MEDIDOR DE QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA UTILIZANDO CONCEITOS DE INSTRUMENTOS VIRTUAIS

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1 MEDIDOR DE QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA UTILIZANDO CONCEITOS DE INSTRUMENTOS VIRTUAIS Azauri A. Oliveira Jr Universidade de São Paulo USP Avenida Trabalhador São-carlense, São Carlos - SP azaurijr@sel.eesc.usp.br Gleison M. Matana Universidade de São Paulo USP Avenida Trabalhador São-carlense, São Carlos SP gleisonmatana@uol.com.br Resumo - O artigo apresenta um protótipo de um medidor trifásico dos fenômenos relativos à Qualidade da Energia Elétrica construído sob o conceito de instrumento virtual. No hardware foi utilizado um microcomputador comercial e circuitos eletrônicos para adequação das magnitudes dos sinais de leitura com a placa de aquisição de dados. O software foi desenvolvido em ambiente LabVIEW que permitiu a utilização da arquitetura de um instrumento virtual. O protótipo do medidor tem como base as normas da IEC que fornecem informações tanto do desempenho esperado quanto da tolerância frente às medições executadas. Testes foram realizados em todos os módulos desenvolvidos e o protótipo do medidor respondeu satisfatoriamente. O medidor de qualidade da energia elétrica baseado em instrumentos virtuais é uma solução eficiente e de menor custo para medições de fenômenos eletromagnéticos presentes nas linhas de distribuição e uma poderosa ferramenta para identificação de problemas na área de qualidade da energia elétrica. Palavras-chave - Medidor de Qualidade da Energia Elétrica, Analisador de Qualidade da Energia Elétrica, Instrumento Virtual. Abstract The article presents a prototype of a triphasical measurement device for power quality phenomenon built under virtual instruments conception. For the hardware a commercial PC and electronic circuits for measured signal magnitude adequation on the data acquisition card were used. The software was developed in a LabVIEW environment that allowed the use of a virtual instrument architecture. The measurement device prototype is based on IEC standards that provide us information for expected performance as well as executed measures tolerances. Tests were performed in all developed modules and the measurement prototype responded as expected. The measurement device for power quality based on virtual instrument is an efficient and lower cost solution for electromagnetic phenomenon measurement presented on power distribution nets and is a powerful tool to identify problems on power quality area. Keywords Power Quality Measurement Device, Power Quality Analyzer, Virtual Instrument. I. INTRODUÇÃO Com o crescimento das cargas não lineares e, conseqüentemente, o crescimento dos distúrbios eletromagnéticos nas redes de distribuição, o tema qualidade da energia elétrica é um assunto muito estudado nos últimos anos pelos centros de pesquisa, concessionárias, distribuidores e consumidores. Os estudos fazem-se necessários para determinar a natureza do evento e, com as medições de amplitude do problema e tempo de ocorrência, solucioná-los ou reduzi-los a níveis considerados adequados. Qualquer problema de qualidade da energia elétrica pode levar a grandes perdas financeiras pelos consumidores, como variação das especificações do produto final e paradas de processos. Manter os níveis das grandezas elétricas estáveis frente às cargas não lineares e oscilantes dos consumidores é um grande desafio para as concessionárias e distribuidores. Por estes motivos faz-se necessário uma legislação que estabeleça parâmetros de medição e limites para os fenômenos monitorados. As normas disponíveis em nível nacional não apresentam muitas informações sobre formas de medição e desempenho esperado do equipamento de medição. Algumas resoluções nacionais trazem os limites de apenas algumas das grandezas a serem monitoradas pelas concessionárias [1]. Já algumas das normas internacionais preocupam-se com os processos de medição, uma vez que influenciam o resultado final da análise. As normas da IEC e IEEE são as que mais fornecem informações sobre o método da medição e parâmetros de

2 limites para os fenômenos eletromagnéticos que caracterizam a qualidade da energia elétrica. Algumas das normas do IEEE sobre qualidade da energia elétrica trazem parâmetros e conceitos das normas da IEC, por isto foram escolhidas as normas da IEC como base para o projeto do protótipo do medidor [2]. As normas da IEC da família IEC61000 abrangem o universo das normas que tratam dos fenômenos eletromagnéticos de qualidade da energia elétrica. Os instrumentos virtuais são equipamentos cada vez mais utilizados pelas indústrias e áreas de pesquisas pela sua flexibilidade frente às alterações necessárias para o acompanhamento das novas tecnologias e conceitos. O LabVIEW é um software de programação de instrumentos virtuais que utiliza uma linguagem gráfica amigável de fácil implementação, sendo uma ferramenta muito ampla utilizada em diversas áreas de pesquisa. As execuções de um instrumento virtual são consideravelmente mais rápidas e os custos menores comparando com os equipamentos convencionais, estas são as principais vantagens da utilização do conceito de instrumento virtual no desenvolvimento do protótipo do medidor apresentado [3]. Este artigo apresenta os conceitos utilizados na construção de um protótipo de um medidor de qualidade da energia elétrica abrangendo os fenômenos eletromagnéticos considerados pertencentes a esta categoria, que são: variação de tensão, flutuação de tensão (flicker), distorção da forma de onda, desequilíbrio de tensão, variação da freqüência e transitórios [4]. São também apresentadas as simulações de testes para definição do atendimento aos desempenhos esperados em norma de cada grandeza medida. II. CARACTERÍSTICAS DO MEDIDOR DE QUALIDADE DA ENERGIA O protótipo do medidor de qualidade da energia elétrica é formado por um microcomputador Pentium 4 de 3GHz, 1Gb RAM, placa de aquisição de dados National Instruments NI- 6220, garra de corrente Minipa modelo 265 e circuitos eletrônicos para compatibilização das amplitudes dos sinais de tensão e corrente com a placa de aquisição de dados. Todo o hardware é preparado para taxas de aquisição de 20kS/s por canal, para garantir a análise de fenômenos que possam ocorrer até a faixa de 9kHz, conforme definido nas normas da família IEC O software do protótipo do medidor de qualidade da energia elétrica foi desenvolvido pelos autores utilizando o programa LabVIEW conforme conceitos definidos pelas normas descritos abaixo. A. Aplicação de Variação de Tensão Nesta aplicação os três canais de tensão são monitorados simultaneamente para análise dos eventuais distúrbios de sobretensão, subtensão e interrupção. A análise é feita sobre a tensão eficaz de cada fase e comparada com os limites definidos. A forma de medição e os limites da tensão eficaz são definidos pela norma IEC [5]. A tensão eficaz medida pelo protótipo é definida como Urms 1/2 e é realizada sobre um ciclo da onda de tensão reiniciando de meio em meio ciclo. A tolerância para o valor da tensão eficaz neste módulo é de 0,2%. Assim que o valor da tensão eficaz ultrapassa o valor limite definido na norma, que é de 110% da tensão nominal do sistema para sobretensão, 90% para subtensão e 5% para interrupção, ocorre o registro do evento no protótipo e um relatório pode ser gerado convenientemente com a data, horário e valores de tensão no momento da ocorrência do evento. Os limites de registro, a onda de tensão medida e o respectivo valor eficaz, de uma das fases, podem ser observados na Figura 1. Figura 1. Módulo de medição Variação de Tensão B. Aplicação Desequilíbrio de Tensão Na aplicação de desequilíbrio de tensão os três canais de tensão são medidos simultaneamente. Esta medição consiste em quantificar o valor da tensão eficaz do harmônico fundamental, caso haja distorção da forma de onda, e com os valores das tensões das três fases é calculado o valor do desequilíbrio de seqüência negativa μ 2 conforme definido em (1) e (2) ( V12 + V23 + V31 ) ( V + V + V ) 2 λ = 3 (1) 12 μ = λ 1+ λ 31 [%] (2) A tolerância para o valor de desequilíbrio de seqüência negativa para este módulo é de 0,15%. Assim como o módulo anterior, quando o valor de desequilíbrio de seqüência negativa ultrapassa o valor limite permitido de 2% ocorre o registro do evento em um relatório contendo data, hora, valor das tensões eficazes e o valor do desequilíbrio. O processo de medição é definido pela norma IEC [5]. As ondas de tensão de cada fase, o diagrama fasorial, o limite de registro e o valor do desequilíbrio de seqüência negativa podem ser vistos na Figura 2. C. Aplicação Distorção da Forma de Onda O módulo de distorção da forma de onda avalia um dos canais de corrente. É mensurada a densidade espectral de potência contida em cada componente harmônico da onda de corrente do sistema até a 40ª ordem. Para esta análise é

3 seguido o processo de medição estabelecido na norma IEC [6]. Com o valor das componentes harmônicas pode-se calcular a distorção harmônica total (THD), conforme (3). THD = 40 h= 2 I I 2 h, rms 1, rms 100 [%] (3) oscilações na tensão e freqüência. A medição é executada seguindo o procedimento informado na norma IEC [7]. A irritabilidade do efeito flicker é mensurada pelo valor de curta duração (10 minutos) chamado Pst e pelo valor de longa duração (2 horas) chamado Plt, conforme (4) e (5). Pst P P1 s P3 s P10s P50s = (4) onde: P i = probabilidade cumulativa de ordem i no classificador do bloco 5. Pst i = 12 onde: Pst i = medições consecutivas de Pst i= 1 Plt (5) A tolerância permitida para este módulo é de 5%. Na ocorrência de um evento, onde o valor de Pst ou Plt ultrapassa o valor de 1 ou 0,65, respectivamente, é registrado a data, hora, e valor da grandeza em questão. Na Figura 4 pode-se observar o módulo do medidor de flutuação de tensão contendo a onda de tensão medida e os valores de Pst e Plt. Figura 2. Módulo de medição Desequilíbrio de Tensão A tolerância exigida para este módulo é de 5%. Ocorre o registro do evento quando qualquer um dos harmônicos de corrente ultrapassa o valor limite para cada classe de equipamento. No relatório de medição é registrado data, hora, THD e valor da densidade espectral de cada componente harmônico. A onda de corrente monitorada, o valor do THD e de cada componente harmônico da densidade espectral de potência pode ser observado na Figura 3. Figura 4. Módulo de medição de Flutuação de Tensão E. Aplicação Variação de Freqüência No módulo de variação de freqüência é analisada apenas a primeira fase de tensão. O valor de freqüência do sistema é definido como o número de meio-ciclos inteiros dividido pelo tempo de ocorrência em 10 segundos, conforme definido na norma IEC e em (6) [5]. n f = [Hz] (6) t Figura 3. Módulo de medição de Distorção da Forma de Onda D. Aplicação Flutuação de Tensão A aplicação de flutuação de tensão (flicker) é monitorada apenas uma das fases. O fenômeno do flicker é medido conforme a irritabilidade humana a uma lâmpada incandescente pela resposta lâmpada-olho-cérebro frente ás A tolerância deste módulo é de ±0,01Hz. O relatório de ocorrência de evento contendo data, hora e valor da freqüência é registrado no momento em que o valor da freqüência instantânea ultrapassa os valores permitidos de ±1Hz. A Figura 5 apresenta o módulo de medição de variação da freqüência contendo a forma de onda medida, os limites de freqüência impostos pela norma e o valor da freqüência instantânea medida.

4 O equipamento foi primeiramente calibrado para que cada canal de tensão ou corrente possa responder adequadamente aos valores dos sinais a serem medidos. Assim que o erro entre valores aplicados e valores medidos de cada canal de tensão e corrente foi menor que 0,1%, que é a tolerância exigida na norma IEC , os valores de calibração não foram mais alterados [5]. A. Simulação Variação de Tensão Para a simulação do módulo de variação de tensão foi imposto valores de tensão eficaz pré-determinados conforme apresentados na Tabela 1. Tabela 1. Valores de tensão eficaz aplicados ao medidor Figura 5. Módulo de medição de Variação de Freqüência F. Aplicação Transitórios Para a medição de transitórios é monitorada apenas uma das fases de tensão. A norma IEC que trata sobre a forma de captura dos transitórios não especifica um processo de medição desta grandeza [5]. Com base no anexo A3 desta mesma norma estabeleceu-se que o relatório de ocorrência de evento deveria conter a onda oscilografada no momento da ocorrência do distúrbio detectado pela ultrapassagem de um dv/dt especificado pelo usuário. O relatório também deve trazer a data e hora da ocorrência do evento. O módulo de medição de transitórios pode ser observado na Figura 6. O relatório de ocorrência de distúrbio foi gerado e a comparação entre valores aplicados e valores registrados estão indicados na Tabela 2. Tabela 2. Erro entre valor aplicado e valor registrado Variação de Tensão Vê-se que os erros percentuais da Tab. 3 estão abaixo de 0,2%, atendendo assim aos requisitos da norma. B. Simulação Desequilíbrio de Tensão Na simulação do módulo de desequilíbrio de tensão foram aplicados ao equipamento os valores de tensão eficaz conforme disposto na Tabela 3. Nesta mesma tabela observam-se os valores registrados no relatório de ocorrência e os devidos erros percentuais entre valor aplicado e valor registrado. Figura 6. Módulo de medição de Transitórios Tabela 3. Valores de tensão aplicados e registrados Desequilíbrio de Tensão III. SIMULAÇÕES E RESULTADOS OBTIDOS Foram realizadas simulações individuais nos módulos de medição do protótipo do medidor dos fenômenos eletromagnéticos de qualidade da energia elétrica. Para os testes foram utilizados um gerador arbitrário de sinais da Califórnia Instruments mod. ix Series II, uma lâmpada incandescente de 200W como carga linear e um inversor de freqüência WEG CFW-02 como carga não linear, buscando assim uma boa precisão nos valores de tensão e corrente aplicados para futura comparação com a medição do protótipo.

5 Pode-se observar na Tabela 4 que os valores dos erros percentuais estão abaixo de 0,15%, garantindo o atendimento à norma. C. Simulação Distorção da Forma de Onda A simulação do módulo de distorção da forma de onda foi realizada com uma tensão constante de 220V sobre a carga não linear, gerando uma corrente não senoidal, que por sua vez foi medida pelo protótipo através do canal de corrente. A Figura 7 apresenta os valores medidos pelo gerador arbitrário e a Figura 8 mostra os valores medidos pelo protótipo. A Tabela 4 traz a comparação entre valores aplicados e valores medidos com seus respectivos erros percentuais de cada ordem harmônica. Observa-se na Tab. 4 que os valores medidos acima de 0,03Arms 2 /Hz atendem a tolerância de 5% e os demais estão fora da tolerância. D. Simulação Flutuação de Tensão Para a simulação do módulo de flutuação de tensão (flicker) foram aplicados ao protótipo do medidor os valores de tensão e freqüência apresentados na Tabela 5, conforme exigência da tabela 5 da norma IEC [7]. Tabela 5. Valores de tensão e freqüência aplicados ao medidor Figura 7. Medição de densidade espectral - gerador arbitrário Para cada valor descrito na Tabela 5 espera-se obter como resultado da medição o valor de Pst=1 ±0,05. Após medidos os valores de Pst, encontrou-se os erros percentuais, apresentado na Tabela 6. Tabela 6. Erro entre valor esperado e valor medido Flutuação de Tensão Figura 8. Medição de densidade espectral - protótipo medidor Tabela 4. Erro entre valor aplicado e valor medido Distorção da Forma de Onda Analisando os resultados dos erros percentuais da Tabela 6 vê-se que todos estão abaixo de 5% atendendo a especificação da norma. E. Simulação Variação da Freqüência Na simulação de variação da freqüência foram aplicados ao protótipo os valores de diferentes freqüências para a mesma tensão eficaz, conforme observa-se na Tabela 7. Tabela 7. Valores de freqüência aplicados ao medidor O relatório da ocorrência de distúrbios apresentou as freqüências medidas e a comparação entre valores aplicados e valores registrados está apresentada na Tabela 8. Tabela 8. Erro entre valor aplicado e valor registrado Variação de Freqüência Observam-se os erros absolutos menores que 0,01Hz, garantindo o atendimento à norma.

6 F. Simulação Transitórios Para a execução da simulação de transitórios foram aplicados ao protótipo os valores de tensão eficaz variando conforme as durações apresentadas na Tabela 9. Tabela 9. Valores de tensão aplicados ao medidor O relatório de ocorrência de distúrbio foi gerado conforme o limite dv/dt especificado pelo usuário foi ultrapassado, atendendo o esperado no projeto. A Figura 9 mostra o relatório de ocorrência de distúrbio para este módulo, contendo a oscilografia de 50ms. Figura 9. Relatório de ocorrência de distúrbio Transitório IV. CONCLUSÃO Para realizar-se uma análise sobre QEE é necessária a monitoração do sistema, pois além de conhecer os fenômenos eletromagnéticos e seus efeitos é de extrema importância quantificar a amplitude do problema e o tempo de ocorrência. Durante esta monitoração o equipamento deve garantir a confiabilidade e a repetibilidade nas medições para permanecer nas mesmas bases dos parâmetros definidos como aceitáveis pela sociedade técnica. Para cada fenômeno eletromagnético foi elaborado, baseado nas normas da família IEC , um devido módulo de medição e apresentação dos resultados contendo suas respectivas grandezas características e relatórios pertinentes de registro de ocorrência de distúrbio. Cada módulo foi testado individualmente conforme as exigências impostas pelas normas pertinentes e na falta destas foi realizado a comparação entre sinal aplicado ou medição esperada e a medição do protótipo. A utilização de um gerador arbitrário de sinais foi necessária para assegurar as grandezas dos valores aplicados e medidos, garantindo assim as faixas de tolerância exigidas pela norma de cada módulo. O atendimento às tolerâncias foram atingidos em todos os módulos, com particularidades no módulo de distorção da forma de onda. Neste módulo, das densidades de potência medidas, somente as maiores que 0,03Arms 2 /Hz atingiram a tolerância esperada. A causa provável do não atendimento da tolerância destas medidas é a faixa de medição da garra de corrente (0 a 1000A) ser muito alta em relação a medição executada, ou seja, a baixa precisão no início da faixa de medição da garra de corrente. Futuros desenvolvimentos podem ser feitos integrando medidores em rede para garantir o monitoramento de uma única central, analisando globalmente toda a(s) barra(s) de distribuição de energia ou a inclusão de novos módulos que executem a medição de outras grandezas elétricas aumentando assim a gama de medições executadas pelo mesmo equipamento. REFERÊNCIAS [1] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Estabelece disposições relativas à continuidade da distribuição da energia elétrica a unidades consumidoras. Resolução nº24, 27 de janeiro de Resolução nº24. 18p. janeiro de [2] IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEEE : IEEE Recommended Practice for Measurements and Limits of Voltage Fluctuations and Associated Light Flicker on AC Power Systems. New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers: IEEE , [3] NI National Instruments. Disponível em: < Acesso em: 18 de Janeiro [4] DUGAN, R. C. et al. Electrical Power Systems Quality. 1º Ed., New York: McGraw-Hill, 1996, 528 p. [5] IEC International Electrotechnical Commission. IEC : Testing and Measurement Techniques Power quality measurements methods. Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 4, Section 30, [6] IEC International Electrotechnical Commission. IEC : Testing and measurement techniques General Guide on Harmonics and Interharmonic Measurements and Instrumentation, for power supply systems and equipment connected thereto. Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 4, Section 7, [7] IEC International Electrotechnical Commission. IEC : Testing and measurement techniques Flickmeter functional and design specifications. Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 4, Section 15, BIOGRAFIAS Azauri Albano de Oliveira Júnior, nascido em 23/07/1955 em Franca (SP) é engenheiro eletricista/eletrônico (1977) pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da Universidade de São Paulo (USP); mestre (1984) em Engenharia Elétrica pela EESC-USP e doutor (1991) em Engenharia Elétrica pela Escola Politécnica da USP. É coordenador do Laboratório de Controle e Eletrônica de Potência (LACEP) do Departamento de Engenharia Elétrica da EESC-USP. É professor do Departamento de Engenharia Elétrica da EESC- USP desde Suas áreas de interesse são: eletrônica de potência, acionamento e controle de máquinas elétricas e filtros ativos de potência. Azauri Albano de Oliveira Júnior é membro da SOBRAEP. Gleison Melhado Matana, nascido em 05/06/1979 em Rio Claro (SP) é engenheiro eletricista/eletrônico (2003) pelas Faculdades Integradas Einstein de Limeira (FIEL) e mestre (2008) em Engenharia Elétrica pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da Universidade de São Paulo (USP) atuando no Laboratório de Controle e Eletrônica de Potência (LACEP). Suas áreas de interesse são: qualidade da energia elétrica, equipamentos de medição de energia elétrica e eletrônica de potência.