IV Seminário Paranaense de Engenharia Elétrica QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA COMO TORNÁ-LA VIÁVEL. Eng. Edson Martinho Lambda Consultoria

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1 IV Seminário Paranaense de Engenharia Elétrica QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA COMO TORNÁ-LA VIÁVEL Eng. Edson Martinho Lambda Consultoria

2 A eletricidade é classificada como um produto. Possui os riscos inerentes a sua utilização. Existe apenas por um instante em um determinado ponto de entrega e surge no mesmo momento em que está sendo usado. Sua qualidade depende dos elementos que participam da sua produção, e da forma como está sendo usada. A qualidade deste produto é fundamental para o usuário e para o produtor que visa sempre custos menores de produção com qualidade superior.

3 Qualidade de fornecimento de energia elétrica é uma função de sua compatibilidade enquanto fonte de energia, com o equipamento elétrico. É função do uso da energia. É função da percepção do usuário

4 O que é qualidade de energia para você?

5 Exemplo 1 Percepção de qualidade de energia para uma padaria com forno elétrico em um bairro da periferia da cidade, que produz pão desde as 5 horas da manha, até as 9 horas da manha, quando passa a se dedicar a outras coisas.

6 Exemplo 2 Uma industria de bebibas que trabalha 24 horas por dia e produz garrafas de bebida por hora em cada uma das linhas de produção?

7 Pesquisa de percepção dos problemas de qualidade de energia Fonte Dugan 2002

8 QUAL É O PADRÃO IDEAL DE ENERGIA ELÉTRICA? Tensões e correntes senoidais (THDv=0 e THDi=0) Freqüência constante (Δf=0) Tensão constante em seu valor nominal (ΔV=0) Continuidade de serviço (DEC, FEC=0) Sem fenômenos transitórios

9 Variação de tensão e freqüência Harmônica e interharmônicas Surto / Transitórios Afundamento e Elevação de tensão Distúrbios de Energia Fator de Potência Notching / Ruídos / Distúrbios Desequilíbrio de tensão

10 A preocupação com a qualidade da energia é algo que deve ser estudado de forma integrada entre gerador e fornecedor de energia, fabricante de equipamentos, projetista das instalações e o usuário da energia elétrica. Outra tendência é a necessidade de se estudar os distúrbios de forma correlata e não mais isoladas.

11 QUALIDADE DA ENERGIA Nos Segmentos Industrial Comercial Residencial Instalações especiais

12 QUALIDADE DA ENERGIA É medida e controlada na geração, na transmissão, na distribuição e no uso.

13 PRODIST ANEEL Estão sujeitos ao PRODIST: a) concessionárias, permissionárias e autorizadas dos serviços de geração distribuída e de distribuição de energia elétrica (denominadas neste documento como distribuidoras); b) consumidores de energia elétrica conectados ao sistema de distribuição, em qualquer classe de tensão (BT, MT e AT), inclusive consumidor ou conjunto de consumidores reunidos por comunhão de interesses de fato, ou de direito; c) cooperativas de eletrificação rural; d) importador e exportador de energia elétrica conectados ao sistema de distribuição. Fonte: ANEEL Prodist Modulo I 02/2008 Os índices de qualidade da energia, que são alvo de fiscalização estão definidos no modulo 8 do mesmo PRODIST, citado acima, e abrangem os seguintes setores: a) unidades consumidoras com instalações conectadas em qualquer classe de tensão de distribuição; b) produtores de energia; c) distribuidoras; d) agentes importadores ou exportadores de energia elétrica. Os procedimentos de qualidade de energia elétrica definidos neste módulo se aplicam aos Sistemas Individuais de Geração de Energia Elétrica com Fontes Intermitentes SIGFI, exceto o que estiver disposto em Resolução específica.

14 QUALIDADE NA GERAÇÃO Independente da fonte de energia os principais controles são realizados na: Tensão Forma de onda: Senoide Simetria Nível de tensão Variação da freqüência: 60 Hz +/- 0,5 Hz

15 DESAFIO Geração própria Cogeração, alternativa, etc.

16 QUALIDADE NA TRANSMISSÃO Níveis de tensão, freqüência e simetria do sinal devem ser mantidos dentro de alguns parâmetros pré-estabelecidos Problemas

17 QUALIDADE NA DISTRIBUIÇÃO Níveis de tensão: devem ser mantidos dentro de parâmetros pré-estabelecidos e são fiscalizados por órgãos competentes. Continuidade de serviço; Duração Equivalente por Consumidor (DEC) tempo médio sem energia / consumidor no período considerado Freqüência Equivalente de Interrupção (FEC) média do número de interrupções / consumidor no conjunto considerado Simetria do sistema Forma de onda

18 QUALIDADE NO USO Este sim é um grande desafio O usuário entende, na maioria dos casos que gerenciar energia é controlar a demanda e o FP (facultativo à concessionária de energia a cobrança) Esta realidade está mudando e nos próximos anos a qualidade de energia passará a ser item muito importante para o funcionamento e produtividade.

19 PRINCIPAIS DISTURBIOS DA ENERGIA ELÉTRICA 1

20 VARIAÇÃO TENSÃO Já vimos que a tensão deve ser mantido dentro de determinados padrões, para o bom funcionamento dos equipamentos. Portanto o fenômeno variação de tensão pode ser para mais ou para menos. A duração pode interferir ou não em um equipamento e quanto maior a duração, maior a probabilidade dos equipamentos serem afetados

21 Sensibilidade dos equipamentos proteger contra todos os distúrbios Região de queima de equipamentos Integração de solução em equipamento único Curva CBEMA

22 Elevação de corrente x queda de tensão Cai a tensão, sobe a corrente = aquecimento Motor de indução de 5CV

23 O que causa a variação de tensão? Energização e desenergização de cargas elevadas, de capacitores. Curto circuitos (fase-terra)na linha Dispositivos de regulação de tensão Falha em dispositivos de proteção como disjuntores; Condutores danificados, com fuga; Acionamento de banco de capacitores; Geração instável (gerador, UPS, etc); Banco de capacitores fixos (aumenta a tensão)

24 SOLUÇÕES TRATANDO A CAUSA: Separação de cargas; Uso de acionamentos suaves SOFT-STARTERS estrela/ triangulo, auto-trafo (redução Vpartida); Controle na geração. Aumento de seção dos condutores TRATANDO O EFEITO Implantação de condicionadores de energia (No-break, estabilizadores); Re-dimensionamento da linha; Uso de trafos ferro ressonante (CVT Constant Voltage Transformer)/ Compensadores estáticos ou dinâmicos

25 INTERRUPÇÃO A interrupção é caracterizada pela ausência total de tensão que pode ocorrer por alguns mili segundos chegando a vários minutos. É dividida em Momentânea, Temporária e de longa duração.

26 Custo estimado para interrupção de até 1 minuto Apresentação Prof José Carlos de Oliveira Univ. Uberlandia

27 O ruído é caracterizado por um sinal elétrico com freqüência menor que 200 Khz superposto no sinal de potência (tensão ou corrente) nos condutores fase, ou também encontrados no neutro ou linhas de signal RUIDO São divididos por duas categorias: Ruído de modo comum ocorre entre neutro e terra Ruído de modo normal ocorre entre fases

28 SOLUÇÕES Uso de filtros; Separação física da fonte geradora e prejudicada; Aterramento correto e equalização de potenciais;

29 FLICKER, flutuação de tensão em baixa freqüência que se propagam pela rede e cujo efeito mais conhecido é a cintilação em lâmpadas fluorescentes ou de descarga. Parâmetros de identificação: Pst (Probability Short Term) Indica Severidade dos níveis de cintilação associados à flutuação de tensão verificada em um período contínuo de 10 minutos Plt (Probabvility long term): Indica a severidade dos níveis de cintilação associados à flutuação de tensão num período contínuo de 2 horas, obtidos a partir dos resgistros de Pst

30 SOLUÇÃO Separação das cargas Aumento da potencia de curto circuito; Redução da potencia do forno Uso de forno a arco DC Reduz o efeito do Flicker

31 EFEITO NOTCHING distúrbio de tensão causado pela operação normal de equipamentos de eletrônica de potência quando a corrente é comutada de uma fase para outra. Este fenômeno pode ser detectado através do conteúdo harmônico da tensão afetada. As componentes de freqüência associadas com os "notchings" são de alto valor e, desta forma, não podem ser medidas pelos equipamentos normalmente utilizados para análise harmônica.

32 CAUSA Operação normal de equipamentos eletrônicos SOLUÇÕES Separação de circuitos; Substituição dos equipamentos geradores;

33 TRANSIENTE OU TRANSITÓRIO O transiente ou transitório como são conhecidos, é caracterizado por um distúrbio de curta duração que ocorre na forma de onda e pode ser classificado por: Transiente impulsivo - unidirecional (acima 5KHz duração 30 a 200 us) Transiente Oscilatório (bi-direcional) que é divido em Baixa freqüência (menor 500 hz duração menor ciclos 30 ciclos) Média freqüência (500 a 2KHz duração menor 3 ciclos) Alta freqüência (acima 2KHz duração menor 05 ciclo)

34 SURTO DE TENSAO OU SPIKE O surto de tensão - Spike é caracterizado pelo drástico aumento instantâneo da tensão da rede elétrica.

35 CAUSA Surto induzido ou indireto - Caracterizado pela incidência de descargas atmosféricas que atingem as linhas de transmissão ou distribuição de energia, ou através da indução da ocorrência da descarga em elementos próximos da rede, como arvores, estruturas metálicas, onde as ondas eletromagnéticas originadas pelas descargas circulam pelos condutores chegando às cargas nelas instaladas. Estes efeitos são causados indiretamente por acoplamentos capacitivos ou indutivos colocando em risco a instalação elétrica. Manobras na rede, como chaveamentos de circuitos de transmissão e distribuição também podem ser considerados surtos e devem ser tratados como tais. Surto conduzido ou direto - Acontece quando a descarga atmosférica incide diretamente sobre a instalação, ou em pontos muito próximos da edificação. Nesta situação os eletrodos e os elementos metálicos existentes sofrem uma elevação de potencial por frações de segundos o que gera circulação de correntes de surto pela instalação elétrica principalmente. Outra forma de existir surto conduzido esta na diferença de potencial entre diversos eletrodos de aterramento como o eletrodo da edificação e do serviço publico (concessionária de energia, tv a cabo, etc).

36 SOLUÇÃO Dispositivos de proteção contra sobretensão (surto) Equipotencialização

37 VARIAÇÃO DE FREQUENCIA É definida como sendo desvios no valor da freqüência fundamental deste sistema (50 ou 60Hz). A freqüência do sistema de potência está diretamente associada à velocidade de rotação dos geradores que suprem o sistema. Pequenas variações de freqüência podem ser observadas como resultado do balanço dinâmico entre carga e geração no caso de alguma alteração (variações na faixa de 60 ± 0,5Hz). Em sistemas isolados, entretanto, como é o caso da geração própria nas indústrias, na eventualidade de um distúrbio, a magnitude e o tempo de permanência das máquinas operando fora da velocidade, resultam em desvios da freqüência em proporções mais significativas.

38 DESEQUILÍBRIO DE TENSÃO O desequilíbrio de tensão em um sistema elétrico trifásico é uma condição na qual as fases apresentam tensão com módulos diferentes entre si, ou defasagem angular entre as fases diferentes de 120 elétricos ou, ainda, as duas condições simultaneamente.

39 Efeito do desequilíbrio de tensão na corrente e temperatura em um motor trifásico de indução Apresentação prof. José Carlos de Oliveira, UFU - Uberlandia

40 HARMÔNICAS

41 DEFINIÇÃO DE HARMÔNICAS Deformação de uma senóide fundamental, por meio de outras senóides com freqüência e amplitude diferentes e divididas em ordens: 2ª, 3ª, 4ª, 5ª etc.

42 Harmônicas Pares - Existem devido a presença de componente contínuo causando assimetria do sinal. Harmônicas Ímpares - Existem em todas as instalações elétricas e são as causadoras de problemas na energia.

43 1,4 0 0,9 0 0,4 0-0,1 0-0,6 0-1,1 0,6 0 0,00 2 8, , , , , , , , , , , , ,4 2 HARMÔNICAS DE CORRENTE Fonte de Tensão CC Monofásica V + - I Causa da Não Linearidade Dispositivo Não Linear -1

44 1,4 0 0,9 0 0,4 0-0,1 0 0, , , , , , , , , , , , , ,4 2-0,6 0-1,1 0-1,6 0 HARMÔNICAS DE TENSÃO x r r x L1 1 2 L 2 Queda de tensão V h = V I h in I Z eq VCA ~ 1 E E2 V CA h Fonte de Tensão CC Monofásica V CC Transformador Demais Cargas

45 Sinal senoidal Sinal com harmônicas

46 EXEMPLO DE SINAL COM FORTE INFLUÊNCIA DA 5. a HARMÔNICA Tensão de Entrada Corrente da Carga Tensão no Barramento

47 GRANDEZAS CARACTERÍSTICAS VALOR EFICAZ VALOR DE PICO FATOR DE CRISTA FATOR DE POTÊNCIA E COSØ VALOR MÉDIOM

48 DISTORÇÃO HARMÔNICA TOTAL (THD) (h 2 ) 2 + (h 3 ) 2 + (h 4 ) (h n ) 2 THD = x 100% h 1

49 DISTORÇÃO HARMÔNICA INDIVIDUAL (THDi( THDi) Quantifica o conteúdo de uma harmônica existente em um dado ponto da instalação. h i THDi = x 100% h 1 h = valor eficaz do sinal

50 Vamos supor um sinal senoidal de 280A ef com a presença de 65% de THDi de 3ª harmônica, 35% de THDi de 5ª harmônica e 21% de THDi de 7ª Harmônica.

51 VALOR EFICAZ DE UM SINAL HARMÔNICO Ief T = I1 2 + I2 2 + I In 2 Ief T = (280) 2 + (182) 2 + (98) 2 + (58,8) 2 = 352 A Ief sem harmônica 280 A Ief com harmônica 352 A

52 VALOR DE PICO FATOR DE CRISTA = Vpico / Vef

53 FATOR DE POTÊNCIA & COSφ FATOR DE POTÊNCIA = FP FUNDAMENTAL + HARMÔNICAS Cosφ FUNDAMENTAL E CADA HARMÔNICA SEM HARMÔNICAS FP = Cosφ COM MUITAS HARMÔNICAS FP Cosφ

54 kw (P) FP = = COSϕ kva (S)

55 SOLUÇÃO Corrigir o fator de potência pela adição de energia reativa (capacitores) O chaveamento de banco de capacitores, pode causar distúrbios de curta duração Re-distribuir e redimensionar as cargas; Melhorar o fator de potência individual por carga. 1

56 E quando existe harmônicos na instalação

57 kw (P) FP = = COSϕ kva (S)

58 FP = Fator de potência CosΦ 1 = Potência Reativa THD(i) 2 = Taxa de distorção harmônica em corrente

59 Representação das potências: cargas não lineares Quando há distorção harmônica na rede, o triângulo de potências sofre uma alteração, recebendo uma terceira dimensão, que representa a carga imposta pela distorção, DkVA. kw 2 2 kva = kvar + kw + DkVA 2 kva kvar DkVA O transformador deve fornecer a potência extra (DkVA( DkVA)

60 VALOR MÉDIO COM HARMONICAS VALOR EFICAZ VM = β SENÓIDE COMPLETA VM = 0 ½ SENÓIDE β = 1,11 OUTROS SINAIS (COM HARMÔNICAS) β = 1,11 APARELHO CONVENCIONAL APARELHO TRUE-RMS

61 EXEMPLOS DE CARGAS QUE GERAM HARMÔNICAS?

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66 EFEITOS & VÍTIMAS V DAS HARMÔNICAS EFEITO AQUECIMENTOS EXCESSIVOS (aumento do valor eficaz, efeito pelicular e correntes parasitas) VÍTIMA (EXEMPLO) CONDUTORES FASES CONDUTORES NEUTROS MOTORES TRANSFORMADORES GERADORES DISPARO DE PROTEÇÕES CONTRA SOBRECORRENTES (valor de pico) DISJUNTORES FUSÍVEIS DRs

67 EFEITOS & VÍTIMAS V DAS HARMÔNICAS EFEITO VIBRAÇÕES & RUÍDOS VÍTIMA (EXEMPLO) QUADROS TRANSFORMADORES MOTORES INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS REDES TELEFÔNICAS REDES DE DADOS ACHATAMENTO DA TENSÃO FONTES DE ALIMENTAÇÃO CONVERSORES DE FREQUÊNCIA

68 PERDAS POR EFEITO PELICULAR Em freqüências elevadas a parte central do condutor praticamente não conduz nenhuma corrente. Baixa Freqüência Alta Freqüência

69 SEQÜÊNCIA NEGATIVA E POSITIVA Vibrações; IC Aquecimento IA _ IB IB IA IC

70 EFEITOS & VÍTIMAS V DAS HARMÔNICAS EFEITO VÍTIMA (EXEMPLO) TENSÃO ENTRE NEUTRO E TERRA EFEITO REDUÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA EFEITO AUMENTO DA QUEDA DE TENSÃO EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS ALIMENTADORES 3F+N VÍTIMA (EXEMPLO) INSTALAÇÃO COMO UM TODO BOLSO DO CONSUMIDOR VÍTIMA (EXEMPLO) INSTALAÇÃO COMO UM TODO

71 Exemplos de gastos / desperdícios a serem considerados no custo da qualidade da energia elétrica

72 O estudo mostra que a resistência de um fio aumenta com a freqüência ência.. Portanto, se existe a presença a de harmônicas, háh aumento de resistência,, e, conseqüentemente, entemente, háh um aumento das perdas, ocasionando um maior consumo de energia elétrica trica.. O estudo considera os efeitos típicos t de harmônicas de conversores de 6, 12 e 24 pulsos, além m de uma composição de 3ª, 3, 5ª 5 e 7ª 7 harmônicas que resultam em um THD de 23,3%. O resultado apresenta situações em que aos cabos deve ser aplicado um fator de De-rating de 92%, ou seja, deve-se reduzir a capacidade de condução em 92%.

73 Vida útil de condutor na presença de harmônica

74 O gráfico abaixo mostra a diminuição da vida útil de um capacitor em função da sobretemperatura que ele é submetido. Sobretemperatura que pode ser causada pelo efeito das harmônicas no circuito.

75 O efeito das harmônicas como aumento de temperatura e redutor de vida útil de um transformador, chegando em alguns casos reduzir em 50% a vida útil do transformador.

76 Modos de reduzir as harmônicas: REDUZIR AS HARMÔNICAS NA SUA ORIGEM (EQUIPAMENTOS) FABRICANTES/NORMALIZAÇÃO REDUZIR SUA PRESENÇA A / EFEITOS NA INSTALAÇÃO PROJETISTAS / INSTALADORES / MANUTENÇÃO / FABRICANTES

77 NA INSTALAÇÃO Uso de transformadores com fator de desclassificação K (UL); Redimensionamento dos condutores fase e neutro; Separação de circuitos; Uso de transformadores separadores; Uso de filtros, Ativos ou Passivo

78 INTER HARMONICAS é caracterizado pela presença de formas de ondas de tensão ou corrente com valores que não são múltiplos da freqüência fundamental (no caso Brasil 60Hz). Estas freqüências podem aparecer de forma discreta ou com uma larga faixa espectral, em diferentes classes de tensão. Apesar de serem distúrbios pouco conhecidos e estudados, é sabido que podem afetar os sinais de portadoras dos sinais, (carriers) e também afetar a visualização em sinais de display como tvs de raios catódicos, induzindo os conhecidos Flickers, já estudado. Os estudos mostram que os interharmonicos são produzidos por equipamentos a arco, motores de indução, inversores e conversores estáticos entre outros. 2

79 Cuidando da qualidade da energia Economia ao cuidar da qualidade da energia Redução de paradas Economia de energia eletrica Redução de insumos

80 TECNICA DE MITIGAÇÃO DOS DISTURBIOS DA ENERGIA ELÉTRICA Avaliação da instalação elétrica (Subestação, malhas de controle e usuário) - NR-10 - Identificação dos problemas de QEE por instalação de medidores Entendimento do processo produtivo (relato de produção, manutenção, qualidade) Histórico de ocorrência de problemas com suspeita de distúrbios de QEE Relação dos equipamentos e cargas críticas Levantamento de dados estatísticos de paradas Simulação dos distúrbios em laboratório (se possível), com implementação de soluções e análise de resultados Avaliação dos resultados Proposição de soluções Implantação das soluções propostas Avaliação dos resultados

81 LIMITES DE THD IEEE Std (instalação) - THDmax TENSÃO = 5% - THDmax CORRENTE = 5-20% Limites da norma IEC : Equipamentos 16A/fase, redes de 220 a 415V Limites da norma IEC : Equipamentos > 16A/fase, redes de 220 a 415V

82 NBR5410/2004 ANEXO F Determinação da corrente de neutro - Circuito trifásico com neutro, ou bifásico com neutro, e 3ª Harmônicas for superior a 33% a seção do neutro deve ser: In = Fh*Ib In corrente de neutro Ib corrente de projeto Fator Fh para determinação I neutro Taxa 3ª Harmônicas 33 a 35% 36 a 40% 41 a 45% 46 a 50% 51 a 55% 56 a 60% 61 a 65% >= 66% 3fases + neutro 1,15 1,19 1,24 1,35 1,45 1,55 1,64 1,73 2fases + neutro 1,15 1,19 1,23 1,27 1,30 1,34 1,38 1,41

83 REALIZAÇÃO DOS SERVIÇOS Os trabalhos devem sempre ser realizados com procedimentos e garantir a segurança dos trabalhadores de acordo com as NR s, no caso de eletricidade a NR-10 Responsabilidades :NR-10

84 RESUMO Energia sem qualidade cria perda em transformadores, motores, cabos e os equipamentos conectados na rede Excesso de reativo causa aquecimento extra Variação de tensão, impulsos e surtos podem causar queima de equipamentos e principio de incêndio Aquecimento gera perda JOULE = Desperdício de energia LEMBRE-SE, Segurança em primeiro lugar!

85 procobre.org

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90 OBRIGADO Edson Martinho