Qualidade de Energia. Jonathan Dômini Sperb, Eng. Msc. Prof. Marcello Mezaroba

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1 Qualidade de Energia Jonathan Dômini Sperb, Eng. Msc. Prof. Marcello Mezaroba

2 Qualidade de Energia: Aumento da utilização do termo Qualidade de Energia Pela concessionária (geração, transmissão e distribuição) Pelos consumidores (indústrias) 2

3 Aumento da Produtividade Fabricar mais Máquinas mais eficientes Equipamentos parados = prejuízo Uso equipamentos e processos mais sensíveis Microprocessadores Dispositivos eletrônicos Cargas críticas Justificativa: A busca de uma maior eficiência nos equipamentos Desenvolvimento contínuo Aumento no rendimento 3

4 Maior eficiência da rede industrial Redução de perdas na Instalação Elétrica Justificativa: Maior compreensão dos usuários finais com a qualidade de energia elétrica Interrupções, afundamentos de tensão, transitórios de chaveamento Resultado =>Pressão sobre as concessionárias Interconexão de vários dispositivos Uma falha na rede elétrica pode gerar problemas maiores 4

5 As concessionárias buscam maior eficiência Justificativa: Melhora no rendimento da geração, transmissão e distribuição Aumento do fornecimento com a mesma estrutura Pressão dos consumidores Desejo por um produto de maior qualidade 5

6 Pontos de Vista: Concessionárias: Proximidade com o caso ideal Estabilidade no fornecimento Baixa distorção da Forma de onda Baixa variação de Freqüência confiabilidade do sistema Baseada em Dados estatísticos Indicadores (DEC, FEC, DIC e FIC) 6

7 Pontos de Vista: Consumidores: Perfeito funcionamento dos equipamentos 7

8 Apresentação de soluções: Modernização das cargas Aumento da eficiência Redução das interferências geradas Aplicação de filtros passivos Aplicação de filtros ativos Aplicação de filtros híbridos Estabelecimento de normas Fatores econômicos: CUSTO x BENEFÍCIO 8

9 Definições: Comitê Coordenador de Normas 22 do Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE SCC22) Comissão Internacional de Eletrotécnica (IEC) Apresentar definições aos vários tipos de distúrbios Padronizar termos Normalizar estas informações. 9

10 Principais fenômenos causadores de distúrbios eletromagnéticos classificados segundo a IEC: Fenômenos Conduzidos Fenômenos Irradiados Baixa Freqüência Harmônicos e Interharmônicos Sinais Portadores Flutuação de Tensão Afundamentos de Tensão e interrupções Desequilíbrio de Tensão Variações de Freqüência Indução de Tensões em baixa freqüência Componentes CC em rede CA Campos Magnéticos Campos Elétricos Fenômenos de descargas eletrostáticas (ESD) Pulso eletromagnético nuclear (NEMP) Alta Freqüência Formas de onda de tensão e corrente induzidas Transientes unidirecionais Transientes oscilatórios Campos Magnéticos Campos Elétricos Campos Eletromagnéticos Formas de ondas Continuas Transientes Fonte: R. C. DUNGAN, M. F. McGranaghan and H. W. Beaty. Electrical Power Systems Quality. 1. Ed. New York: McGraw-Hill, p

11 Características de estudo dos fenômenos: Fenômenos de Regime Permanente Amplitude Freqüência Espectro Modulação Impedância da Fonte Área do Entalhe (notch ) Profundidade do Entalhe Fenômenos de Ocorrência Transitória Amplitude Freqüência Espectro Duração Taxa de Avanço Impedância da Fonte Taxa de Ocorrência Fonte: R. C. DUNGAN, M. F. McGranaghan and H. W. Beaty. Electrical Power Systems Quality. 1. Ed. New York: McGraw-Hill, p

12 Categorias e características típicas de fenômenos eletromagnéticos em sistemas de potência: Categorias Conteúdo Espectral Duração Típica Magnitude 1 Transitórios 1.1 Impulso Nanosegundo Acima de 5 ns < 50 ns Microsegundo Acima de 1 s 50 ns 1 ms Milisegundo Acima de 100 s > 1ms 1.2 Oscilação Baixa freqüência < 5 khz 0,3 50 ns 0 4 pu Média freqüência khz 20 s 0 8 pu Alta freqüência 0,5 5 MHz 5 s 0 4 pu Fonte: R. C. DUNGAN, M. F. McGranaghan and H. W. Beaty. Electrical Power Systems Quality. 1. Ed. New York: McGraw-Hill, p

13 Categorias e características típicas de fenômenos eletromagnéticos em sistemas de potência: Categorias Conteúdo Espectral Duração Típica Magnitude 2 Variações de curta duração 2.1 Instantâneas Interrupção 0,5 30 ciclos < 1 pu Afundamentos (Sag ) 0,5 30 ciclos 0,1 0,9 pu Elevações (Swell ) 0,5 30 ciclos 1,1 1,8 pu 2.2 Momentânea Interrupção 30 ciclos 3 s < 1 pu Afundamentos (Sag ) 30 ciclos 3 s 0,1 0,9 pu Elevações (Swell ) 30 ciclos 3 s 1,1 1,8 pu Fonte: R. C. DUNGAN, M. F. McGranaghan and H. W. Beaty. Electrical Power Systems Quality. 1. Ed. New York: McGraw-Hill, p

14 Categorias e características típicas de fenômenos eletromagnéticos em sistemas de potência: Categorias Conteúdo Espectral Duração Típica Magnitude 2 Variações de curta duração 2.3 Temporária Interrupção 3 s 1 min < 1 pu Afundamentos (Sag ) 3 s 1 min 0,1 0,9 pu Elevações (Swell ) 3 s 1 min 1,1 1,8 pu 3 Variações de longa duração 3.1 Interrupção sustentada > 1 min < 0,0 pu 3.2 Subtensão > 1 min 0,8 0,9 pu 3.3 Sobretensão > 1 min 1,1 1,2 pu Fonte: R. C. DUNGAN, M. F. McGranaghan and H. W. Beaty. Electrical Power Systems Quality. 1. Ed. New York: McGraw-Hill, p

15 Categorias e características típicas de fenômenos eletromagnéticos em sistemas de potência: Categorias Conteúdo Espectral Duração Típica Magnitude 4 Desequilíbrio de Tensão Regime Permanente 0,5 2% 5 Distorção de Forma de Onda 5.1 Offset CC Regime Permanente 0 0,1 % 5.2 Harmônicos 0 100ª Harmonica Regime Permanente 0 20 % 5.3 Interharmônicos 0 6 khz Regime Permanente 0 2 % 5.4 Entalhe (notch ) Regime Permanente 5.5 Ruído Elétrico Banda Ampla Regime Permanente 0 1 % 6 Flutuação de Tensão khz Intermitente 0,1 7% 7 Variações em Freqüência < 25 Hz < 10s Fonte: R. C. DUNGAN, M. F. McGranaghan and H. W. Beaty. Electrical Power Systems Quality. 1. Ed. New York: McGraw-Hill, p

16 Definições: 1 - Transitórios: Variação abrupta das condições nominais Natureza momentânea e indesejável. Tipos: Impulso Transitório Oscilação Transitória 16

17 1.1 - Impulso Transitório: Mudança abrupta em corrente e/ou tensão curto período de tempo (ordem de microsegundos) 17

18 1.2 - Oscilação Transitória: Variação súbita em magnitude Alternância de modo cíclico em sentido e polaridade Freqüência acima da freqüência nominal de operação 18

19 Definições: 2 - Variações de Tensão de Curta Duração Permanência menor que um minuto. Duração: instantâneas, momentâneas, temporárias Tipos: Interrupções Afundamento de Tensão (sags ou dips) Elevação de Tensão (swell) 19

20 2.1 - Interrupções: Valor menor que 0,1 p.u. Duração menor que um minuto Exemplo de uma interrupção de tensão de 100% 20

21 2.2 - Afundamentos de Tensão (Sags): Ordem de 10 a 90% do valor nominal Duração de 0,5 ciclos até 1 minuto Sags (América do Norte) ou Dips (Europa). Exemplo de um afundamento de tensão em 15% 21

22 2.3 - Elevações de Tensão (Swell ): Aumento de 10 a 80% Duração de 0,5 ciclos a 1 minuto Exemplo de uma elevação na tensão de 15% 22

23 Definições: 3 - Variações de Tensão de Longa Duração Duração maior que um minuto Tipos: Sobretensão Subtensão Interrupções sustentadas 23

24 3.1 - Sobretensão: Incremento no valor rms maior que 10% Duração maior que um minuto 400V 200V 0V Exemplo de uma sobretensão de 20% -200V -400V 0s 0.2s 0.4s 0.6s 0.8s 1.0s 1.2s 1.4s 1.6s 1.8s 2.0s 24

25 3.2 - Subtensão: Diminuição no valor rms maior que 10 % Duração maior que um minuto. 400V 200V 0V Exemplo de uma subtensão de 20% -200V -400V 0s 0.2s 0.4s 0.6s 0.8s 1.0s 1.2s 1.4s 1.6s 1.8s 2.0s 25

26 3.3 - Interrupções Sustentadas: Tensão cai a zero Duração maior que um minuto 400V 200V 0V Exemplo de uma Interrupção Sustentada -200V -400V 0s 0.2s 0.4s 0.6s 0.8s 1.0s 1.2s 1.4s 1.6s 1.8s 2.0s 26

27 Definições: 4 - Desequilíbrio de tensão É o maior desvio em relação à média, dividido pela média das tensões. Normalmente é expressada em percentual. 400V 200V 0V Exemplo de Desequilíbrio de tensão -200V -400V 0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms 45ms 50ms 27

28 5 - Distorções na Forma de onda: Definições: Desvio de uma forma de onda em relação à ideal É caracterizada principalmente pelo conteúdo espectral Tipos: Offset CC Harmônicos Interharmônicos; Entalhe ou corte (Notch); Ruído elétrico. 28

29 5.1 - Offset CC: Presença de tensão ou corrente CC em um sistema CA 400V 200V 0V Exemplo de offset CC de 10% -200V -400V 0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100ms 29

30 5.2 - Harmônicos: São sinais de freqüências inteiras e múltiplas à nominal Podem ser decompostos pela Série de Fourier Podem ser quantizados através da TDH 30

31 5.3 - Interharmônicos: Não são múltiplos inteiros da freqüência fundamental. Sinais de freqüência entre dois valores inteiros. 500V 0V 300V@60Hz + 90V@210Hz + 60V@325Hz -500V 0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100ms 31

32 5.4 - Entalhe ou Corte (notch): Deformação periódica Semelhante a um pequeno corte na forma de onda 400V 200V 0V -200V -400V 0s 5.00ms 10.00ms 15.00ms 20.00ms 25.00ms 30.00ms 32

33 5.5 - Ruído Elétrico: Distorção que não seja harmônica ou transiente Apresentam amplo conteúdo espectral (< 200 khz) 33

34 Definições: 6 - Flutuações de Tensão: Variações contínuas ou mudanças ao acaso. 34

35 Definições: 7 - Variações de Freqüência: Variações no valor freqüência fundamental 35

36 Definições: Interferência Eletromagnética: Distúrbios com banda de 10 khz e 1 GHz Amplitudes que variam de 100 µv a 100 V. Interferência Conduzida Interferência de Modo Comum Interferencia de Modo Diferencial Interferência Irradiada 36

37 Definições: Fator de Deslocamento: Deslocamento da fundamental de corrente em relação à tensão v( t) 2 V sen( t) i 2 I sen( t+ ) ef ef s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms FD cos( ) FD = Fator de Potência? s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 37

38 Definições: Fator de Potência: Razão entre a potência ativa, em W, com relação à potência aparente, em VA: FP P S Com a ajuda do fator de potência de deslocamento e da distorção harmônica total: FP cos( ) 1 1 TDH 2 38

39 Definições: Taxa de Distorção Harmônica: 400A 200A 0A Relaciona o valor eficaz das componentes harmônicas pelo valor eficaz da fundamental. TDH n 2 I I 1ef 2 nef I 1(pk) = 141A I 2(pk) = 250A -200A -400A 0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms I 1(rms) = 100A TDH 1 = 0% I 2(rms) = 100A TDH 2 100% 39

40 Definições: Fator de Crista: 400A 200A Relação entre o valor de pico pelo valor eficaz FC V V pk ef 0A -200A I 1(pk) = 141A I 1(rms) = 100A FC 1 = 1,41A I 2(pk) = 250A I 2(rms) = 100A FC 2 = 2,5A -400A 0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 40

41 Normas Regulamentadoras: IEC IEC IEEE 519 IEC Estabelece limites para a emissão de harmônicas em equipamentos com correntes eficazes inferiores a 16 A por fase (monofásicos ou trifásicos) Estabelece limites para a emissão de harmônicas em equipamentos com correntes eficazes maiores que 16 A por fase. Recomendação que descreve os fenômenos causadores de distorções e apresenta métodos de medida destas distorções e limites para as mesmas. Compõe um guia geral para medidas de harmônicos e interharmônicos e instrumentação aplicada a sistemas de fornecimento energético. 41

42 PRODIST (Procedimentos de distribuição de energia elétrica no sistema elétrico nacional): Ano 2000 Resolução 24 ANEEL Ano 2001 Resolução 505 ANEEL Ano 2008 Resolução 345 ANEEL Disposições relativas à continuidade do fornecimento; Duração e frequência das interrupções. Estabelece critérios de Qualidade do Produto Limites em Regime Permanente (Precários e críticos) Critérios para Medição e Registro Prazos para regularização Compensação ao consumidor (ressarcimento) Criação do PRODIST Módulo 8 -> Qualidade de energia. Fator de potência Harmônicos Desequilíbrios de tensão Flutuações Variações de curta duração Variações de frequência Indicadores de continuidade 42

43 Como avaliar dispositivos e equipamentos alimentados por redes de baixa qualidade? Simuladores de redes não senoidais Geradores programáveis de distúrbios Fontes de corrente não seinoidais Simuladores de cargas não lineares 43

44 Simuladores de redes não senoidais São dispositivos capazes de gerar tensões não senoidais (com conteúdo harmônico). 44

45 Geradores Programáveis de Distúrbios São dispositivos capazes de gerar tensões que simulam distúrbios na alimentação (sags e swells) 400V 200V 0V -200V -400V 0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 400V 200V 0V -200V -400V 0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 45

46 Fontes de Corrente não Senoidais São dispositivos capazes de gerar correntes não senoidais (com conteúdo harmônico). 46

47 Simuladores de Cargas Não Lineares Utilizados para testar dispositivos com característica de fonte de tensão Podem ser dissipativos ou regenerativos REDE CARGA ELETRÔNICA REDE s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 47

48 Como desenvolver dispositivos que não provoquem uma baixa qualidade de energia? Pré reguladores M s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms Pré Regulador 0 M s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 48

49 Como melhorar a qualidade da energia que recebemos? Compensadores de reativos passivos; Compensadores de reativos ativos; Compensadores de reativos híbridos; Filtros de harmônicos passivos; Filtros de harmônicos ativos; Filtro Paralelo Filtro Série Filtro Universal (UPQC) Filtros de harmônicos híbridos; Restauradores dinâmicos de tensão Fontes ininterruptas de energia 49

50 Compensadores de Reativos: Compensadores Passivos. Linha de transmissao Transformador de Acoplamento Barra PT Controle V ref C C L L Banco de capacitores Banco de indutores Estabelecimento de Parametros Fonte: CONTROLADORES FACTS: Conceitos Básicos. Prof. Domingo Ruiz Caballero 50

51 Compensadores de Reativos: Compensadores Ativos. Linha de transmissao Barramento X A B C Transformador de Acoplamento T1 T2 C C + - Lc Lc Lc L Y V DC Controle Amostra de Tensoes Trifasicas SVC Impedância variável V DCref V ABCref STATCOM Compensador Síncrono Estático Fonte: CONTROLADORES FACTS: Conceitos Básicos Prof. Domingo Ruiz Caballero 51

52 Filtros Harmônicos: Filtros Sintonizados Fonte: José Antenor Pomilio. Harmônicos e Fator de Potência: um Curso de Extensão. Capítulo 5 - Filtros passivos. 52

53 Filtros Harmônicos: Filtro Ativo Paralelo Utilizado para corrigir a corrente de carga: presença de harmônicos cargas desequilibradas corrente de neutro Sistema Alimentador Fonte CA Zs PCC Carga Filtro paralelo, configuração VSI Vcc Ccc Ih Lv 53

54 Filtros Harmônicos: Filtro Ativo Série Utilizado para corrigir a corrente de carga: desequilíbrio de tensão sags swells, minimização de harmônicos Sistema Alimentador Fonte CA Zs Filtro série, configuração VSI Vh PCC Carga Vcc Ccc Lv Cv 54

55 Filtro Ativo Universal ou (UPQC) Filtros Harmônicos: Utilizado para corrigir a tensão e a corrente de carga simultaneamente Sistema Alimentador Fonte CA Zs Vs Is Vo Io PCC Vh Carga Ih Filtro Ativo Paralelo Barramento CC Filtro Ativo Série 55

56 Restaurador Dinâmico de Tensão: Fonte Energia armazenada Inversor Carga Utilizado para corrigir variações de curta duração ou desequilibrios entre fases. Fonte Carga Retificador Inversor 56

57 Fontes de Alimentação Ininterruptas (UPS): Rede Retificador Inversor Baterias ~ = = ~ Carga Alimentação cargas críticas de Associação à grupogeradores à diesel. 57