Qualidade da Energia Elétrica Qualidade da Energia Transientes Distorção harmônica O que são harmônicas?

Transcrição

1 Energia Elétrica Energia é a propriedade de um sistema que lhe permite realizar trabalho. Pode ter várias formas: potencial, mecânica, química, eletromagnética, elétrica, calorífica etc. Estas várias formas de energia podem ser transformadas umas nas outras. Energia elétrica - ou eletricidade - é como se designa os fenômenos em que estão envolvidas cargas elétricas. A energia elétrica pode ser gerada através de fontes renováveis de energia (a força das águas e dos ventos, o sol e a bio massa), ou não renováveis (combustíveis fósseis e nucleares). No Brasil, onde é grande o número de rios, a opção hidráulica é mais utilizada e apenas uma pequena parte é gerada a partir de combustíveis fósseis, em usinas termelétricas. As partes principais de uma usina hidrelétrica são: a barragem, que tem por função barrar o fluxo da água do rio, represando-a; as comportas e o vertedouro, que controlam o nível de água da represa, evitando transbordamentos; e a casa de máquinas, onde estão instalados os geradores acoplados às turbinas. Para transformar a força das águas em energia elétrica, a água represada passa por dutos forçados, gira a turbina que, por estar interligada ao eixo do gerador, faz com que este entre em movimento, gerando a eletricidade. No caso de uma usina termelétrica, temos uma combinação diferente: a fornalha, onde é queimado o combustível; a caldeira, onde é produzido o vapor. O jato de vapor extraído da caldeira gira a turbina que, por estar interligada ao eixo do gerador faz com que este entre em movimento, gerando a eletricidade. Após gerada, a energia elétrica é conduzida por cabos até a subestação elevadora, onde transformadores elevam o valor da tensão elétrica (voltagem). Assim, nesse nível de tensão, a eletricidade pode percorrer longas distâncias pelas linhas de transmissão, sustentadas por torres, até chegar nas proximidades de onde será consumida. Antes disso, porém, a energia elétrica precisa ser reduzida na através de transformadores. Em seguida, ela percorre as linhas de distribuição, que podem ser subterrâneas ou, como é mais comum, aéreas. Finalmente, a energia elétrica é transformada novamente para os padrões de consumo local e chega às residências e outros estabelecimentos. Onde a concessionária de energia é responsável pela entrega da eletricidade até a conexão dos fios de sua rede com as instalações do cliente, geralmente no poste particular. O consumo de energia elétrica depende da potência do aparelho utilizado e do tempo de utilização. Os aparelhos elétricos possuem diferentes potências, consumindo mais ou menos energia. Essa potência é expressa em watts (W) e deverá estar mencionada na placa de identificação afixada no próprio aparelho. É o medidor de energia elétrica (relógio de luz) que registra o consumo de eletricidade. Mensalmente a concessionária de energia realiza a leitura do consumo, para que seja emitida a fatura (conta) de energia elétrica. O consumo do mês é calculado com base na diferença entre a leitura obtida no mês em curso e a do mês anterior.

2 Qualidade da Energia Elétrica A Qualidade da Energia tem sido alvo de muito interesse e discussão nos últimos anos. Cada vez mais as Industriais tem descoberto que sua capacidade de produção é influênciada por uma grande variedade de contaminações na corrente e na tensão elétrica onde de acordo com a IEEE 1159 temos 4 categorias a considerar: Transientes, variações de curta duração, variações de longa duração e distorção da forma de onda, sendo: Transientes São fenomenos que variam de nanosegundos a 3 milisegundos, sendo que estes fenomenos podem ser os chamados impulsos(curta duração) os quais não provocam alteração na forma de onda ou os oscilatórios que provocam alguma alteração na forma de onda. Distorção harmônica é um tipo específico de energia, que é normalmente associada com a crescente quantidade de acionamentos estáticos, fontes chaveadas e outros dispositivos eletrônicos nas plantas industriais e que acabam por provocar alterações na Frequência fundamental (60Hz). O que são harmônicas? Tecnicamente, uma harmônica é a componente de uma onda periódica cuja frequência é um múltiplo inteiro da frequência fundamental (no caso da energia elétrica, de 60 Hz). A melhor maneira de explicar isto é com a ilustração abaixo. Nesta figura, vemos duas curvas: uma onda senoidal normal, representando uma corrente de energia "limpa", e outra onda menor, representando uma harmônica. Esta segunda onda menor representa a harmônica de quinta ordem, o que significa que sua frequência é de 5 x 60 Hz, ou 300 Hz. Na segunda ilustração, vemos como ficaria a soma das duas curvas. Esta curva resultante mostra bem a distorção harmônica da curva de tensão, que deixa de ser perfeitamente senoidal na presença de harmônicas.

3 Harmônicas são um fenômeno contínuo, e não devem ser confundidas com fenômenos de curta duração que duram apenas alguns ciclos. Transientes, disturbações elétricas, picos de sobre-tensão e sub-tensão não são harmônicas. Estas perturbações no sistema podem normalmente ser eliminadas com a aplicação de filtros de linha (supressores de transientes). Entretanto, estes filtros de linha não reduzem ou eliminam correntes e tensões harmônicas. Nota: No século XIX, o matemático francês Joseph Forier demonstrou que toda função periódica pode ser decomposta em uma função constante e uma série (possivelmente infinita) de funções senoidais. O primeiro termo da série tem frequência igual à da função original, e é chamado commponente fundamental(1 a Harmônica), as demais têm frequências múltiplos inteiros da fundamental, recebendo o nome de 2 a. harmônica, 3 a harmônica, e assim sucessivamente, de acordo com o fator de multiplicidade. 3.Quem causa as distorções harmônicas? Uma carga é dita linear quando responde de maneira proporcional à excitação da fonte externa, mantendo um comportamento senoidal em resposta ao estímulo também senoidal da alimentação da rede.dessa forma, temos como principais causadores das harmônicas os inversores de frequência, variadores de velocidade, acionamentos tiristorizados, acionamentos em corrente contínua ou alternada, retificadores, "drives", conversores eletrônicos de potência, fornos de indução e a arco, "no-breaks" e máquinas de solda a arco dispositivos estes que atuam diretamente sobre a forma de onda da corrente de carga. A natureza e a magnitude das harmônicas geradas por cargas não-lineares dependem de cada carga especificamente, mas algumas generalizações podem ser feitas: As harmônicas que causam problemas geralmente são as harmônicas ímpares. A magnitude da corrente harmônica diminui com o aumento da frequência. 4.Quais são as consequências de altos níveis de distorções harmônicas? Da mesma forma que a pressão alta pode causar sérios problemas ao corpo humano, altos níveis de harmônicas numa instalação elétrica podem causar problemas para as redes de distribuição das concessionárias, para a própria instalação, e para os equipamentos ali instalados. As consequências podem chegar até à parada total de equipamentos importantes de produção.

4 Segue uma lista de consequências que as harmônicas podem causar em diversos tipos de equipamentos: Capacitores: sobrecorrente, queima de fusíveis, e redução da vida útil. Motores: aquecimento e consequente redução da vida útil, e impossibilidade de atingir potência máxima. Fusíveis/Disjuntores: operação falsa/errônea, e componentes danificados. Transformadores: aumento de perdas no ferro e no cobre, e redução de capacidade. Medidores: medições errôneas e possibilidade de maiores contas. Telefones: interferências. Erros nos medidores de energia. Acionamentos/Fontes: operações errôneas devido a múltiplas passagens por zero, e falha na comutação de circuitos. Distorções harmônicas causam muitos prejuízos a plantas industriais. De maior importância, são a perda de produtividade, e de vendas devido a paradas de produção cusadas por inesperadas falhas em motores, acionamentos, fontes ou simplesmente "repicar" de disjuntores. 5.O que os capacitores para correção de fator de potência tem a ver com as harmônicas? Em uma planta industrial que contenha capacitores para correção de fator de potência, as distorções harmônicas podem ser amplificadas em função da interação entre os capacitores e o transformador de serviço. Este fenômeno é comumente chamada de ressonância harmônica ou ressonância paralela. Muitos dizem, erroneamente, que os causadores das harmônicas são os capacitores. Na verdade, capacitores não geram harmônicas, e sim agravam os problemas potenciais das harmônicas. Eles são os equipamentos mais sensíveis às harmônicas, e os que mais sofrem na presença delas. Talvez por esta razão, problemas de harmônicas frequentemente não são conhecidos até que são aplicados capacitores para correção de fator de potência. 6.Nível de Pertubações Os níveis de pertubações podem ser escalonados da seguinte forma: - Nível de emissão: é o nível de pertubação provocado por uma carga ou consumidor - Nível de compatibilidade : é o máximo nível de disturbio aceitável em um determinado ponto da instalação. - Nível de imunidade : é o nível de suportabilidade de um dispositivo ou equipamento. - Nível de susceptibilidade: é o nivel a partir do qual um dispositivo ou equipamento apresenta mau funcionamento

5 Compatibilidade para sistemas e dispositivos definidos pela IEC-1000 Ordem harmônica Sistemas e Redes públicas e Cargas não-lineáres dispositivos sensíveis industriais , ,5 0, ,5 0, ,5 2,5 10 0,5 0, , ,2 0, ,5 DHT O QUE SE MEDE? Tensões, Correntes, Fator de Potência, Potências Ativa, Reativa e Aparente. 8.ONDE SE PODE MEDIR? - no secundário de Transformadores de Potência, com finalidade de avaliar a magnitude das grandezas elétricas presentes e o índice de carregamento do transformador; - em Circuitos Alimentadores de baixa tensão visando avaliar a distribuição da carga; - em máquinas especiais; - etc. Nesse caso, as medições podem ter a duração desejada pelo cliente, aliando-se naturalmente tal duração ao intervalo de registro das informações que podem ser de 1 segundo, 1 minuto, 5 minutos, 15 minutos, 30 minutos ou 60 minutos, dependendo da finalidade da medição. São fornecidos relatórios detalhados com tabelas e gráficos. 9.Como as harmônicas podem ser eliminadas? Normalmente, a solução mais confiável e acessível é feita com o uso de filtros de harmônicas. Um filtro de harmônicas é essencialmente um capacitor para correção de fator de potência combinado em série com um reator (indutor). Os filtros de harmônicas fabricados são quase sempre sintonizados abaixo da quinta harmônica. Devendo-se estudar cada caso especificamente para se assegurar que estes produtos são adequados a cada aplicação.

6 Glossário Analisador de energia: Instrumento utilizado para medição e analise de grandezas elétricas como tensão, corrente, potência ativa, reativa e aparente, energia ativa, reativa e aparente, fator de potência, etc Multimetro: Instrumento utilizado para a medição de grandezas elétricas como Tensão (V), corrente (A), Resistência ( capacitância, frequência, temperatura, etc. Podem ser analógicos (ponteiro/galvanômetro/taut-band) ou digitais (display) Alicates amperímetros: São multimetros que possibilitam a leitura de correntes sem a necessidade de se interromper o circuito, elevando a leitura por meio de uma garra que envolve o condutor por onde passa a corrente Alicates Wattímetros: Instrumento utilizado para medições de consumo em motores e maquinas. Osciloscópios: É um instrumento utilizado para visualização do comportamento de um sinal ao longo do tempo. Analógicos: indicado para baixas frequências Digitais: indicado para altas frequências e onde se faz necessário o armazenamento de formas de ondas Gerador de Áudio / Funções: Geram sinais ou informações aos circuitos eletrônicos Frequêncimetros: Instrumento utilizado para medir frequências de sinais Fontes de alimentação: Equipamento utilizado para fornecer energia a circuitos ou equipamentos. Décadas: Componente eletrônico que varia o seu valor por décadas de unidades ( resistiva/capacitiva) Ponte LCR: Instrumento utilizado para medir valores de componentes : Indutor, capacitor e resistor Capacímetro: Instrumento utilizado para medição de capacitância Anemômetro: Instrumento utilizado para medição de velocidade de descolcamento de ar Decibelímetro: Instrumento utilizado para medição de intensidade de ruído em um ambiente Termo-higrômetro: Instrumento utilizado para medição de umidade relativa e temperatura de ambientes. Tacômetros: Instrumento utilizado para medições de velocidade de rotação Luxímetro: Instrumento utilizado para medição de intensidade de luz em ambientes. Terrômetros: Instrumentos utilizados para medição de resistência de aterramento Megômetro: Instrumento utilizado para medição de resistência de isolamento Testador de rigidez dielétrica HI-POT: Instrumento utilizado para medição de corrente de fuga em maquinas. Fasímetro: Instrumento utilizado para verificação de fase aberta e sequência de fases em instalações Sequêncimetro: Instrumento utilizado para verificação de fase aberta, sequência de fase e teste de direção de motores

7 Separador de linha: Este instrumento facilita a medida de corrente em eletrodométicos ou equipamentos cujo cabo de alimentação seja selado Programadores de EPROM: Equipamento utilizado para gravação de programas em memórias do tipo EPROM, Dispositivos Lógicos Programáveis e microcontroladores. Modo Relativo: Quando essa função estiver habilitada, o valor mostrado no display será dado pela diferença entre o valor de referência armazenada anteriormente pelo usuário e a leitura atual. Exemplo: Se o valor da referência armazenado é de 24V e a leitura atual for 12.5V, então o display indicará V. Se uma nova leitura for igual ao valor de referência, o display mostrará 0. Average / AGV: Esta função fornece a média aritmética das medidas feitas pelo aparelho, durante a medição. Para cada nova medida realizada, esse valor será atualizado automaticamente no display fornecendo a nova média aritmética. Auto Power Off: Desliga o aparelho automaticamente após um intervalo de tempo (definido por cada aparelho) em que o mesmo não esteja sendo utilizado, evitando assim o consumo desnecessário da bateria. Autorange: Esta função executa a mudança automática das faixas durante determinada medição sem necessidade de alteração manual. Data Hold / Hold: Esta função congela a leitura no display no momento em que for ativada, ou seja, quando pressionada a tecla HOLD, indicando o mesmo valor até que seja desativada; para isso basta pressionar novamente a mesma tecla. Storage: Trata-se de uma função cujo objetivo é de armazenamento de dados na memória do aparelho. Recall: É a função que executa a busca dos dados armazenados na memória do aparelho pela função Storage. Holster: Capa protetora que envolve o aparelho contra eventuais impactos e danos físicos, sendo confeccionado em diversas cores. Peak Hold: Esta função fornece o congelamento da leitura no momento em que a forma de onda apresentar um valor instantâneo máximo (pico). Teste Lógico: Essa função indica se o valor DC do aparelho está em nível alto (1) ou nível baixo (0). Beep Guard: Esta função alerta o usuário através de um sinal sonoro se o mesmo está realizando uma operação errada, como por exemplo se as pontas de prova estiverem conectadas aos borners de corrente sendo que o aparelho está selecionado na escala de tensão. Duty Cycle: É o ciclo de trabalho de uma determinada onda expresso em percentual positivo (percentual da largura do pulso positivo da onda em relação ao período) ou negativo (percentual da largura do pulso negativo da onda em relação ao período). Por exemplo uma onda quadrada, cujo período é de 100ms e a largura do pulso positivo é de 40ms, o Duty Cycle seria de 40%. DBm: Trata-se de uma unidade de potência que é expressa em escala logarítmica. Taxa de Harmônica: É uma função que indica a quantidade de distorção harmônica que existe em uma onda. Este valor é dado em percentual, como por exemplo numa onda senoidal pura, a taxa de harmônica é de 0%. Temperatura T1, T2, Delta T: T1 = Temperatura do Sensor 01 T2 = Temperatura do Sensor 02

8 DT = Diferença de temperatura entre os sensores T1 e T2 (T1 - T2). Dwell: Esta função realiza a medida do ângulo de permanência do sistema de ignição do veículo. Este ângulo de permanência (Dwell Angle) corresponde ao ângulo de deslocamento do rotor do distribuidor, durante o período em que a bobina está sendo energizada. Nos veículos com platinado, corresponde ao período em que o mesmo permanece fechado. Como por exemplo, um carro que possui 4 cilindros, a volta completa do rotor do distribuidor seria 360 com 4 ciclos e cada cilindro corresponderia a 90 e 1 ciclo; caso o tempo em que a bobina é energizada corresponda a metade do ciclo, o ângulo Dwell seria de 45. Auto Setup: Através desta função os Osciloscópios procuram automaticamente a melhor configuração para exibir a forma de onda a qual é aplicada à sua entrada. Garra Indutiva: Trata-se de uma garra com características indutivas para aplicação automotiva. Serve para coletar a frequência dos pulsos existentes num cabo de vela do motor do veículo, permitindo assim que os aparelhos convertam esta frequência para a função de RPM (Rotação Por Minuto). Indicador de Tensão Sem Contato (NCV): Esta função permite que uma tensão seja detectada sem contato, bastando aproximar o aparelho sem as pontas de prova conectadas de uma tomada; com isso, o aparelho através do LED que piscará ou da buzina que tocará indica que a tensão está muito alta, havendo assim risco ao operador de levar choques. Indicador de Baixa Distorção (CP): Durante a medida de tensão AC de frequência 60Hz, o LED Verde CP (Clean Power) acenderá se a tensão apresentar baixa distorção. Caso o indicador não acenda, deve-se investigar a causa desta distorção utilizando um instrumento mais especializado. Cos Fi (cos ø): O ângulo de defasagem da tensão em relação a corrente recebe o nome de Fi (ø). Essa defasagem é geralmente causada por cargas indutivas ou capacitivas. O cos ø também é chamado de Fator de Potência (PF). Norma EN61010: Trata-se de uma Norma de Segurança, que especifica entre outras características a categoria de instalação dos equipamnetos de medição (CAT I, II, III, IV). Modo Máximo: Esta função de registro de leitura máxima é usado para gravar o valor máximo medido de um sinal durante o intervalo de tempo em que a função ficou habilitada. Está disponível nas medidas de Tensão DC/AC, correntes AC, resistência e capacitância. Para utilizar esta função, selecione a faixa através da chave rotativa e pressione a tecla MAX, o qual aparecerá no display, em seguida aplicando-se um sinal de entrada a função começa a operar. Este valor máximo é mantido na memória digital por um longo tempo, e para sair desta função Máxima, pressione a tecla MAX novamente. Registrador Interno de 4 Dados: São 4 posições localizadas na memória RAM do aparelho e servem para armazenar as leituras das medições efetuadas com o aparelho. Através deste recurso, os dados não precisam ser anotados (escritos) no momento da medição, porém esses dados são perdidos quando o aparelho é desligado. Indicador de Alta Tensão HIV: Em qualquer faixa de tensão AC ou DC quando você conectar as pontas de prova a uma tensão maior do que aproximadamente 30V DC ou AC, a buzina tocará e o LED HI-V piscará. Neste caso, tome muito cuidado quanto a choques elétricos.

9 Registrador Interno de 4000 Dados (Data Logger): Esta função permite que o aparelho grave automaticamente em sua memória interna até 4000 leituras com intervalo de tempo entre os registros que é programado pelo usuário. MDA-10: ft/min Knots: São unidades de velocidade linear, assim como o Km/h, de modo que 1 ft/min (foot/min = pés/min) equivale a 0,018288Km/h e 1 Knot (milhas náuticas) equivale a 1,852 Km/h. Microfone de Eletreto ½ : Trata-se de um microfone especial para captação de ruídos, cujo o diâmetro é de ½ (½ polegada). Categorias I, II, III, IV: A categoria de um instrumento está relacionada com o nível de segurança que este oferece, principalmente quando se está trabalhando com potências elevadas. Assim, para uso industrial são recomendados os instrumentos de CAT III e CAT IV, que oferecem um nível maior de segurança. Já para aplicações em baixa potência, pode-se utilizar instrumentos de categorias inferiores como CAT I ou CAT II. Refresh Hold/Hold: Esta função tem como finalidade congelar automaticamente a leitura sempre que a mesma atingir um valor instável. Ponderação A & C: Os decibelímetros com ponderação A & C capturam ruídos ambientais nas faixa de frequência audível ao humano sendo que a Ponderação A é utilizada na coleta de medidas de níveis de som genéricos e a Ponderação C utilizada na verificação de componentes de ruídos de baixa frequência. True Rms: As instalações elétricas, os equipamentos eletro-eletrônicos e mesmo os intrumentos de Medição sofrem com a influência de dispositivos que utilizam fontes chaveadas, motores e mesmo com os aparelhos de comunicação de ação rápida, isto porque os mesmos acabam por gerar picos de corrente e tensão e oscilações na frequência da rede (harmonicas). Dessa forma, a tecnologia desenvolveu instrumentos de medição com capacidade de medir correntamente a tensão, a corrente ou mesmo a potência de circuitos e aparelhos, estes instrumentos propiciam uma medida True Rms. Precisão: É a exatidão das medidas feitas pelo instrumento, geralmente maior nos digitais que nos analógicos