Qualidade da Energia e Fator de Potência

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1 UFPR Departamento de Engenharia Elétrica Qualidade da Energia e Fator de Potência Ewaldo Luiz de Mattos Mehl Universidade Federal do Paraná Departamento de Engenharia Elétrica Centro Politécnico, Curitiba, Paraná

2 UFPR Departamento de Engenharia Elétrica Vista noturna da Terra a partir de imagens de satélite

3 Qualidade da Energia Situação até 1970: Cargas Resistivas ou Resistivas-Indutivas Situação Atual Presença crescente de cargas eletrônicas

4 Qualidade da Energia Presença crescente de cargas eletrônicas

5 Qualidade da Energia para a ANEEL, Qualidade do Serviço é Continuidade de Fornecimento

6 Qualidade da Energia Índices de Qualidade: Interrupções Duração de Interrupção por Unidade Consumidora (horas) i = número de interrupções, de 1 a n T(i) = tempo de duração de cada interrupção do conjunto de consumidores considerados, em horas Ca(i) = número de consumidores do conjunto considerado, atingido nas interrupções Cs = número total de consumidores do conjunto considerado

7 Qualidade da Energia Índices de Qualidade: Interrupções Freqüência de Interrupção por Unidade Consumidora (número) i = número de interrupções, de 1 a n Ca(i) = número de consumidores do conjunto considerado, atingido nas interrupções Cs = número total de consumidores do conjunto considerado

8 Qualidade da Energia Índices de Qualidade: DEC & FEC Fonte: ANEEL

9 Fonte: ANEEL, 2004

10 Qualidade da Energia Índices de Qualidade: DEC & FEC Fonte: ANEEL

11 Qualidade da Energia Índices de Qualidade: DEC & FEC Fonte: ANEEL

12 Qualidade da Energia Índices de Qualidade: DEC & FEC Fonte: ANEEL

13 Qualidade da Energia Índices de Qualidade: DEC & FEC Fonte: ANEEL

14 Qualidade da Energia Obtenção dos Índices de Qualidade SISTEMA ARGOS (Sistema de Monitoração de Interrupção do Fornecimento de Energia Elétrica) Tecnologia LACTEC ANEEL argos.aneel.gov.br Cerca de unidades estão instaladas nos estados de Rio Grande do Sul, Santa Catarina, São Paulo, Rio de Janeiro, Mato Grosso, Pernambuco, Pará e Espírito Santo.

15

16 Qualidade da Energia NÃO É SÓ GARANTIR A AUSÊNCIA DE INTERRUPÇÕES

17 Qualidade da Energia Continuidade de Fornecimento Nível de Tensão Oscilação da Tensão Impulsos Transitórios Desequilíbrio de Fases Distorção da Oscilação Senoidal

18 Qualidade da Energia Cintilação ou Flicker Curva de Sensibilidade do Olho Humano Variação de Tensão de um Forno a Arco

19 Qualidade da Energia Cunha de Tensão ou Voltage Notch

20 Qualidade da Energia Desequilíbrio de Tensão ou Voltage Imbalance Assimetria da Rede Tipo de Carga Perdas nos motores de indução por desequilíbrio de tensão.

21 Elevação de Tensão Qualidade da Energia s / ms Surtos ou Spikes < 2s Voltage Swell > 2s Sobretensão ou Overvoltage

22 Qualidade da Energia Afundamento (redução) de Tensão < 2s Voltage Sag > 2s Subtensão ou Undervoltage

23 Qualidade da Energia Interferência Eletromagnética- EMI-EMC Irradiada: EMI Conduzida: EMC

24 Qualidade da Energia Harmônicos e Interharmônicos

25 Fator de potência Fator de Potência Enfoque clássico Cargas Lineares: resistores, motores e capacitores v( t) i( t) I V sen sen I V I V rms 2 rms 2 t t fp fp P S cos V rms I V rms rms cos I rms

26 Fator de potência Correção do Fator de Potência Enfoque clássico Cargas geralmente indutivas: motores + reatores + fiação Solução: instalação de capacitores X C = reatância capacitiva X L = reatância indutiva Conforme Portaria 1569 do DNAEE (23 de dezembro de 1993): cos 0,92 P [kw] Q [kvar] cos P S P( kw ) V I Potência: - Ativa [ W ] P = V. I. cos - Reativa [ VAr ] Q = V. I. sen - Aparente [ VA ] S = V. I

27 Fator de potência Correção do Fator de Potência Enfoque clássico Exemplo: Calcular o valor do capacitor à ser colocado em paralelo com um motor com L = 160 mh e R = 60, para corrigir o fator de potência. Motor Potência ativa: P = I 2 R = W Potência reativa: Q = I 2 X L = Var Potência aparente: S = I 2 Z = VA Fator de potência fp P S arccos 0,705 45,152 Potência Ativa Potência Aparente 0,705 Como o fp é < 0,92, é necessário corrigir!

28 Fator de potência Motor Resolvendo para X Resolvendo para C Valor adotado: 22µF A corrente drenada da fonte diminuiu de 1,41 A para 0,994 A

29 Fator de potência Medição do Fator de Potência Enfoque clássico W A V Leitura do Wattímetro: P [W] Leitura do Voltímetro: E [V] Leitura do Amperímetro: I [A] S = E. I Fator de potência fp fp P S P E I Potência Ativa Potência Aparente

30 Fator de potência Medição do Fator de Potência Enfoque clássico Leitura do Wattímetro: P [W] Leitura do Voltímetro: E [V] Leitura do Amperímetro: I [A] Potência Aparente: S = E. I S Q fp Q P E I S 2 P 2 Q X fp 2 E X E Q 1 2 X L X C X C C P 1 2 f C 1 2 f X C

31 Fator de potência Fator de Potência Enfoque atual Cargas Não-Lineares: retificadores, fontes de alimentação, equipamentos eletrônicos, lâmpadas fluorescente compactas, reatores eletrônicos, soft-start para partidas de motores. fp fp P S 1 V cos( rms 1 I V ) ( TDH rms(1) rms ) 2 I cos rms 1

32 Fator de potência Medição do Fator de Potência Enfoque atual Cargas Não-Lineares fp 1 cos( 1 ) ( TDH ) 2

33 Normas e Regulamentações USA: IEEE Standard 519 (1992): Limites de Distorção e Harmônicos no Ponto de Acoplamento Comum Consumidor/Rede Guide Recomended Practice Standard I sc /I L n<11 11 n <17 17 n <23 23 n <35 35 n TDD <20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0 20 a 50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0 50 a ,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12, ,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0 > ,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0 Limites das Componentes Harmônicas: na Corrente de Entrada dos Consumidores. Limites: em porcentagem da fundamental. I sc = corrente de curto-circuito I L = média das correntes de demanda máxima (12 meses) TDD = Taxa de Distorção Harmônica, em porcentagem da máxima corrente de demanda da instalação

34 Normas e Regulamentações IEC (International Electrotechnical Commission): EN50006 IEC555 IEC555-2 IEC555-4 (CENELEC) IEC IEC IEC : Harmônicos de Corrente IEC : Flutuações e flicker 16A IEC : Flutuações e flicker > 16A

35 Normas e Regulamentações EN50006 IEC555 IEC555-2 IEC555-4 (CENELEC) - Valores-limites para as componentes harmônicas da corrente de entrada. - Limites relativos (ma/w) e absolutos (A). Exemplo: IEC555-2 (1990) Ordem da Harmônica (n) IEC Valor Limite da Corrente Relativa [ma/w] 2 1,0 0,30 3 3,6 1,08 4 0,5 0,15 5 2,0 0,60 7 1,5 0,45 9 1,0 0,30 Valor Limite da Corrente Absoluta [A] - Equipamentos alimentados em 230 V. 11 n 39 0,6 11 0,18 11 n n 200W a 300W >300W

36 Problemas Causados pela Presença de Harmônicos Problemas diretos - Perdas de potência no alimentador e transformadores - Distorção de tensão - Baixo aproveitamento dos circuitos de alimentação - Limitação de geração de potência - Amplificação harmônica - Erros em medições - Interferências em sistemas de comunicação e controle Problemas indiretos (conseqüências) - Circulação de correntes harmônicas - Perturbação em estruturas de controle

37 Retificador Monofásico Simples Amplamente Utilizado fp < 0,7 v 1 ~ i 1 C f V C A R G A i 1 v1 I1n Exemplo: Potência Aparente: 1,5 kva Potência Ativa: 1050 W Hz

38 Retificador Monofásico Alternativas: Filtros Passivos: Redução do conteúdo harmônico Fator de Potência < 0,9 Peso e Volume elevados Métodos Ativos: Pré-Reguladores de Fator de Potência Conversor CC-CC na entrada Fator de Potência = 1 i 1r i o I o i 1 CONVERSOR CC-CC C o v o C A R G A

39 Retificador Monofásico com Correção de fp

40 Retificador Trifásico FP teórico: 0,955 FP real < 0,85 THD > 30% Não há geração de 3 a Harmônica v a v b v c i a i b i c D 1 D 3 D 5 I L V o D 2 D 4 D 6 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,

41 Retificador Trifásico Alternativas: Filtros Passivos: Filtros passivos sintonizados nas freqüências das harmônicas Redução do conteúdo harmônico Peso e Volume elevados Risco de Amplificação Harmônica Métodos Ativos: Interruptores de Alta Freqüência Dissipação elevada Reduz a eficiência Fator de Potência = 0,99 Interruptores de Baixa Freqüência Simplicidade de Comando Fator de Potência = 0,99

42 Retificador Trifásico com Filtro Indutivo Tensão Corrente V i = 220 V P = 9,6 kw L a = L b = L c = 1,9 mh TDH = 20,75% 1 = 22,62 FP = 0,904 FP = 0,915

43 Retificador Trifásico com Filtros Passivos v a v b v c Rede 3 i af Lt V t i a id=i L i Ret. 3 F tiristorizado L 5 L 7 L h C 5 C 7 C h R h Filtros passivos sintonizados nas freqüências das harmônicas Redução do conteúdo harmônico Peso e Volume elevados Risco de Amplificação Harmônica

44 Retificador Trifásico com Interruptor PWM Várias Possibilidades de Implementação: Cuk, SEPIC, etc. 5. a harmônica Corrente de Alta Freqüência: Indutores e Diodos Filtros Adicionais para Alta Freqüência Dissipação elevada reduz a eficiência Fator de Potência = 0,99

45 Retificador Trifásico com Interruptores de Baixa Freqüência S a, S b, S c : Interruptores Bidirecionais L a, L b, L c : Indutores D 1... D 6 : Diodos Retificadores Ca, Cb: Capacitores Eletrolíticos D a...d d : Diodos Retificadores M: MOSFET

46 Origem da Proposta: Retificador Trifásico com Indutores na Entrada v a (t) v c (t) v b (t) t i a (t) D 1 D 4 D 1 t i b (t) t D 2 D 5 D 2 i c (t) t D 6 D 3 D 6

47 Um Novo Retificador Trifásico v a (t) v c (t) v b (t) t S 1 t S 2 t S 3 t

48 Características do Novo Circuito Não há ligação com o Neutro Indutores na Entrada: Robustez Interruptores comandados em baixa freqüência Baixo Custo Elevado Fator de Potência

49 Construção do Protótipo Alimentação V i(f-f) = 220V, 60 Hz Indutores L a =L b =L c =4.25 mh Potência de Saída 7.3 kw

50 Resultados Experimentais Tensão Fase-Neutro Corrente de Entrada Vo = V Po = 7.35 kw Escalas: Tensão = 50 V/div; Corrente = 10 A/div; Tempo = 5ms/div

51 Resultados Experimentais TDH=6,6% Fator de Potência = 0,9964 Conformidade com IEC555-2 Conformidade com IEC555-4 IEEE519: Conformidade para I sc /I L > 20 Patente: PI INPI (Brasil)

52 Conclusões Equipamentos Eletrônicos: crescente presença nos Sistemas Elétricos Interferências e Harmônicos: Prejudiciais à Qualidade da Energia Elétrica Brasil: Falta de Regulamentação Específica sobre Harmônicos e Fator de Potência Normas: IEC e IEEE Alternativas com elevado FP: Existem e dão bons resultados

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