Centro Virtual de Pesquisas em Qualidade da Energia Elétrica. Grupo de Pesquisas em Eletrônica de Potência e Qualidade da Energia

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1 Centro Virtual de Pesquisas em Qualidade da Energia Elétrica Base Ilha Solteira dee.feis.unesp.br/.unesp.br/qualienergi/ Grupo de Pesquisas em Eletrônica de Potência e Qualidade da Energia

2 O que é Qualidade da Energia Elétrica? - Qualidade do Produto? - Qualidade do Serviço? - Qualidade do Atendimento?

3 Qualidade do Produto (Energia Elétrica) Qualidade da Tensão ( Voltage Quality ) Qualidade da Energia ( Power Quality )

4 Qualidade do Produto - Uma definição Qualquer problema manifestado através de desvios na tensão, na corrente, ou na freqüência, que resulte em falha ou má operação de equipamento do consumidor. (Electrical Power Systems Quality; Dugan,, R.C., McGranaghan, M.F., and Beaty, H.W.; ; 1996)

5 Qualidade do Produto = Conformidade da Tensão normal sag normal swell normal interrupçâo normal normal harmônicas normal surto normal

6 Qualidade do Serviço Relatório do EPRI, de Jul/01, ressalta: A eletricidade deve ter qualidade digital, ou seja deve apresentar conformidade (always perfect) e ter continuidade de fornecimento (always on). EPRI - Electric Power Research Institute

7 Uma definição mais abrangente... A QEE deve ser a perfeita combinação entre características quase ideais do produto eletricidade (qualidade do produto / conformidade); com um sistema s físico de fornecimento adequado (qualidade do serviço / continuidade); e agilidade operacional para satisfazer as expectativas do cliente (qualidade( do atendimento).

8 Motivação - Pesquisa e Desenvolvimento As Maiores Exigências Impostas pelos Consumidores são Devido a Implicações de Ordem Econômica. Perdas econômicas nos EUA, relacionadas a fenômenos de QEE atingem montantes entre US$ 15 e 24 bilhões anuais, conforme relatório do EPRI de julho/01. (Eletricidade Moderna, Ago/2001) QEE Imagem Empresarial ; Prejuízos Financeiros; Competitividade; Desenvolvimento Regional. Concessionário Oferecer Contratos de Fornecimento que Garantam a QEE Conquistar o Consumidor Livre Torná-lo Cativo

9 Motivação - Pesquisa e Desenvolvimento Custos Estimados para Interrupção de Determinado Processo - US$(mil). US$ (mil) 600 A -Saúde B -Gás C D E - Papel - Orgãos Públicos - Transportadoras Custos Estimados para Interrupção de Processo por Um Intervalo Inferior a 1 min 500 F G - Comércio Atacadista - Madeireiras 400 H - Químicas I - Plásticos/Borrachas J - Extração de Petróleo 300 K - Produtos Alimentícios L - Computadores M N -Engenharia - Equip. de Transporte 200 O - Orgãos de Financiamento P Q - Centros de Negócios - Mineração 100 R - Equipamentos Eletrônicos A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V S - Equipamentos de Instrumentação T U V - Refinarias de Petróleo - Siderúrgicas -Têxtil Mínimo Médio Máximo 0

10 Motivação - Pesquisa e Desenvolvimento Sensibilidade dos Equipamentos à Qualidade da Tensão de Suprimento 100 Tensão (% da Nominal) Tempo em ciclos Região de Má Operação: VCR s Fornos de Microondas Relógios Digitais Subsidiar Ações para Ressarcimento de Perdas e Danos Causados Aos s Consumidores

11 Motivação - Pesquisa e Desenvolvimento A Crescente Aplicação de Equipamentos que Utilizam Eletrônica de Potência Crescimento das Cargas Eletrônicas nos EUA 250 Modelagem de Cargas Não Lineares; Potência [GW] Estudos de Penetração Harmônica; Planejamento da Expansão; Planejamento da Operação; Representação da Rede Elétrica; Perdas Técnicas; Ano Carga Total Instalada Cargas Eletrônicas Proteção; Medição;

12 Motivação - Pesquisa e Desenvolvimento O Impacto de Algumas Medidas Errôneas para a Racionalização/Conservação Substituição Dos Sistemas de Iluminação Incandescentes Máquinas de Lavar Roupas Sistemas de Refrigeração Sistemas Eficientes?? Elevada TDH!! Reatores Eletrônicos de Baixo FP Lâmpadas Compactas

13 Comparação entre Lâmpadas [W] [lm] [lm/w] 12,3 16,0 [h] 750 5% Energia Elétrica Luz Visível [W] 40 [lm] 2600 [lm/w] 65,0 [h] % Energia Elétrica Luz Visível

14 Reator Eletrônico Convencional φ 25 o TDH 134% FP 0,54

15 Uma Constatação: Lâmpadas Compactas (PL)

16 Definição do Fator de Potência Para uma eficiente transmissão de energia da fonte para a carga é desejável Maximizar a Potência Média, com a Minimização dos Valores Eficazes de Tensão e Corrente (portanto, Minimizando-se as Perdas). O Fator de Potência (FP) é uma figura de mérito que avalia quanto Eficiente é a Transmissão/Distribuição de Energia. Ele é definido como: (Potência Média) Fator de Potência = (Tensao Eficaz)(Corrente Eficaz) O Fator de Potência está sempre entre 0 e 1; sendo a relação entre Potência Ativa (P) e Potência Aparente (S)

17 Carga Resistiva (Linear) e Tensão Não-Senoidal Neste caso as harmônicas de corrente estarão em fase e com amplitudes proporcionais às harmônicas de tensão. Portanto, todas as harmônicas contribuirão para a energia transmitida à carga, e, o Fator de Potência será UNITÁRIO. I Vn = ; θ = ϕ ; cos( ϕ θ ) = 1 R n n n n n (Tensao Eficaz)= V n=1 2 V n 2 (Corrente Eficaz)= I I V V 1 + = + = (Tensao Eficaz) R R R n 0 n n=1 2 n=1 2 VI n n P = V0I0 + cos ϕn θ n 2 n= 1 ( )

18 Carga Não Linear e Tensão Senoidal Com Tensão Senoidal, as harmônicas de corrente não contribuem para a Potência Média. Entretanto, correntes harmônicas aumentam o valor Eficaz da Corrente, e, portanto, reduzem o Fator de Potência. VI 2 ( ) 1 1 P = cos ϕ1 θ1 (Corrente Eficaz) 2 = I0 + n=1 2 I n 2 ˆ (Fator de Potencia) I 1 = I n I0 + n=1 2 ( cos( ϕ1 θ1) ) ( )( ) (Fator de Potencia) ˆ = Fator de Distorçao Fator de Deslocamento

19 Fator de Distorção Definido Somente para Tensão Senoidal. I 1 Fator de Distorçao = I n I 0 + n=1 2 ( ) ( Fator de Distorçao ) = ( Valor Eficaz da Fundamental da Corrente) ( Valor Eficaz da Corrente) Taxa de Distorção Harmônica Total (TDH): (TDH) = n=2 I 1 2 I n (Fator de Distorçao) = 1 ( ) 2 1+ TDH

20 Fator de Distorção versus TDH 110 Fator de Distorção [%] TDH [%]

21 Exemplo - Retificador Monofásico com Filtro Capacitivo Amplitude Harmônica em Percentual da Fundamental [%] % 91% 73% 52% 32% 19% 15% 15% 13% 9% TDH = 136% Fator de Distorção = 59% Ordem Harmônica [n] Espectro Harmônico Típico para a Corrente de Entrada

22 Exemplo: Máxima Potência Ativa Disponível Retificador Monofásico em rede de CA: 127V; 15A P (Ret. Conv.) = V. Limite Proteçao. Fator Potência. Rendimento disponível disponível disponível eficaz ( ) ( ) ( ) ( ) P (Ret. Conv.) = 127V. 80% de 15A. 0,55. 0,98 P (Ret. Conv.) = 821,4 W P (Ret. CFP) = V. Limite Proteçao. Fator Potência. Rendimento disponível disponível disponível eficaz ( ) ( ) ( ) ( ) P (Ret. CFP) = 127V. 80% de 15A. 0,99. 0,93 P (Ret. CFP) = 1.403,15 W (70,8% A MAIS de Potência Ativa Disponível)

23 As Origens dos Problemas de Qualidade Ponto de Vista do Consumidor Outros 3% Consumidor Adjacente 8% Consumidor Afetado 12% Causas Naturais 60% Concessionária 17% Ponto de Vista do Concessionário Outros 0% Consumidor Adjacente 8% Consumidor Afetado 25% Causas Naturais 66% Concessionária 1%

24 Pesquisadores e Membros - Base Ilha Solteira - 07 Pesquisadores (5 Prof. Dr.. Adjuntos e 2 Prof. Dr.); - 02 Pós-Doutorandos; - 02 Doutorandos; - 15 Mestrandos; - 02 Iniciação Científica.

25 Pesquisas em Desenvolvimento Sistemas de Acionamentos de Elevado Rendimento e Desempenho: - Sistemas de Refrigeração (TDH, eficiência, racionalização); Qualidade na Distribuição e Uso da Energia Elétrica: - Modelagem de Cargas Não Lineares e Efeitos nos Dispositivos dos Sistemas de Distribuição; - Análise dos Efeitos de Harmônicos e Desequilíbrios em Equipamentos de Distribuição;

26 Pesquisas em Desenvolvimento Sistemas de Iluminação Eficientes e com Qualidade: - Fluorescentes (Múltiplas Lâmp., TDH, Rendimento); - Iluminação de Alta pressão (TDH, Reson.. Acústica); Sistemas de Alimentação, Qualidade e Eficiência: - Retificadores Monofásicos e Trifásicos (FP, TDH); - Fontes Chaveadas Especiais (FP, TDH, Comutação);

27 Pesquisas em Desenvolvimento Sistemas Alternativos de Conversão de Energia: - Conversão Fotovoltaica e Célula Combustível em Aplicações em Corrente Alternada; Análise Penetração Harmônica em Equipamentos: - Harmônicos (FP, TDH, EMI/EMC); - Flicker (EMI/EMC); - Distúrbios;

28 Pesquisas em Desenvolvimento Análise de Interferências Eletromagnéticas: - EMI Conduzida, Filtros de Linha; Filtros Passivos - Dimensionamento Otimizado; - Análise de desempenho;

29 Pesquisas em Desenvolvimento Conversores Estáticos - Modelagem como Fonte Harmônica; Compensação de Sistemas - Desequilíbrios e Fator de Deslocamento; - Potência Complexa Instantânea;

30 Pesquisas em Desenvolvimento Uso Racional e Controle de Desperdício de Energia Elétrica: - Análise de Plantas; - Modernização (Retrofit( Retrofit) ) de Sistemas Fabris; - Modelagens;

31 Pesquisas em Desenvolvimento Transformadores de Distribuição e Força: - Efeitos da Magnetização Assimétrica; - Influência de Harmônicos na Vida Útil; Medidores de kwh : - Resposta quando Submetidos a Distúrbios;

32 Produção Científica - Período: 2001/2003 Artigos Publicados em Revistas: 07 Artigos Aceitos em Revistas (no prêlo): 04 Artigos Submetidos Revistas (em análise): 05 Artigos Completos em Congressos: 29 Dissertações de Mestrados Concluídas: 22 (Geral) Teses de Doutorado Concluídas: 01

33 Exemplos de Projetos Desenvolvidos Reator Eletrônico para Múltiplas Lâmpadas Fluorescentes TDH; FP; Rendimento; Controle de Luminosidade

34 Exemplos de Projetos Desenvolvidos Carga Eletrônica de 300A para Ensaios Dinâmicos de Fontes de Alimentação

35 Exemplos de Projetos Desenvolvidos Retificador para Sistemas de Telecomunicações TDH; FP; EMI; Eficiência (comutações não dissipativas)

36 Exemplos de Projetos Desenvolvidos Carregador de Baterias de Elevada Qualidade TDH; FP; EMI; Eficiência (comutações não dissipativas)

37 Exemplos de Projetos Desenvolvidos Compensador Estático tipo RCT Entrada Digital Placa de Condicionamento de Sinais Circuito de Sincronismo TP s Placa de Aquisição de Dados PCL-711S Entrada Analógica Circuito de Sample-Hold Circuito de Condicionamento de Corrente TC s Barramento do Microcomputador Placa de Interfaceamento Placa dos Contadores Circuito Opto- Acoplador Tiristores Apoio Didático Gerenciado por Microcomputador

38 Exemplos de Projetos Desenvolvidos Gerenciamento de Transformadores Perdas Técnicas: Suprimento/Planejamento/ Substituição/Análise Técnico-Econômica

39 Exemplos de Projetos em Andamento Sistema de Refrigeração de Elevado Desempenho: TDH; FP; Racionalização/Eficiência; Controle Digital 1φ CA 60 Hz 97V-260V Pré-Regulador ZCS-PWM (ou ZCS-FM) V CC Inversor 2 níveis, com controle vetorial (ou escalar) 3φ Motor Trifásico de Indução Carga Sistema de Refrigeração Proteções Controle Pré-Regulador Referências de Tensão e de Corrente Lógica VHDL DSP Controle do Inversor (Velocidade do Motor) Controle de Temperatura

40 Exemplos de Projetos em Andamento Pré-Regulador com Interleaved para Sistemas de Telecomunicações: TDH; FP; Eficiência; Controle Digital Célula 2 L in D 1 Célula 1 D 22 I in (ωt) D r1 D r2 L in D 1 L r1 L r2 C r D 2 L r1 S p L r2 S a Cr C 0 R 0 S p1 S a1 D ap D aa D ap D aa D r3 D r4 Sinais de Controle FPGA Sinais de Gate g Sp1 g Sa1 g Sp2 g Sa2 Célula 1 Célula 2

41 Exemplos de Projetos em Andamento Aproveitamento da Energia Fotovoltaica em Aplicações em CA: Eficiência (Técnicas Comutação); Controle Digital MÓDULO SOLAR/FOTOVOLTAICO REGULADOR BATERIAS CONVERSOR CC-CC e INVERSOR CARGAS CA CARGAS CC

42 Exemplos de Projetos em Andamento Desenvolvimento de um Algoritmo Inteligente para a Análise de Defeitos em Equip. Eletrodomésticos,, em Função de Distúrbios no Sistema de Distribuição; Tensão [%] Envoltória da Tensão de Tolerância do Computador Nível de Tensão Passível de Ruptura 115% 106% 87% 0 30% Tempo em Ciclos (60 Hz)

43 Infraestrutura Laboratorial Laboratório Interferências Eletromagnéticas Conduzidas

44 Infraestrutura Laboratorial Laboratório de Qualidade da Energia Elétrica

45 Infraestrutura Laboratorial Laboratório de Eletrônica de Potência-1

46 Infraestrutura Laboratorial Laboratório de Eletrônica de Potência-2

47 Infraestrutura Laboratorial Laboratório de Confecção de Circuitos Impressos

48 F I M qualienergi@dee dee.feis.unesp.b : canesin@dee dee.feis.unesp.br