6%,81% 133/127 4,72% 3,28% 5,56% 4,21% 14/133 5,26% 2,9% -1,2% 2,57% A Fig. 8 indica a resposta dos harmônicos ímpares à variação da tensão. Os gráficos seguem o comportamento do seus harmônicos de menor grau, que possuem as maiores amplitudes e causam maior impacto no resultado global a TRC de 14 b TRC de 29 c LCD de 32 Fig. 8. Amplitude dos harmônicos ímpares das televisores C. Computadores Pessoais Foram medidos dois computadores pessoais muito comuns nas residências brasileiras um desktop com uma tela de LCD (da mesma marca do desktop) e um notebook. Na figura 9 pode-se ver os padrões de variação da DHTi e na tabela VII a relação entre a variação da tensão e da DHTi destes computadores. O desktop apresentou uma DHTi variando entre 74 % e 96 % ( DHTi = 3 %), quando a tensão variou entre 19V e 14 V ( V= 28%), porém seus valores máximos, médios e mínimos tiveram uma variação pequena em cada tensão. O notebook mostrou uma DHTi variando entre 149 % e 192 % ( DHTi = 29%), quando a tensão variou entre 19V e 14 V ( V= 28%). Seus valores máximos, médios e mínimos tiveram uma variação significativa em cada tensão. A Fig. 1 mostra a resposta dos harmônicos ímpares à variação de tensão destes computadores. O desktop apresenta um crescimento contínuo da DHTi com o aumento da tensão porque isso é caracterizado pelos 3 e 5 harmônicos, que possuem maior amplitude. O notebook possui uma 19V 14V 19V 14V 19V 14V

6 6 característica diferente com o aumento da tensão. No entanto, é acompanhada por todos os harmônicos observados a Desktop com tela de LCD b Notebook Fig. 9. Valores mínimos, médios e máximo do DHTi para os computadores. TABELA VII VARIAÇÃO ENTRE TENSÕES E HARMÔNICOS DOS COMPUTADORES Relação Tensão Desktop Notebook THDi THDi 112/19 2,75% Desktop 2,36% Laptop 2,26% 116/112 3,57% -,35% -1,76% 121/116 4,31% 6,62% 3,97% 127/121 4,96% 3,64% 2,8% 133/127 4,72% 2,17% 6,63% 14/133 5,26% 2,89% -4,8% VII. CONCLUSÕES Analisando os resultados de medição apresentados anteriormente, pode-se concluir que: Cargas não lineares com tecnologia desenvolvida recentemente (lâmpada tubular de LED e televisor a LCD) apresentam DHTi mais baixos (entre 11,5% e 24,4%), quando comparadas com as de tecnologia desenvolvida anteriormente (lâmpadas LFC s, lâmpada fluorescente tubular com reator eletrônico, televisores com TRC s) que apresentam DHTi elevados (entre 87% e 192%); Todas as cargas tiveram aumento das distorções harmônicas com o aumento da tensão. Entretanto, este aumento não ocorreu de forma linear com o aumento da tensão. Observando os espetros harmônicos de cada carga, percebeu-se que os harmônicos individuais também não aumentaram na mesma proporção. Em alguns casos, a variação do valor das DHTi foi significativa. Isto mostra que em simulações computacionais de fluxos de harmônicos nos sistemas elétricos pode ser necessário calcular inicialmente fluxos de potência para determinar a tensão aplicada em cada carga não linear, para, posteriormente, inserir os harmônicos correspondentes da carga. Em regime permanente de tensão, algumas cargas apresentaram variação da DHTi. Pesquisas adicionais estão sendo desenvolvidas para justificá-los a Desktop com tela de LCD b Notebook Fig. 1. Comportamento dos harmônicos ímpares para os computadores. VIII. REFERÊNCIAS [1] M. L. y Gonzalez, S. R. Silva, I. A. Pires, Correntes harmônicas em Aparelhos Eletrodomésticos, in Proc. VI SBQEE- VI Seminário Brasileiro de Qualidade de Energia, Belém, Pará, 25. [2] E. L. Owen, History of harmonics in power systems, IEEE Industry Applications Magazine, vol. 4, Issue 1, pp. 6-12, [3] M. L. y Gonzalez, S. R. Silva, P. C. A de Almeida, Harmonics from Residential and Comercial Non-linear Loads, in Proc. VII Induscon - International Conference on Industrial Applications, Recife, 26. [4] BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL Séries completas - Capítulo 1 (Análise Energética e Dados Agregados) Disponível on line < Acesso em 1/1/212. [5] BEN 211 Balanço Energético Nacional, Ministério de Minas e Energia MME/ Empresa de pesquisa Energética EPE, 211. [6] M. M. Silva, M. L y Gonzalez, S.R. Silva, A new Analytical Model for Evaluating Loads Supplied by Sinusoidal and Non-sinusoidal Voltages Sources, in Proc. IEEE/PES 21 Transmition & Distribution Conference and Exposition Latin America, São Paulo, 21. [7] J. Arrillaga, N. R. Watson, Power System Harmonics, John Willey & Sons, 23. [8] M. L. y Gonzalez, S. Visacro F., P. C. A. de Almeida, I. A. Pires, Impacto de Cargas Residenciais eletrônicas e Comerciais Eficientes e não-lineares no Sistema de Distribuição Parte I Medições de Amostras de Cargas Individuais (Eletrodomésticos), in Proc. III CITINEL, Florianópolis, 25. [9] M. M. Silva, D. G. Lima, M. L. y Gonzalez, Correntes Harmônicas em Lâmpadas e reatores, in Proc. CBEE 29, Belém, Pará, 29. [1] M. M. Silva, S.R. Silva, M. L. y Gonzalez, M. A. M. Mendes, Avaliação das Distorções Harmônicas de Corrente em Equipamentos Ligados em Redes com Tensões Distorcidas, in Proc. IX CBQEE, Cuiabá, 211. [11] ANEEL PRODIST, Módulo 8 Qualidade de energia, Revisão 4, 1/2/ V 14V 19V 14V