V SBQEE IMPACTOS DAS FLUTUAÇÕES DE TENSÃO SOBRE EQUIPAMENTOS: ANÁLISE EXPERIMENTAL SOB O ENFOQUE DOS INDICADORES DE FLICKER

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1 V SBQEE Seminário Brasileiro sobre Qualidade da Energia Elétrica 7 a 2 de Agosto de 2 Aracaju Sergipe Brasil Código: AJU 7 55 Tópico: Indicadores e Limites IMPACTOS DAS FLUTUAÇÕES DE TENSÃO SOBRE EQUIPAMENTOS: ANÁLISE EXPERIMENTAL SOB O ENFOQUE DOS INDICADORES DE FLICKER Carlos A. G. Medeiros * UFU José Carlos de Oliveira UFU RESUMO Este trabalho investiga a influência das flutuações de tensão sobre equipamentos residenciais, comerciais e industriais, com níveis atrelados aos indicadores de cintilação luminosa brasileiros. As flutuações de tensão estão representadas pela modulação em amplitude (tipo retangular), cujas magnitudes e freqüências de oscilação são relacionadas ao indicador P ST. São realizados ensaios experimentais laboratoriais a fim de examinar o desempenho de cargas representativas nas condições impostas. Os resultados obtidos fornecem subsídios para uma melhor compreensão da relação entre os valores dos limites adotados e os impactos sobre o funcionamento de equipamentos. PALAVRAS-CHAVE Qualidade da Energia, Flutuações de Tensão, Desempenho de Equipamentos.. - INTRODUÇÃO A relação entre os indicadores de Qualidade da Energia Elétrica e os impactos dos fenômenos por estes retratados, sobre componentes do sistema e equipamentos, é assaz importante para que a aplicação de seus limites tenha significado prático e sustentação técnica para o estabelecimento dos padrões a serem atendidos. Em se tratando das flutuações de tensão, sabese que a sua medição/avaliação bem como as recomendações e normas pretéritas e atuais se baseiam nas oscilações de luz decorrentes, emitidas por uma lâmpada incandescente (extremamente sensível às tensões flutuantes) e percebidas pelo sistema visual humano, o que vem a ser a cintilação luminosa ou flicker []. Entretanto, é notável que, tanto as lâmpadas como os equipamentos modernos, apresentam os mais diferentes graus de sensibilidade e suportabilidade face aos desvios das condições ideais de tensão. Somando-se a este fato, a lâmpada incandescente, referência dos métodos de medição via cintilação luminosa, está sendo preterida em função da popularização das fluorescentes compactas (em geral menos sensíveis [2]). Portanto, esta forma de avaliação onde os indicadores estão exclusivamente associados à lâmpada incandescente, deixa indagações do tipo: Os valores limites estão coerentes com o funcionamento normal dos demais equipamentos ou os padrões estabelecidos são muito restritivos? É possível estabelecer limites flexíveis ao invés daqueles de caráter geral somente? Levando em conta estas questões e objetivando contribuir nesta direção, este trabalho contempla ensaios laboratoriais a fim de observar o funcionamento de equipamentos representativos face ao fenômeno enfocado, com níveis associados aos limites dos indicadores de flicker brasileiros [], advindos do Método Internacional UIE/IEC [4]. Para as investigações propostas, utilizou-se o índice básico denominado de Indicador de * Av. João Naves de Ávila, CEP Bloco N Uberlândia - MG - BRASIL Tel.: +55 (4) FAX: +55 (4) carlosm@alunos.ufu.br

2 44 Severidade de Flicker de Curto-Prazo, P ST. Sua relação com os parâmetros das tensões flutuantes foi estabelecida pela simulação do modelo do medidor de cintilação UIE/IEC, elaborado pelos autores em trabalho anterior [5]. A partir dos resultados obtidos torna-se então viável uma reflexão crítica sobre a interação entre os impactos das oscilações de tensão e os limites normalizados FLUTUAÇÕES DE TENSÃO As flutuações de tensão podem ser definidas como variações sistemáticas do valor de pico ou eficaz da tensão, na faixa de,9 a, pu e em freqüências até 5 Hz. Podem ser classificadas, de uma maneira geral, em periódicas e aleatórias, cujas características dependem do agente causador e de seu ciclo de trabalho []. A título ilustrativo, a Figura mostra uma variação do tipo retangular, periódica, que pode ser causada pelo chaveamento de cargas resistivas, máquinas de solda ou processos controlados que exigem variações de potência abruptas. A tensão oscila na freqüência f m = /T m, sendo a magnitude da variação (pico-a-pico) denotada por V. A variação percentual de tensão, V/V%, é dada pela relação entre V e a tensão média de pico V. Como mostrado a seguir, em ambos os casos, o medidor UIE/IEC pode estimar o efeito da cintilação luminosa decorrente destas perturbações de tensão.. - MEDIDOR DE CINTILAÇÃO UIE/IEC Para os propósitos deste trabalho é importante entender o significado físico dos indicadores de cintilação luminosa, principalmente o do P ST. Desta forma, esta seção apresenta uma descrição resumida dos aspectos funcionais dos blocos que compõem o medidor UIE/IEC [4], ilustrados na Figura. Bloco Bloco 2 Bloco Bloco 4 Bloco 5 Adaptador Demodulador Filtragem Avaliação v(t) Operação da tensão e ponderação em estatística quadrática do nível de entrada quadrático freqüência e média de flicker S(t) f Figura - Blocos do medidor de cintilação UIE/IEC. Essencialmente, os Blocos a 4 simulam o processo de conversão das oscilações de tensão em variações luminosas percebidas pelo sistema visual humano, como ilustra a Figura 4. O comportamento aleatório e a persistência do fenômeno são também levados em conta no tratamento estatístico efetuado pelo Bloco 5. P ST Figura 4 - Função dos Blocos a 4 do medidor. Figura - Flutuação de tensão retangular. A Figura 2 ilustra uma flutuação de tensão mais próxima da realidade operacional. Esta se apresenta de forma aleatória e pode ser atribuída ao funcionamento de fornos a arco elétrico, britadores, etc. Este comportamento, como é conhecido, pode se apresentar com diversas e simultâneas freqüências e magnitudes. Figura 2 - Flutuação de tensão aleatória. Bloco Adaptador do Sinal de Entrada: normaliza a tensão de entrada pela média móvel do último minuto do valor eficaz, fornecendo um nível de referência para os blocos posteriores. Bloco 2 Demodulador Quadrático: realiza a demodulação do sinal normalizado elevando-o ao quadrado, simulando a produção das variações luminosas pelas lâmpadas incandescentes. Bloco Filtragem e Ponderação em Freqüência: é constituído basicamente por três filtros em série. O primeiro elimina o nível c.c. do sinal de saída do Bloco 2. O segundo, elimina as componentes de dupla freqüência fundamental. O terceiro, corresponde ao Filtro de Ponderação, que simula a resposta em freqüência de uma lâmpada incandescente padrão combinada ao sistema visual humano. O ganho deste filtro é normalizado tendo como referência a freqüência crítica do olho humano de 8,8 Hz. As lâmpadas incandescentes padronizadas são as de 2 V/6 W e 2 V/6 W, e as freqüências da rede de 5 e 6 Hz, conforme ilustra a Figura 5.

3 45 Bloco 4 Média Móvel Quadrática: eleva ao quadrado o sinal ponderado e efetua uma operação de média móvel, representando a não linearidade e a memorização do cérebro. O sinal assim processado reproduz a percepção de cintilação, sendo denominado de Sensação Instantânea de Flicker, S f (t). Este sinal é normalizado, de forma que, S f (t) = pu retrata a ocorrência do limiar de percepção de flicker. Bloco 5 Análise Estatística: realiza um tratamento estatístico de S f (t) durante um determinado período, usualmente minutos. Calcula a Função de Probabilidade Cumulativa, a partir da qual obtém-se o P ST, o qual é dado por: P ST =.. 4 P P s P s + 28 P s + 8 P 5 s onde: P,, P s, P s, P s, P 5s são os níveis de S f (t) que excedem em,,,, e 5% o tempo de observação. O sufixo s indica que são usados valores suavizados [4]. Ganho V / 6 W / 5 Hz 2 V / 6 W / 6 Hz 2 4 Freqüência (Hz) Figura 5 - Ponderação em Freqüência do Bloco, representando a percepção do olho humano. É importante destacar que o P ST indica o grau de irritação ou desconforto, sendo P ST = pu representativo da ocorrência do limiar de irritação devido a cintilação luminosa. O outro índice fornecido pelo método é o Indicador de Severidade de Flicker de Longo Prazo, P LT, obtido a cada duas horas consecutivas e ininterruptas de registros, sendo expresso por: P 2 2 = LT P ST i = 4. - EQUIPAMENTOS E CASOS ESTUDADOS ( ) (2) Os seguintes dispositivos foram considerados para as investigações reportadas neste trabalho: a) Fonte linear regulada: presente em eletrodomésticos como televisores, CD players, rádio relógios, etc. b) Fonte chaveada : presente em microcomputadores, monitores de vídeo, impressoras, scanners, etc., e em alguns modelos de televisores, aparelhos de fax, entre outros. c) Fonte chaveada 2: fonte de alimentação de Controladores Lógico Programáveis (CLPs), usados principalmente no setor industrial. d) Motor monofásico: representando geladeiras, condicionadores de ar e outros equipamentos desta categoria. e) Motor de indução trifásico: de hp, rotor em gaiola de esquilo, acoplado a uma carga mecânica com conjugado constante e fator de carga de 75%. f) Conversor de freqüência: tipo PWM-VSI trifásico, de kva, alimentado o mesmo motor e a carga mecânica do item anterior. Cada dispositivo foi testado sob as sete condições de alimentação listadas na tabela I. O Caso, ou Caso Base se refere à alimentação ideal. Os Casos 2 a 7 (equilibrados quando trifásicos) representam flutuações de tensão retangulares com freqüências acima e abaixo da freqüência crítica do olho humano (ver Figura 5), resultando nos valores de V/V% e P ST indicados. O menor valor de P ST, igual a 2 pu, foi escolhido tendo como base o limite superior do P ST diário (P ST D95% < 2 pu) indicado pelo ONS para sistemas < 69 kv []. Foi tomada como referência a lâmpada 2 V/6 W, por implicar em maiores valores de V/V% do que a lâmpada de 2 V/6 W, para um mesmo P ST (valores conservativos). Tabela. Valores de P ST para os casos experimentais. Caso f m (Hz) V/V% -,2,76 2,22 2,4,5 4,4 P ST 2 4 A Figura 6 apresenta o arranjo laboratorial utilizado para os estudos. Rede da Concessionária Fonte Programável v(t), i(t) Aquisição de dados Equipamento sob teste variáveis observadas Figura 6 - Montagem Laboratorial. A título de exemplificação, a Figura 7 ilustra a tensão de suprimento fase-neutro (27 V nominal) do Caso 7. Esta situação foi a escolhida

4 46 por representar a condição de alimentação mais crítica em relação a intensidade do fenômeno sob observação. > 5.2 Fonte Chaveada A fonte utilizada foi a de um microcomputador pessoal comum, monitorando-se as saídas e +2V que alimentam a placa principal, o disco rígido, etc. Foram contempladas as situações de uso de editor de textos, acesso a internet, uso de disquete e cópia de dados do CD-ROM para o disco rígido. A Figura 9 mostra as tensões reguladas dos Casos e 7, as quais foram semelhantes às dos outros casos, não se encontrando qualquer diferença funcional, inclusive no monitor de vídeo. ) Ch : 5 Volt 5 ms Figura 7 - Tensão de suprimento: Caso RESULTADOS EXPERIMENTAIS +2V 5. Fonte Linear Regulada 4 > +2V A fonte linear ensaiada foi a de um aparelho de som tipo micro-system, observando-se as duas saídas reguladas da fonte, e +V, que alimentam os principais circuitos internos do equipamento. Considerou-se os modos de operação rádio, toca-fitas, CD e gravação de fita por CD. A Figura 8 mostra as tensões reguladas para os Casos e 7. A fim de oferecer uma melhor visualização dos resultados, os oscilogramas correspondentes aos dois casos encontram-se propositalmente deslocados no eixo vertical. Em outras palavras as suas referências não as mesmas. Para as demais formas de onda na seqüência foi aplicado o mesmo procedimento. 4 > +V +V ) Ch : 5 Volt 5 ms 2) Ch 2: 5 Volt 5 ms 2 ) Ch : 5 Volt 5 ms 4) Ch 2: 5 Volt 5 ms Figura 8 - Fonte linear, saídas reguladas e +V: Caso Base. Caso 7. Os outros casos resultaram em formas de onda semelhantes e por isso foram omitidos. Em todos os ensaios não foi observada nenhuma alteração no funcionamento do equipamento. ) Ch : 5 Volt 5 ms 2) Ch 2: 5 Volt 5 ms 2 ) Ch : 5 Volt 5 ms 4) Ch 2: 5 Volt 5 ms Figura 9 - Fonte Chaveada (Microcomputador), saídas reguladas e +2V: Caso Base. Caso Fonte Chaveada 2 Dois CLPs de diferentes fabricantes foram testados, enfocando-se as saídas de e +24V que alimentam o circuito de processamento bem como o módulo de relés. Os dispositivos foram programados para chavearem simultaneamente os relés de saída. Os resultados obtidos para os CLPs foram semelhantes e por isso apenas àqueles referentes a um deles é mostrado. A Figura exibe as tensões dos Casos e 7. 4 > +24V +24V ) Ch : 5 Volt 5 ms 2) Ch 2: Volt 5 ms 2 ) Ch : 5 Volt 5 ms 4) Ch 2: Volt 5 ms Figura - Fonte chaveada 2 (CLP), saídas reguladas e +24V: Caso Base. Caso 7. Além das semelhanças entre as formas de onda dos Casos a 7, não foram constatadas quaisquer alterações no chaveamento programado dos relés dos CLPs.

5 Refrigerador Representado a categoria dos motores monofásicos de pequeno porte, foi ensaiado um refrigerador doméstico comum. A Figura apresenta a corrente obtida dos Casos e 7. > > ) Ch 2: A 2 ms 2) Ch 2: A 2 ms Figura - Motor trifásico: corrente de alimentação na fase A: Caso Base. Caso 7. A Figura 4 apresenta as variações de corrente eficaz dos casos estudados. ) Ch 2: 2 A 2 ms 2) Ch 2: 2 A 2 ms Figura Geladeira, corrente de alimentação: Caso Base. Caso 7. A Figura 2 mostra as variações de corrente em valores eficazes para os Casos a 7. 2 Caso 4 Caso 7 Corrente Eficaz (A) Caso 4 Caso 7 Corrente Eficaz (A) Ciclos Figura 2 Geladeira: variações das correntes eficazes de alimentação, Casos a 7. Da figura anterior nota-se que as oscilações de corrente de todos os casos ocorrem em torno do resultado associado ao Caso, sobressaindo-se os Casos 4 e 7. Conjugados oscilantes e variações de velocidade surgem em função das variações da alimentação, embora não tenha sido percebido nenhuma alteração funcional. Notouse, todavia, que a lâmpada incandescente no interior do refrigerador apresentou cintilação luminosa em todos os casos. 5.5 Motor de Indução Trifásico Ciclos Figura 4 - Motor trifásico, variações das correntes eficazes: Casos a 7. Mais uma vez, as variações são maiores para os Casos 4 e 7, mostrando as oscilações em torno do Caso. Embora as alterações nos conjugados e velocidades, não se percebeu nenhuma vibração mecânica ou outro efeito. 5.6 Conversor de Freqüência VSI-PWM Utilizou-se um conversor de kva/8 V, com freqüência de chaveamento de 2,5 khz. O motor do item anterior, ligado em estrela isolada (8 V), com a mesma carga mecânica, foi alimentado pelo conversor. A Figura 5 mostra a tensão de linha Vac na saída do conversor dos Casos e 7. O motor de indução ensaiado foi um de hp, 22 V, ligação delta. A Figura mostra a corrente na fase A do motor dos Casos e 7 (as correntes das outras fases se mostraram semelhantes). > ) Ch : Volt 5 ms 2) Ch : Volt 5 ms Figura 5 - Conversor, tensão Vac: Caso Base. Caso 7.

6 48 Como mostra a Figura 5, a tensão de saída do conversor acompanha as variações da entrada. Isto ocorre porque o barramento c.c. presente nestes dispositivos não atenua as flutuações de tensão [6]. A Figura 6 apresenta a corrente na fase A do motor para os Casos e 7. > ) Ch 2: 5 A 2 ms 2) Ch 2: 5 A 2 ms Figura 6 - Conversor VSI-PWM, corrente de saída na fase A: Caso Base. Caso 7. Nota-se que a corrente do motor apresentou uma forma de onda modulada em baixa freqüência (2 Hz) semelhante à situação do motor diretamente ligado. As formas de onda dos outros casos se mostraram similares, porém com variações menores. A Figura 7 apresenta as variações de corrente na fase A do motor em termos eficazes. Corrente Eficaz (A) Caso 4 Caso Ciclos Figura 7 - Conversor VSI-PWM, valores eficazes da corrente de saída na fase A: Casos a 7. Novamente os Casos 4 e 7 são os que apresentaram maiores variações. Conjugados e velocidades oscilantes ocorrem devidos a estas condições de alimentação. Contudo, vale mencionar que durante os testes, não foi percebida nenhuma vibração mecânica diferente do Caso AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a CAPES pelo suporte financeiro para a realização dos estudos CONCLUSÕES Os resultados obtidos indicam que a interação entre as flutuações de tensão retangulares impostas não afetou significativamente o desempenho dos equipamentos considerados. Ressalta-se que as tensões flutuantes apresentam normalmente um espectro de freqüências composto, o que implica em intensidades de V/V% mais brandas, para os mesmos valores de P ST, do que as aqui consideradas. Em outras palavras os Casos, 4 e 7, que mais sensibilizaram as cargas motoras, representam condições severas e de mais rara ocorrência. A partir do exposto e face aos altos custos para redução do nível de flicker, fica sempre o questionamento sobre a necessidade de compensação para circunstâncias específicas onde, os níveis iguais ou superiores aos limites normalizados, não afetariam de maneira considerável o desempenho de outros equipamentos que não as lâmpadas incandescentes propriamente ditas. Nestas situações, deve haver, ao menos, o compromisso de uma profunda discussão sobre os impactos locais e distantes antes de uma tomada final de posicionamento por parte do supridor e consumidor REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [] UIE, WG Disturbances, "Flicker measurement and evaluation," Union Internationale d' Electrothermie, Tech. Rep., 2nd revised ed., 99. [2] UIE Guide to Quality of Electrical Supply for Industrial Installations Part V Flicker and Voltage Fluctuations, 999. [] ONS Submódulo 2.2 Padrões de Desempenho da Rede Básica, 22. [4] IEC 6-4-5: Flickermeter - Functional and Design Specifications, International Standard, Electromagnetic Compatibility - Part 4: Testing and Measurement Techniques - Section 5, [5] MEDEIROS, C. A. G., OLIVIERA J. C., Implementação Computacional do Modelo do Medidor de Cintilação Luminosa UIE/IEC para Calibração de Medidores Práticos, XIV Congresso Brasileiro de Automática (CBA), 2 a 5 de Setembro de 22, Natal-RN. [6] MEDEIROS, C. A. G., OLIVEIRA, J. C., Effects of Voltage Fluctuation Associated to Flicker Limits on Equipments Performance, X International Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP), CD-ROM, Rio de Janeiro, Brasil, Outubro de 22.