CARLOS HENRIQUE BEUTER

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE EDIFICAÇÕES E AMBIENTAL CARLOS HENRIQUE BEUTER ESTUDO DA INFLUÊNCIA NO REATIVO DO BARRAMENTO DE UM SISTEMA ELÉTRICO UTILIZANDO CARGAS ELETRÔNICAS EM PROJETOS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA Cuiabá - MT Fevereiro, 2015

2 ARLOS HENRIQUE BEUTER ESTUDO DA INFLUÊNCIA NO REATIVO DO BARRAMENTO DE UM SISTEMA ELÉTRICO UTILIZANDO CARGAS ELETRÔNICAS EM PROJETOS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA Dissertação apresentada junto ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Edificações e Ambiental da Universidade Federal de Mato Grosso, como requisito para obtenção do título de Mestre. Área de concentração: Tecnologia Ambiental Orientador: Prof. Dr. Arnulfo Barroso de Vasconcellos Cuiabá - MT Fevereiro, 2015

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5 DEDICATÓRIA A minha esposa que durante esta jornada deu o apoio incondicional necessário para a realização deste trabalho.

6 AGRADECIMENTOS Ao Prof. Dr. Arnulfo Barroso de Vasconcellos, pela orientação e paciência durante o desenvolvimento deste trabalho. Agradeço a minha esposa, que me apoiou e compreendeu a necessidade dos meus inúmeros translados semanais entre as cidades de Rondonópolis e Cuiabá durante os anos de 2013 e 2014 em trecho não duplicado e em muitas vezes em péssimas condições de trafegabilidade. Ao companheiro de trabalho, Jefferson Oliveira, compartilhador das incontáveis viagens realizadas ao longo de todo o mestrado. Aos professores do Curso de Engenharia Mecânica do campus de Rondonópolis, em especial ao Prof. Dr. Aguinaldo Soares de Oliveira pelo forte apoio e incentivo ao longo do início das atividades, e ao Prof. Dr. Heinsten Frederich Leal dos Santos, por continuamente proporcionar a oportunidade de realização deste trabalho, não medindo esforços para atingir a meta de formação completa do corpo docente. Aos professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Edificações e Ambiental (PPgEEA) pelos momentos de aprendizado, discussões e direcionamentos durante o curso. Aos servidores do PPgEEA, aqueles que direta ou indiretamente participaram da execução deste trabalho. Aos bolsistas de graduação: Marina Camillo de Carvalho, Raquel Cristina Filiagi Gregory, Jéssica Romeiro de Carvalho, Rodolfo Varraschim Rocha e outros, que deram uma porção de contribuição, mesmo que de maneira indireta, na preparação e apresentação dos resultados deste trabalho.

7 RESUMO BEUTER, C. H. Estudo da Influência no Reativo do Barramento de um Sistema Elétrico Utilizando Cargas Eletrônicas em Projetos de Eficiência Energética f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Edificações e Ambiental), Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia, Universidade Federal de Mato Grosso, Cuiabá, O consumo de energia elétrica é crescente e exaustivamente abordado na literatura nacional e internacional. Como os recursos naturais são limitados, associado às barreiras ambientais para geração de energia, é de se esperar uma crescente preocupação e busca pela eficiência elétrica e energética. No entanto, ocorreu uma profusão e evolução na tecnologia dos equipamentos eletroeletrônicos, massificado nos diversos segmentos de atividade, quer residenciais, comerciais ou industriais. O uso difundido da eletrônica de potência, microeletrônica e microprocessadores em todo tipo de equipamentos, desde os relógios digitais às complexas linhas industriais automatizadas se deve em parte pelo alto rendimento e eficiência elétrica que estes proporcionam. Com este aumento considerável das cargas eletrônicas nas unidades consumidoras operando, muitas das vezes, na presença de motores elétricos, dentre outras cargas predominantemente indutivas, tem-se a necessidade de uma análise sobre seu possível impacto no contexto energético. O comportamento de cargas eletrônicas lineares e não lineares pode influenciar no comportamento do reativo no barramento de um sistema elétrico. Visando fomentar discussões e gerar conhecimento sobre o assunto, o objetivo deste trabalho é analisar o comportamento de cargas eletrônicas, especificamente lâmpadas fluorescentes compactas e tubulares com reatores eletrônicos, como forma de compensar o excedente de energia reativa de uma carga indutiva, e observando seu possível impacto nos projetos de eficiência energética. Nas medições em laboratório de lâmpadas fluorescentes compactas, bem como externamente, em campo, em barramento composto por lâmpadas fluorescentes tubulares com reatores eletrônicos, observou-se um fluxo de carga reativo capacitivo em direção à fonte de alimentação, ou seja, quando conectadas as cargas eletrônicas em paralelo a um banco de indutores o fator de potência foi compensado pelo reativo das lâmpadas. Os resultados obtidos em campo e em laboratório foram validados através de um modelo de simulação, utilizando o software ATP, na interface gráfica ATPDraw, no qual foram modelados um conjunto de lâmpadas fluorescentes compactas e cargas indutivas. Foi analisado se este fluxo reativo capacitivo gerado pelas cargas eletrônicas pode ser vantajoso ou prejudicial para o sistema de tarifação, em função da hora do dia em que esta carga eletrônica é acionada. Nos procedimentos adotados concluiu-se que ocorre injeção de potência reativa no barramento, contribuindo para a melhoria do fator de potência da unidade consumidora e, consequentemente, influenciando no calculo do excedente de energia reativa. Palavras-chave: cargas não lineares, eficiência elétrica, tarifação

8 ABSTRACT BEUTER, C. H. Influence Study on Reactive Power System of a bus Using Electronic Loads in Energy Efficiency Projects f. Dissertation (Masters in Environmental Engineering and Buildings ), Faculty of Architecture, Engineering and Technology, Federal University of Mato Grosso, Cuiabá, Electricity consumption is growing and thoroughly discussed in the national and international literature. As natural resources are limited, associated with environmental barriers for power generation, it is expected a growing concern and quest for power and energy efficiency. However, there was profusion and developments in the technology of electronic equipment, mass-produced in various sectors of activity, whether residential, commercial or industrial. The widespread use of power electronics, microelectronics and microprocessors in all types of equipment, from digital watches to complex automated industrial lines is due in part by the high performance and power efficiency they provide. With this significant increase in electronic loads in the consumer units operating, often in the presence of electric motors, among other charges predominantly inductive, there is the need for an analysis of its possible impact on the energy context. The behavior of linear and non-linear electronic loads can influence the reactive behavior in an electrical system bus. In order to promote discussion and generate knowledge on the subject, the objective of this study is to analyze the behavior of electronic loads, specifically CFLs and tubes with electronic ballasts, in order to compensate the reactive power excess of an inductive load, and watching his possible impact on energy efficiency projects. In the laboratory measurements of compact fluorescent lamps as well as externally, in the field, in bus composed of tubular fluorescent lamps with electronic ballasts, there was a capacitive reactive power flow toward the power supply, in other words, when connected loads electronic alongside a bank of inducing the power factor was offset by reactive lamps. The results obtained in the field and in the laboratory have been validated through a simulation model using the ATP software, at ATPDraw graphical interface, which were modeled a set of compact fluorescent lamps and inductive loads. We analyzed whether this capacitive reactive flow generated by electronic loads can be beneficial or detrimental to the charging system, depending on the time of day that this electronic charge is triggered. In the adopted procedures was concluded that occurs reactive power injection on the bus, helping to improve the power factor of the consumer unit and consequently influencing the reactive power surplus calculation. Keywords : nonlinear loads, electrical efficiency, charging.

9 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Matriz de Geração de Energia Elétrica no Brasil (2013) Figura 2 Esquema tarifário básico para as modalidades do Grupo A Figura 3 Diagrama das tensões fundamentais e seu sentido de giro, sequência positiva (+) Figura 4 Diagrama das tensões harmônicas de sequência zero (0), 3ª harmônica Figura 5 Diagrama das tensões harmônicas de sequência negativa (-), 5ª harmônica Figura 6 Diagrama das tensões harmônicas de sequência positiva (+), 7ª harmônica Figura 7 Medidor de energia SAGA 3000 modelo Figura 8 Medidor de energia ACE SL Figura 9 Analisador de energia MARH Figura 10 Analisador Trifásico de Energia Fluke Figura 11 FlukeView Power Quality Analyser v Figura 12 Tela do Software Analisador de Energia ANAWIN Figura 13 Tela de trabalho do ATPDraw Figura 14 Tela de trabalho do MatLab Figura 15 Esquema do conjunto de LFC conectadas no circuito em Laboratório Figura 16 Conjunto de LFC conectadas no circuito Figura 17 Disposição dos medidores de grandezas elétricas e analisadores de energia Figura 18 Conjunto de reatores conectados em paralelo com as LFC Figura 19 Esquema de ligação de um conjunto LFT na fase a em Laboratório Figura 20 Conjunto de LFT conectadas no circuito Figura 21 Esquema do conjunto de LFT conectadas no circuito do Home Center Figura 22 Conexão do analisador de energia elétrica Fluke no barramento de energia de alimentação das LFT Figura 23 Esquema do conjunto de cargas com característica não linear, conectadas no circuito em um Data Center Figura 24 Conexão do analisador de energia elétrica Fluke no barramento de energia de alimentação de um Data Center Figura 25 Esquema do conjunto de LFT conectadas no circuito do Shopping Center Figura 26 Conexão do analisador de energia elétrica Fluke no painel de distribuição de iluminação um Shopping Center Figura 27 Forma de onda das correntes trifásicas solicitadas pelas LFC do barramento Figura 28 Espectro harmônico da corrente da fase a Figura 29 Espectro harmônico da corrente da fase b Figura 30 Espectro harmônico da corrente da fase c

10 Figura 31 Forma de onda das tensões trifásicas que alimentam as LFC Figura 32 Espectro harmônico da tensão da fase a Figura 33 Espectro harmônico da tensão da fase b Figura 34 Espectro harmônico da tensão da fase c Figura 35 Potências ativas e reativas das LFC nas medições em Laboratório através do medidor de qualidade de energia Fluke Figura 36 Variação do fluxo de potência reativa, entre carga e fonte, registrado pelo varímetro analógico Figura 37 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta as LFC na fase a Figura 38 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta as LFC na fase b Figura 39 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta as LFC na fase c Figura 40 Forma de onda da corrente e tensão solicitadas pelas LFT do barramento Figura 41 Espectro harmônico da corrente da LFT no Laboratório Figura 42 Espectro harmônico da corrente da LFT no Laboratório, nas frequências múltiplas impares de h=3 a h= Figura 43 Espectro harmônico da tensão da LFT no Laboratório Figura 44 Espectro harmônico da tensão da LFT no Laboratório, nas frequências múltiplas impares de h=3 a h= Figura 45 Potências ativas e reativas das LFT no Laboratório através do medidor de qualidade de energia Figura 46 Forma de onda das tensões trifásicas do barramento que alimenta as LFT através do medidor de qualidade de energia Figura 47 Forma de onda das correntes trifásicas do barramento que alimenta as LFT através do medidor de qualidade de energia Figura 48 Potências ativas e reativas das LFT no Home Center através do medidor de qualidade de energia Figura 49 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta as LFT na fase a Figura 50 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta as LFT na fase b Figura 51 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta as LFT na fase c Figura 52 Forma de onda das tensões trifásicas do barramento que alimenta os servidores através do medidor de qualidade de energia Figura 53 Forma de onda das correntes trifásicas do barramento que alimenta os servidores através do medidor de qualidade de energia

11 Figura 54 Potências ativas e reativas dos servidores no Data Center medidas através do medidor de qualidade de energia Figura 55 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta os servidores na fase a Figura 56 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta os servidores na fase b Figura 57 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta os servidores na fase c Figura 58 Forma de onda da tensão e corrente da fase a no transformador do subsolo Figura 59 Forma de onda da tensão e corrente da fase b no transformador do subsolo Figura 60 Forma de onda da tensão e corrente da fase c no transformador do subsolo Figura 61 Espectro harmônico da corrente da fase a no transformador do subsolo Figura 62 Espectro harmônico da corrente da fase b no transformador do subsolo Figura 63 Espectro harmônico da corrente da fase c no transformador do subsolo Figura 64 Forma de onda da tensão e corrente da fase a no transformador do primeiro piso Figura 65 Forma de onda da tensão e corrente da fase b no transformador do primeiro piso Figura 66 Forma de onda da tensão e corrente da fase c no transformador do primeiro piso Figura 67 Espectro harmônico da corrente da fase a no transformador do primeiro piso Figura 68 Espectro harmônico da corrente da fase b no transformador do primeiro piso Figura 69 Espectro harmônico da corrente da fase c no transformador do primeiro piso Figura 70 Modelo da LFC Figura 71 Conjunto de LFC no simulador Figura 72 Conjunto de indutores no simulador Figura 73 Forma de onda das correntes trifásicas solicitadas pelas LFC na simulação Figura 74 Forma de onda das tensões trifásicas das LFC obtidas na simulação Figura 75 Espectro harmônico da corrente da fase a obtida na simulação Figura 76 Forma de onda da tensão e corrente solicitadas pelas LFC na simulação na fase a Figura 77 Forma de onda da tensão e corrente solicitadas pelas LFC na simulação na fase b Figura 78 Forma de onda da tensão e corrente solicitadas pelas LFC na simulação na fase c Figura A1 Foto de uma LFC desmontada para identificação dos componentes e criação do modelo Figura A2 Parâmetros do modelo da LFC no software ATP interface gráfica ATP Draw. 120

12 Figura A3 Varímetro utilizado no experimento Figura A4 Wattímetro utilizado no experimento Figura A5 LFC Sylvania utilizada no experimento Figura A6 Indutor utilizado no experimento Figura A7 Disjuntor utilizado no experimento Figura A8 Reator AFP utilizado no experimento caso LFT Figura A9 Reator AFP encontrado na medição do caso Home Center Figura A10 Representação do intervalo de confiança

13 LISTA DE QUADROS Quadro 1 Subgrupos da modalidade tarifária A Quadro 2 Subgrupos da modalidade tarifária B Quadro 3 Definição dos Postos Tarifários Quadro 4 Principais diferenças entre o Mercado Cativo de Energia (ACR) e o Mercado Livre de Energia (ACL) Quadro 5 Quadro com resumo qualitativo dos experimentos Quadro A1 Tamanho da amostra adotando o critério da potência ativa Quadro A2 Tamanho da amostra adotando o critério da potência aparente

14 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Ordem ou frequência e sequência das harmônicas, 1ª a 7ª Tabela 2 Valores de Referência Globais das DTT (em porcentagem da tensão fundamental) Tabela 3 Níveis de referência para DIT h % (em percentagem da tensão fundamental) Tabela A1 Resultados Sumarizados Tabela A2 Dados de placa do reator AFP do caso LFT Tabela A3 Dados de placa do reator AFP do caso Home Center

15 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ACL Ambiente de Contratação Livre ACR Ambiente de Contratação Regulada AFP Alto Fator de Potência ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica ATP Alternative Transients Program Programa de Análise de Transientes CA Corrente Alternada CPD Centro de Processamento de Dados CUSD Contrato de Uso do Sistema de Distribuição DTT Distorção Total de Tensão ENCE Etiqueta Nacional de Conservação de Energia FP Fator de Potência FD Fator de Deslocamento GPRS General Packet Radio Service Serviço de Rádio de Pacote Geral HID High Intensity Discharge Descarga de Alta Intensidade IEA International Energy Agency Agência Internacional de Energia INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia IP Internet Protocol Protocolo de Internet LED Light Emitting Diode Diodo Emissor de Luz LCD Liquid Crystal Display Mostrador de Cristal Líquido LFC Lâmpada(s) Fluorescente(s) Compacta(s) LFT Lâmpada(s) Fluorescente(s) Tubular(es) MATLAB MATrix LABoratory ML Mercado Livre MME Ministério de Minas e Energia ONS Operador Nacional do Sistema PDEE Plano Decenal de Expansão de Energia P&D Pesquisa e Desenvolvimento PEE Programa de Eficiência Energética das Empresas de Distribuição PPgEEA Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Edificações e Ambiental PROCEL Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional

16 PRORET Procedimentos de Regulação Tarifária PSTN Public Switched Telephone Network Rede Telefônica Pública Comutada R$ Reais ROL Receita Operacional Líquida SI Sistema Internacional SIN Sistema Interligado Nacional TE Tarifa de Energia TUSD Tarifa de Uso do Sistema de Distribuição TSEE Tarifa Social de Energia Elétrica UC Unidade Consumidora UFMT Universidade Federal de Mato Grosso UFU Universidade Federal de Uberlândia UV Ultravioleta

17 LISTA DE SÍMBOLOS E UNIDADES Símbolos Usados em Expressões Matemáticas Símbolo Significado Unidade cos θ1 Cosseno do ângulo de defasagem entre tensão e corrente - fundamental DIT h %: Distorção harmônica individual de tensão de ordem h [%] DII h % Distorção harmônica individual de corrente de ordem h [%] DTT% Distorção harmônica total de tensão [%] DTI % Distorção harmônica total de corrente [%] D RE (p) Valor, por posto tarifário p, correspondente à demanda de [R$] potência reativa excedente à quantidade permitida pelo FP de referência fr no período de faturamento e Erro de estimativa - EEAM T Montante de energia elétrica ativa medida em cada intervalo T [MWh] de 1 (uma) hora, durante o período de faturamento E RE Energia elétrica reativa excedente à quantidade permitida pelo FP [R$] de referência f r, no período de faturamento FP Fator de Potência - FD Fator de Deslocamento - FD ist Fator de Distorção - f r FP de referência igual a 0,92 - f t FP da unidade consumidora (UC), calculado em cada intervalo T - de 1 (uma) hora, durante o período de faturamento H máx Ordem harmônica máxima - H mín Ordem harmônica mínima I h Corrente harmônica de ordem h [A] I 1 Corrente fundamental medida [A] MAX Valor máximo da equação - n Tamanho da amostra - n1 n2 N Número de intervalos de integralização T do período de faturamento para os postos tarifários ponta e fora de ponta Número de intervalos de integralização T, por posto tarifário p, no período de faturamento Tamanho da população p Ponta ou Fora de Ponta - PAF(p) Demanda de potência ativa faturável, em cada posto tarifário p no período de faturamento - - [kw]

18 PAM T Demanda de potência ativa medida no intervalo de integralização [kw] de 1 (uma) hora T, durante o período de faturamento P F Potência Ativa Fundamental [W] S F Potência Aparente Fundamental [VA] S T Potência Aparente Total [VA] s x Desvio padrão da amostra - THD Taxa de Distorção Harmônica [%] V h Tensão harmônica de ordem h [V] v ha Valores instantâneos das tensões fundamentais e harmônicas na [V] fase a v hb Valores instantâneos das tensões fundamentais e harmônicas na [V] fase b v hc Valores instantâneos das tensões fundamentais e harmônicas na [V] fase c V ham Valores máximos das tensões fundamentais e harmônicas na fase a [V] V hbm Valores máximos das tensões fundamentais e harmônicas na fase b [V] V hbm Valores máximos das tensões fundamentais e harmônicas na fase c [V] V N Tensão nominal do barramento [V] V 1 Tensão fundamental medida [V] v 1a Valores instantâneos das tensões fundamentais na fase a [V] v 1b Valores instantâneos das tensões fundamentais na fase b [V] v 1c Valores instantâneos das tensões fundamentais na fase c [V] v 3a Valores instantâneos das tensões de terceira harmônica na fase a [V] v 3b Valores instantâneos das tensões de terceira harmônica na fase b [V] v 3c Valores instantâneos das tensões de terceira harmônica na fase c [V] v 5a Valores instantâneos das tensões de quinta harmônica na fase a [V] v 5b Valores instantâneos das tensões de quinta harmônica na fase b [V] v 5c Valores instantâneos das tensões de quinta harmônica na fase c [V] v 7a Valores instantâneos das tensões de sétima harmônica na fase a [V] v 7b Valores instantâneos das tensões de sétima harmônica na fase b [V] v 7c Valores instantâneos das tensões de sétima harmônica na fase c [V] V 1am Valores máximos das tensões fundamentais na fase a [V] V 1bm Valores máximos das tensões fundamentais na fase b [V]

19 V 1cm Valores máximos das tensões fundamentais na fase c [V] V 3am Valores máximos das tensões de terceira harmônica na fase a [V] V 3bm Valores máximos das tensões de terceira harmônica na fase b [V] V 3cm Valores máximos das tensões de terceira harmônica na fase c [V] V 5am Valores máximos das tensões de quinta harmônica na fase a [V] V 5bm Valores máximos das tensões de quinta harmônica na fase b [V] V 5cm Valores máximos das tensões de quinta harmônica na fase c [V] V 7am Valores máximos das tensões de sétima harmônica na fase a [V] V 7bm Valores máximos das tensões de sétima harmônica na fase b [V] V 7cm Valores máximos das tensões de sétima harmônica na fase c [V] VR DRE Valor de referência equivalente às tarifas de demanda de potência [R$/kW] VR ERE Valor de referência equivalente à tarifa de energia "TE" aplicável [R$/MWh] ao subgrupo B1 t α n 1, Distribuição student para n graus de liberdade e grau de confiança - 2 α T Intervalo de tempo no período de faturamento [h] z Desvio padrão amostral - μ Estimativa intervalar de confiança populacional - μpat Media populacional da Potência Ativa [W] μpr Media populacional da Potência Reativa [VAr] μpap Media populacional da Potência Aparente [VA] σ Desvio padrão - σ X Desvio padrão da população ω Frequência [rad/s] x Média da amostra º Grau trigonométrico -

20 Símbolos de Prefixos e Unidades de Grandezas Físicas Símbolo Significado A ampére bar bar E exa (10 18 ) F faraday G giga (10 9 ) h horas H henry k kilo (10 3 ) m mili (10-3 ) lm lúmens M mega (10 6 ) P peta (10 15 ) T tera (10 12 ) V volts VAr volt-ampère reativo W watt Wh watts hora μ micro (10-6 ) Ω ohms

21 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO CONTEXTO E MOTIVAÇÃO OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos ORGANIZAÇÃO E DELIMITAÇÃO DO ESTUDO REFERENCIAL TEÓRICO EFICIÊNCIA Eficiência Energética LFC E LFT: UM BREVE CONTEXTO HISTÓRICO Lâmpadas de Descarga de Gás Lâmpadas Fluorescentes Tubulares Lâmpadas Fluorescentes Compactas REATORES Reatores Eletromagnéticos Reatores Eletrônicos O SISTEMA DE TARIFAÇÃO BRASILEIRO Subgrupos e Modalidades Tarifárias Postos Tarifários Modalidades Tarifárias Sistema de Bandeiras Tarifárias de Energia ENERGIA REATIVA EXCEDENTE NOS SISTEMAS ELÉTRICOS HARMÔNICAS: CONCEITUAÇÃO E CLASSIFICAÇÃO Valores de Referência para os Níveis de Distorção Harmônica no Sistema Elétrico FATOR DE POTÊNCIA E FATOR DE DESLOCAMENTO MATERIAIS E MÉTODOS MATERIAIS Analisador SAGA Medidor de Energia ACE SL Analisador de Energia MARH Analisador Fluke Software FlukeView Software Analisador de Energia ANAWIN Software ATP via Interface ATP Draw Software MatLab MÉTODOS Medições em Laboratório Medições em Campo RESULTADOS DAS MEDIÇÕES EM LABORATÓRIO E CAMPO MEDIÇÕES EM LABORATÓRIO Caso LFC Caso LFT MEDIÇÕES EM CAMPO Caso Home Center... 83

22 4.2.2 Caso Data Center Caso Shopping Center SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL SIMULAÇÃO NO ATP, INTERFACE ATP DRAW INFLUÊNCIA NO SISTEMA DE TARIFAÇÃO COMPARATIVO QUALITATIVO GRANDES VOLUMES DE LFC CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS GLOSSÁRIO APÊNDICE APÊNDICE A PARÂMETROS DO MODELO ATP PARA A LFC APÊNDICE B RESULTADOS DA ESTATÍSTICA USADA NAS LFC Apêndice B.1 Extrapolação Apêndice B.2 Tamanho da amostra Apêndice B.3 Conclusão ANEXOS ANEXO A ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DE ALGUNS DOS MATERIAIS UTILIZADOS Anexo A.1 Varímetro Anexo A.2 Watímetro Anexo A.3 LFC Anexo A.4 Indutor Anexo A.5 Disjuntor Anexo A.6 Reator AFP caso LFT Anexo A.7 Reator AFP caso Home Center ANEXO B ESTATÍSTICA USADA NAS LFC Anexo B.1 Intervalo de Confiança para Pequenas Amostras Anexo B.2 Tamanho da Amostra

23 22 1 INTRODUÇÃO 1.1 CONTEXTO E MOTIVAÇÃO O consumo de energia elétrica é crescente e é um tema exaustivamente abordado na literatura nacional e internacional. Como os recursos naturais são limitados, associado às barreiras ambientais para geração de energia, é de se esperar uma crescente preocupação e busca pela eficiência energética. O Brasil possui uma oferta interna de energia predominantemente renovável (41,0%). Este montante representa 79,3% (2013) na composição da matriz elétrica do país, onde a geração interna hidráulica, incluindo a importação de eletricidade, respondeu por 70,6% da oferta para o ano de 2013, seguida pelo gás natural com 11,3% e biomassa com 7,6%. As demais fontes totalizam 10,5% (EPE, 2014) (Figura 1). Figura 1 Matriz de Geração de Energia Elétrica no Brasil (2013). Fonte: Adaptado de (EPE, 2014) No ano de 2000, Tolmasquim (2000) já alertava que o uso das reservas de água dos reservatórios de águas sem uma lógica de operação a longo prazo (gestão plurianual dos reservatórios), traria como consequência, o déficit crescente de energia. Ainda segundo Tolmasquim, nos últimos 70 anos, o Brasil teve 23 anos com níveis de chuvas abaixo dos 85% da média de longo prazo (média dos últimos 20 anos). Ao final de 1997, os reservatórios

24 23 terminaram o período seco com 66% de água armazenada. Apenas dois anos depois o nível dos reservatórios estava em apenas 28%. No ano de 2013 ocorreram novamente condições hidrológicas desfavoráveis observadas ao longo do período de 2014, o que motivou a circulação de notícias de possíveis apagões no fornecimento de energia. Os níveis dos reservatórios das usinas hidroelétricas atingiram níveis extremamente baixos, especialmente na região sudeste, onde operaram em sistema de alerta em grande parte do ano. Devido a este longo período de estiagem em 2013 e 2014, ficou latente a vulnerabilidade da matriz energética do país com base predominante na geração hidráulica. A geração de energia elétrica por hidrelétrica teve uma redução de quase 6,0% entre os anos de 2012 e 2013, passando de GWh em 2012 para GWh em 2013 (EPE, 2014). No entanto, no ano de 2013, ocorreu um aumento do consumo final de eletricidade no país, de 3,6%, com destaque para os setores residencial e comercial. O consumo em 2013 foi de 516,3 TWh frente ao consumo de 498,4 TWh do ano anterior (EPE, 2014). Estima-se que em 2030 o consumo de energia elétrica no Brasil supere o patamar de TWh (TOLMASQUIM et al., 2007). São conhecidos os grandes impactos ambientais e econômicos resultantes de usinas termelétricas (ELETROBRÁS, 2000). Entretanto, em 2013 ocorreu um crescimento de 31% na geração termelétrica, frente aos 23,9% do ano de 2012 (EPE, 2014). Sendo assim, com o aumento no consumo de energia e condições de geração cada vez mais desfavoráveis, tanto em aspectos hidrológicos, econômicos e ambientais, uma das melhores alternativas seria a expansão do uso de equipamentos de maior eficiência energética. A base de consumo de energia elétrica do país é predominante na indústria e uso residencial (EPE, 2014). Em ambos os casos, as lâmpadas fluorescentes compactas (LFC) são reconhecidas como dispositivos elétricos eficientes. Especialistas há muito recomendam o uso de LFC, em lugar das incandescentes para uso doméstico e comercial. Países como a Austrália e a Irlanda e o Estado norte-americano da Califórnia já proibiram o uso de lâmpadas incandescentes (SÁ, 2010). Em 2007 foi editado na Câmara dos Deputados o projeto de Lei (PL 1161/2007) que proíbe a fabricação, importação, comercialização e o uso de lâmpadas incandescentes, bem como sua substituição até 2010 por lâmpadas fluorescentes (BEZERRA, 2010). Este projeto de lei foi substituído por outro em 2008 (PL 3652/2008) que disciplina a fabricação, importação, comercialização e o uso de lâmpadas incandescentes, bem como sua substituição no prazo de cinco anos, após a promulgação, por lâmpadas fluorescentes (BEZERRA, 2008), sugerindo serem substituídas

25 24 pelas fluorescentes compactas de reator integrado. Este ultimo decreto (PL 3652/2008) não seguiu adiante, mas abriu discussão sobre o assunto. A mudança na legislação teve de esperar mais 2 (dois) anos. A política de eliminar gradativamente lâmpadas incandescentes, por faixa de potência, visando conservar energia do sistema elétrico foi efetivamente regulamentada, no Brasil, através da Portaria Interministerial nº de 2010 (MME, 2010). Esta regulamentação corresponde a lâmpadas incandescentes de uso geral, de fabricação nacional ou importada, para comercialização ou uso no país e estabelece 30 de Junho de 2016 como data limite da última categoria, até 25 W, para uso de lâmpadas incandescentes em território nacional. Como aspectos motivadores, as LFC possuem dimensão reduzida, alta eficiência luminosa, consomem cerca de 75% menos energia que as convencionais e duram 10 vezes mais (BAKAS; CREEMERS, 2009) (DOE/EE, 2014). Mesmo com distorções harmônicas, apresentando baixo FP (Fator de Potência) e contendo mercúrio, a LFC é vista como a principal substituta das incandescentes. O apagão de 2001 foi um impulso para o segmento de iluminação, tendo em vista a necessidade de uma lâmpada mais econômica e eficiente, levando a população em busca novas soluções. A indústria e importadores inundaram o mercado com lâmpadas fluorescentes, com dezenas de marcas de qualidade duvidosa ou mesmo sem certificação. Através da portaria interministerial nº 132, de 12 de junho de 2006 do Ministério de Minas e Energia (MME), surge a regulamentação específica que define os índices mínimos de eficiência energética das LFC (MME, 2006). No caso específico das LFC, desde 13 de dezembro de 2007, passou a ser obrigatória na embalagem, a existência da Etiqueta Nacional de Conservação de Energia (ENCE), acompanhada de um selo do Inmetro e do Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (PROCEL), informando o consumidor sobre a luminosidade e a potência do produto, a fim de assegurar sua qualidade e nível de eficiência. O retrofit de lâmpadas incandescentes por LFC não só é incentivado, como também subsidiado pelos programas de governo. Por exemplo, no estado de Mato Grosso, a concessionária de energia local realizou um projeto iniciado no ano de 2004, por meio da qual foram substituídas lâmpadas incandescentes de 40W, 60W, 100W e 150W por LFC de 20W e refrigeradores obsoletos por refrigeradores de 300 litros com Selo PROCEL (LIMA, 2014). Stefano (STEFANO; STEFANO, DI, 2000) comenta que as três principais barreiras econômicas para implantação de projetos de tecnologias de iluminação energeticamente

26 25 eficientes em escritórios, são a baixa quantidade de horas de operação do sistema de iluminação, baixo custo da energia elétrica e alto investimento inicial. A preocupação com o consumo tem levado a existência de defensores da substituição de LFC por LED. No entanto, a simples troca com base na eficiência luminosa e redução de consumo podem resultar em uma qualidade luminosa inferior no plano de trabalho, além de rendimentos inferiores ao aclamado pelos fabricantes (RYCKAERT et al., 2012). Ao analisar a sustentabilidade a longo prazo da substituição de lâmpadas ineficientes por LFC e LED, Vahl (2013) constatou que, em geral, as LFC têm o maior custo anual, pois apresentam degradação de desempenho mais elevados, menor eficiência e tempo de vida mais curto. Adicionalmente, as lâmpadas fluorescentes emitem UV (Ultravioleta) e geram resíduos tóxicos que poluem o meio ambiente, caso não sejam descartados corretamente. Por outro lado, ainda é necessário que ocorra uma redução nos preços das lâmpadas LED ou estas alcancem uma eficiência ainda maior, para que se tornem mais sustentáveis e economicamente viáveis (VAHL et al., 2013). Sendo assim, as discussões sobre o substituto para as lâmpadas incandescentes estão restritas às LFC e as de tipo LED. Enquanto o custo de produção das lâmpadas do tipo LED ainda são relativamente altos para a grande parcela da população, as LFC continuam atualmente em franca expansão de vendas como a alternativa economicamente mais interessante. Com base neste contexto, este trabalho realiza um estudo sobre a influência no sistema elétrico na utilização de cargas eletrônicas para projetos de eficiência energética, em específico as lâmpadas LFC e LFT, que são exemplos de cargas eletrônicas em aplicações de iluminação eficiente. 1.2 OBJETIVOS Objetivo Geral Analisar o comportamento de cargas eletrônicas, especificamente as lâmpadas LFC e LFT com reatores eletrônicos, como forma de compensar o excedente de energia reativa de uma carga indutiva, observando o possível impacto na tarifação em projetos de eficiência energética Objetivos Específicos Os seguintes objetivos específicos foram estabelecidos:

27 26 a) Medição de potências ativa e reativa de LFC conectadas a um banco de indutores em laboratório, visando obter as primeiras evidências de compensação do excedente de energia reativa de uma carga indutiva; b) Medição de potências ativa e reativa em campo com o uso de LFT com reatores eletrônicos de um Home Center visando apoiar os dados teóricos e experimentais em laboratório; c) Medição das potências ativas e reativas em um barramento de alimentação de no-breaks em um Data Center, ou seja, um Centro de Processamento de Dados (CPD), tomando como base cargas não lineares não somente de LFT, mas também de computadores, visando observar em campo evidências de compensação do excedente de energia reativa de uma carga indutiva; d) Medições das potências ativas e reativas em um barramento de alimentação de iluminação predominantemente fluorescente em um grande Shopping Center, visando a análise de cargas de consumidores de grande porte e seu comportamento como carga não linear; e) Modelar e simular o conjunto de LFC e o banco de indutores utilizados nas medições laboratoriais, com o intuito de comprovar que o sistema teórico esta alinhado com as medições práticas; e f) Avaliar o impacto das cargas não lineares no sistema de tarifação de consumidores do grupo A. 1.3 ORGANIZAÇÃO E DELIMITAÇÃO DO ESTUDO A presente dissertação foi dividida em 7 (sete) capítulos, incluindo este capítulo Introdutório. O segundo capítulo, Referencial Teórico, define eficiência elétrica, os componentes objeto de estudo, incluindo LFT e LFC e reatores eletrônicos. Adicionalmente abrange o sistema de tarifação, energia reativa excedente e distorções harmônicas. O terceiro capítulo apresenta os Materiais e Métodos, descreve os materiais utilizados e métodos adotados nas medições realizadas em laboratório, um Home Center, um Data Center e um Shopping Center. O quarto capítulo, Resultado das Medições em Laboratório e Campo, apresenta os resultados das medições em laboratório e campo e uma discussão sobre o comportamento das cargas não lineares no barramento.

28 27 O quinto capítulo, Simulação Computacional, mostra e discute os resultados do conjunto de medidas em Laboratório simulados via software ATP, dispondo da interface gráfica do ATPDraw. O sexto capítulo, Influência no Sistema de Tarifação, apresenta uma discussão sobre as cargas não lineares e o efeito sobre o sistema de tarifação do grupo A. O sétimo capítulo, Conclusivo, apresenta um fechamento sobre a dissertação apresentada, considerações finais da presente pesquisa e sugestões para trabalhos futuros..

29 28 2 REFERENCIAL TEÓRICO O presente capítulo tem como objeto apresentar a revisão bibliográfica envolvendo os principais componentes desta pesquisa e os conhecimentos delineados no tema. Serão abordados os termos eficiência e eficiência elétrica, bem como a relação dos incentivos recentes de eficiência energética adotados no Brasil. Adicionalmente, inclui um breve contexto histórico das LFT e LFC, considerações sobre reatores eletromagnéticos e eletrônicos. O capítulo finaliza com uma consideração sobre o sistema tarifário, com ênfase a energia reativa excedente. 2.1 EFICIÊNCIA Segundo Houaiss (2007), uma definição simples para eficiência envolve a relação entre o rendimento e o esforço. Seguindo esta definição, o Departamento de Energia Americano (USDE, 2014) também faz uso da definição da primeira lei da termodinâmica, que diz que a eficiência é a relação entre a saída do trabalho ou energia resultante, pela entrada do trabalho ou energia requerida, e não pode ser superior a 100 por cento. Já a eficiência sob a definição da segunda lei da termodinâmica é determinada pela razão entre a energia mínima teórica que é necessário para desempenhar uma tarefa em relação à energia consumida para efetivamente realizar a tarefa. O USDE (2014) afirma também que, geralmente, a medida de eficiência de um dispositivo, tal como definido pela primeira lei, será maior do que a definida pela segunda lei. Tal afirmação vem do pressuposto que seja complexo mensurar a energia mínima teórica necessária para desempenhar uma tarefa, porém, esta é menor quanto mais desenvolvidos tecnologicamente forem os sistemas de referência. Finalmente, Hordeski (HORDESKI, 2004) define eficiência como a efetividade de equipamentos que operam em ciclos ou processos. A eficiência em termodinâmica é a razão do trabalho útil produzido pelo trabalho requerido para operar o processo. Neste ponto de vista mecânico, o conceito de eficiência está associado a processos de conversão de energia e são levados em conta o balanço inicial e final dos processos de energia energia cinética, potencial, elétrica Eficiência Energética Para manter o crescimento econômico em patamares sustentáveis é de esperar um grande aumento da demanda de energia. Sob estas circunstâncias, a estratégia de expansão da

30 29 oferta de energia deve considerar iniciativas que promovam o uso mais eficiente das fontes (TOLMASQUIM et al., 2007). A eficiência energética consiste, portanto, em obter o melhor desempenho na produção de um bem ou serviço com o menor consumo de energia. A modernização de processos e equipamentos visando a redução do consumo são exemplos de ações neste sentido. Programas direcionados para o consumo consciente são também grandes contribuintes para a economia. Ações de reciclagem e reuso também minimizam o consumo de energia. Dentre os programas para incentivar a eliminação de desperdícios, assim como para reduzir os custos e os investimentos setoriais, foi criado pelo governo Federal em 1985 o PROCEL. Neste programa, o Selo PROCEL orienta o consumidor na compra de produtos, indicando os melhores níveis de eficiência energética. Adicionalmente, estimula o desenvolvimento tecnológico de produtos mais eficientes. Já o programa de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) regulado pela ANEEL, determina a aplicação compulsória de percentual de recurso da Receita Operacional Líquida (ROL) das empresas concessionárias de energia elétrica em programas de P&D. Instituído em 1998 aos agentes concessionários de distribuição, transmissão e geração de energia elétrica, foi ampliado aos permissionários e produtores independentes de energia elétrica a partir da Lei 9.991, de 24 de Julho de 2000 (BRASIL, 2000). Este programa determina que as Concessionárias devem aplicar no mínimo 0,75% da ROL em pesquisa e desenvolvimento do setor elétrico e, no mínimo, 0,25% em programa de eficiência energética no uso final. Com a Lei , de 28 de Março de 2007 (BRASIL, 2007), este montante de 0,25% foi alterado para no mínimo, 0,5% da ROL para programas de eficiência energética na oferta e no uso final da energia. São, portanto, ações que visam o combate ao desperdício de energia elétrica. Estas ações se encaixam no Programa de Eficiência Energética (PEE) das Empresas de Distribuição e são delineadas pela Lei nº (BRASIL, 2000), bem como aquelas contidas nas resoluções da ANEEL específicas para eficiência energética. 2.2 LFC E LFT: UM BREVE CONTEXTO HISTÓRICO O conceito científico por detrás das lâmpadas de descarga foi inicialmente identificado em 1675, quando o astrônomo francês Jean-Felix Picard observou um fraco brilho num barômetro de mercúrio, utilizado para medir a pressão atmosférica. No século 19, dois alemães o vidreiro Heinrich Geissler e o físico Julius Plücker - descobriram que podiam produzir luz através da remoção de quase todo o ar de um longo tubo

31 30 de vidro e passando uma corrente elétrica através dele, uma invenção que se tornou conhecido como o tubo de Geissler. Este tipo de lâmpada de descarga não ganhou popularidade até o início do século 20, quando os pesquisadores começaram a procurar uma forma de melhorar a eficiência da iluminação. As lâmpadas de descarga tornaram-se assim a base de muitas tecnologias de iluminação, incluindo lâmpadas de sódio de baixa pressão, luzes de néon e lâmpadas fluorescentes (MATULKA, 2014). Tanto Thomas Edison como Nikola Tesla fizeram experimentos com lâmpadas fluorescentes na década de 1890, mas não geraram produtos comerciais. No entanto, foi a descoberta de Peter Cooper Hewitt no início de 1900 que o tornou um dos precursores da lâmpada fluorescente. Hewitt produziu uma luz verde azulada, passando uma corrente elétrica através de vapor de mercúrio. Apesar das lâmpadas Cooper Hewitt terem sido mais eficientes que as lâmpadas incandescentes, estas tiveram apenas alguns usos específicos devido a coloração da luz, grande quantidade de mercúrio e uso de reatores pesados. Foi somente em 1902 em Paris, que o engenheiro, químico e inventor francês Georges Claude ( ), inspirado nos experimentos do norte-americano Daniel McFarlan Moore ( ) e do alemão Heinrich Geissler ( ), que produziu a primeira descarga elétrica em tubo selado contendo gás neônio (Ne) com a intenção de criar uma lâmpada. A partir deste experimento, os tubos de descarga passaram a ser denominados como tubos de neon (NEVES; SCARAZZATO, 2014). No final dos anos de 1920 e início dos anos de 1930, pesquisadores europeus continuavam fazendo experimentos com tubos de néon revestidos de fósforo. Estes experimentos impulsionaram o programa de pesquisa de lâmpadas fluorescentes nos EUA, e na década de 1930, as empresas de iluminação americanas apresentaram lâmpadas fluorescentes para a Marinha dos EUA, bem como na Feira Mundial de 1939 em Nova Iorque. Estas lâmpadas duravam mais e eram cerca de três vezes mais eficientes se comparadas às lâmpadas incandescentes. A necessidade de iluminação energeticamente eficiente fez com que as instalações militares americanas adotassem rapidamente lâmpadas fluorescentes e, em 1951, a emergente indústria de iluminação nos EUA estava produzindo no formato de lâmpadas fluorescentes (MATULKA, 2014). Foi outra escassez de energia a crise do petróleo de 1973 que engenheiros de iluminação desenvolveram uma lâmpada fluorescente, que pôde ser usada em aplicações residenciais. Em 1974, pesquisadores da empresa americana Sylvania (tais como William J. Roche) começaram a investigar como miniaturizar o reator e acomodá-lo na lâmpada (ROCHE, 1973a, 1973b, 1974). Mesmo tendo desenvolvido uma patente para o bulbo (tais

32 31 como Frank M Latassa, Tadius T Sadoski, Walter A Johnson, Howard W Milke), os pesquisadores da Sylvania não encontraram uma maneira viável de produzi-lo (LATASSA; SADOSKI, 1975)(JOHNSON; MILKE, 1975). Dois anos mais tarde, em 1976, Harald L Witting da empresa General Electric descobriu como dobrar o tubo fluorescente em forma de espiral, criando a primeira LFC (WITTING, 1975). Assim como a Sylvania, a General Electric arquivou este projeto porque a nova maquinaria necessária para produção em massa destas luzes era de valor muito elevado. As primeiras LFC chegaram ao mercado consumidor em meados de 1980, a preços de varejo equivalentes a 25 a 35 dólares americanos atuais. Mas os preços podiam variar bastante conforme a região, devido as diferentes promoções realizadas por empresas de serviços públicos. Os consumidores apontaram o preço alto como principal obstáculo na compra de LFC. Ocorreram outros problemas, muitas das LFC, de 1990, eram grandes e volumosas, não se encaixavam bem no receptáculo, e tinham baixa emissão de luz, resultando em desempenho insatisfatório. Desde os anos de 1990, melhorias no desempenho, preço, eficiência e vida útil, fizeram das LFC uma opção viável para o público consumidor (MATULKA, 2014) Lâmpadas de Descarga de Gás Lâmpadas de descarga pertencem a família de fontes de luz artificial que geram luz, produzindo uma descarga elétrica através de um gás ionizado (plasma). A característica da descarga de gás depende da pressão do gás, bem como da frequência da corrente. Tipicamente, essas lâmpadas utilizam um gás nobre (Argônio, Neônio, Criptônio e Xenônio) ou um composto com destes gases. A maioria das lâmpadas é preenchida com materiais adicionais, tais como mercúrio, sódio e metais alógenos (GRONDZIK et al., 2011). Em funcionamento, o gás está ionizado e elétrons livres, acelerados pelo campo elétrico dentro do tubo, colidem com os átomos do gás e o metal. Alguns elétrons destes átomos são excitados por essas colisões para um estado de energia mais elevado. Quando o átomo excitado decai novamente para um estado de energia mais baixo, emite um fóton de energia característica, resultando em infravermelho, luz visível ou radiação ultravioleta. Algumas lâmpadas convertem a radiação ultravioleta da luz visível através do revestimento fluorescente no interior da superfície de vidro da lâmpada. A lâmpada fluorescente é uma das lâmpadas de descarga a gás mais conhecida.

33 32 Lâmpadas de descarga são de fabricação mais complexa e necessitam equipamentos eletrônicos auxiliares, tais como reatores. Algumas lâmpadas de descarga de gás também levam um perceptível tempo de acionamento para atingir a produção plena de luz. Entretanto, se comparado com a lâmpada incandescente e, mesmo com iluminação a LED, lâmpadas de descarga de gás oferecem maior eficiência luminosa, que aliado à elevada vida útil, as tornam boas substitutas as lâmpadas incandescentes. As lâmpadas de descarga de gás são divididas em famílias, com base na pressão de gás no bulbo. Lâmpadas de descarga de baixa pressão. São lâmpadas que possuem uma pressão de funcionamento muito menor do que a pressão atmosférica (referência). São exemplos deste grupo, as lâmpadas fluorescentes comuns, que operam a uma pressão de cerca de 0,3% da pressão atmosférica. Lâmpadas de descarga de alta pressão. São lâmpadas que realizam a descarga no gás do tubo em uma pressão que vai de ligeiramente superior a muitas vezes maior que a pressão atmosférica. Uma segunda classificação é quanto a diferença no método utilizado no aquecimento do cátodo: Lâmpadas de cátodo quente. Este tipo possui eletrodos que operam a uma temperatura elevada durante a operação, aquecidas pela corrente de arco na lâmpada. O calor é gerado pela colisão dos elétrons para fora dos eletrodos por emissão termo iônica, anteriormente chamado de efeito Edison, que por sua vez ajuda a manter o arco. Em muitos tipos, os eletrodos consistem de filamentos elétricos feitos a partir de fios bastante finos, que são aquecidas por uma corrente separada na inicialização, para obter o início do arco. Lâmpadas de cátodo frio. Estas possuem eletrodos que funcionam a temperatura ambiente. Para iniciar a condução da lâmpada, uma tensão suficientemente elevada (a tensão de ruptura) deve ser aplicada para ionizar o gás do tubo, de modo que essas lâmpadas exigem uma tensão inicial elevada Lâmpadas Fluorescentes Tubulares As lâmpadas fluorescentes tubulares (LFT) são um tipo particular de lâmpada de descarga de gás. As LFT possuem um invólucro chamado tubo de descarga de vidro, em cujas extremidades existem eletrodos que, quando aplicado uma diferença de potencial, tem o

34 33 princípio de funcionamento descrito nas lâmpadas de descarga de gás, ou seja, emitem elétrons que ionizam o gás, produzindo radiação ultravioleta. Como a radiação ultravioleta é invisível ao olho humano, o interior do tubo é revestido por uma substância fluorescente que transforma a radiação ultravioleta em luz visível, através do fenômeno da fluorescência. Como o próprio nome indica, as LFT possuem um formato em tubo e necessitam ser instaladas numa luminária específica. Os formatos mais comuns de tubo são o T5, T8, T10 e o T12, relacionados ao seu diâmetro (PHILIPS et al., 2014). As maiores vantagens das LFT são a sua elevada eficiência luminosa e durabilidade. A eficiência luminosa varia entre os 60 e 100 lm/w, e o tempo de vida médio situa-se entre a h, embora os ciclos de comutação frequentes reduzam substancialmente o seu tempo de vida. As LFT apresentam como principais desvantagens o seu tempo de inicialização, o qual pode demorar alguns segundos, e os custos iniciais significativamente superiores aos das lâmpadas incandescentes. Além do próprio custo associado às lâmpadas fluorescentes em si, a necessidade da utilização de reatores e da luminária obrigam a um investimento inicial relativamente elevado. O conjunto do reator e lâmpada representa uma carga eletrônica geradora de interferências, que em ausência de filtros, pode causar distúrbios indesejáveis nas instalações elétricas. Apesar das desvantagens, o longo tempo de vida e a alta eficiência luminosa, que se traduzem em pequenos custos de operação, são os fatores essenciais para a utilização das LFT em larga escala Lâmpadas Fluorescentes Compactas As Lâmpadas Fluorescentes Compactas (LFC), com reator eletromagnético ou eletrônico integrado são lâmpadas de descarga de gás na modalidade compactas das LFT. Seus tubos de vidro, em cujas extremidades também se localizam eletrodos, são recobertos com camadas de pó fluorescentes, de cuja natureza depende a composição espectral do fluxo luminoso produzido. A parte interna é constituída por atmosfera de gases tendo uma pequena quantidade de mercúrio. O reator é integrado a sua base constituindo uma peça única, não destacável (INMETRO, 2012). Devido aos aspectos construtivos da LFC, associados aos componentes do reator, estas apresentam características não lineares (IEEE et al., 1985) (HENDERSON; ROSE, 1994).

35 34 A LFC foi introduzida no mercado no início da década de 80 (MATULKA, 2014) e apresenta alguns detalhes construtivos que a diferenciam das LFT convencionais, porém, seu princípio de funcionamento é idêntico. Normalmente o tubo de vidro é do tipo T4 ou T5. Existem diversas formas construtivas para o tubo de descarga, as mais comuns: um tubo único curvado em U ; dois tubos independentes, unidos por uma ponte; três tubos independentes, unidos por uma ponte, e dois tubos entrelaçados formando um espiral. Geralmente a lâmpada compacta apresenta duas conexões elétricas, uma vez que os filamentos encontram-se ligados em série através de um starter, o qual fica alojado num invólucro na base da lâmpada. 2.3 REATORES Reatores são equipamentos auxiliares necessários para início da iluminação das lâmpadas de descarga (fluorescentes ou High Intensity Discharge Descarga de Alta Intensidade HID). Estes equipamentos servem para limitar a corrente e adequar as tensões necessárias ao funcionamento das lâmpadas. Podem ser eletromagnéticos ou eletrônicos. A aplicação correta dos reatores contribui para um bom desempenho dos dispositivos envolvidos nos projetos luminotécnicos, influenciando diretamente na manutenção do fluxo luminoso e na vida útil das lâmpadas de descarga Reatores Eletromagnéticos Os reatores eletromagnéticos foram os primeiros a serem disponíbilizados no mercado, portanto mais antigos, simples e robustos. São constituídos por um núcleo laminado de aço silício (baixas perdas) e bobinas de fio de cobre esmaltado ou alumínio. Geralmente são impregnados com resina de poliéster adicionado com carga mineral, tendo um grande poder de isolação e dissipação térmica (PHILIPS, 2014). Conhecidos como reatores pesados, são divididos em duas categorias por princípio de funcionamento: Partida convencional: necessitam de um starter para o acionamento da lâmpada. O starter cria pulsos amortecidos de alta tensão e de alta frequência que dão inicio ao processo de ionização do gás. Ocorre assim o efeito de "avalanche" ionizante do gás interior que então passa a se tornar condutor; Partida rápida: sem a necessidade de starter. A lâmpada é acionada rapidamente (desde que associado ao uso de uma luminária de chapa metálica devidamente

36 35 aterrada), pois uma vez os filamentos estando constantemente aquecidos pelo reator, a partida da lâmpada ocorre em curto espaço de tempo. O starter típico é formado por um capacitor em paralelo com uma pequena lâmpada a néon que no seu interior possui um interruptor de lâmina bimetálica. Os reatores eletromagnéticos apresentam desvantagens como perdas excessivas, volume e maior peso, ruído audível, em geral baixo fator de potência (FP) e possível efeito estroboscópio Reatores Eletrônicos Os reatores eletrônicos foram desenvolvidos para minimizar ou eliminar as desvantagens dos reatores eletromagnéticos. Apresentam alto rendimento, possuem peso e volume reduzidos, podendo apresentar estágio de correção de FP e possível controle da intensidade luminosa da lâmpada. Existem diferentes circuitos que executam a correção da THD e do FP através de componentes passivos (capacitores e indutores) (SPANGLER; BEHERA, 1991; VERDERBERG et al., 1993) e de forma ativa, através de conversor de reforço (boost converter) que utiliza circuito integrado comercial com esta função específica, tais como da Motorola (SPANGLER; BEHERA, 1991). A correção ativa eleva o custo do dispositivo em relação à correção passiva. Os reatores eletrônicos são constituídos por componentes eletroeletrônicos (indutores, resistores, capacitores, e circuitos integrados, dentre outros) que operam em alta frequência (de 20 KHz a 50 KHz). Embora reatores eletrônicos tenham uma solução mais complexa e um custo inicialmente maior, estes se tornam atrativos por proporcionar maior durabilidade e eficiência das lâmpadas, proporcionando maior fluxo luminoso e menor consumo de energia se comparados com os reatores eletromagnéticos (PHILIPS, 2014). Quanto ao acendimento da lâmpada, podem ser de: Partida rápida ou programada: o acendimento controla eletronicamente o sistema de preaquecimento dos filamentos da lâmpada. O reator gera uma pequena tensão em cada filamento e, em seguida, uma tensão de circuito aberto surge entre os extremos da lâmpada. O tempo entre a energização do reator e o acendimento das lâmpadas fluorescentes ocorre em torno de 1 a 2,5 segundos. Partida instantânea: nesse sistema não há o pré-aquecimento dos filamentos. O reator gera diretamente a tensão de circuito aberto para o acendimento instantâneo das lâmpadas fluorescentes.

37 36 Independente do tipo de partida, o reator deve assegurar as características necessárias para o correto funcionamento da lâmpada, sem comprometer sua vida útil ou mediana. Suas principais características são: Alto Fator de Potência (AFP); alta frequência (elimina o efeito estroboscópio e o de cintilação); baixa carga térmica, que resulta em economia de energia; aumento de vida útil da lâmpada em 50% (os de alta performance); economia de energia em torno de 50%, e a possibilidade de dimerização e utilização de sistemas inteligentes, com redução no consumo de energia de até 70% em comparação com os eletromagnéticos. Apesar de o reator ser eletrônico, não significa, necessariamente, que corresponderá a todas as vantagens que se espera de um modelo desta tecnologia. Tais características dependem da qualidade de projeto e fabricação do produto. Por serem equipamentos eletrônicos de alta frequência, podem causar interferências que vão desde ruídos no rádio ou degradação da imagem da TV, até o desligamento de sistemas de computadores, monitores hospitalares, segurança, comunicação, dentre outros sistemas desprovidos de filtros contra estas interferências. 2.4 O SISTEMA DE TARIFAÇÃO BRASILEIRO O sistema de tarifação é dividido em grupos A e B. O grupo tarifário A é subdividido em vários subgrupos, de acordo com os níveis de tensão de fornecimento e ainda aplicado, uma tarifação binômia, composta de duas grandezas: consumo (kwh) e demanda (kw), associado ao sistema de Modalidades, Postos e Bandeiras Tarifárias de Energia Subgrupos e Modalidades Tarifárias Cada unidade consumidora (UC) de energia elétrica imputa custos específicos de operação, manutenção e expansão aos sistemas de distribuição e transmissão, em função de sua localização elétrica e das características de uso da rede, em especial quanto ao horário do uso. Porém, diante da inviabilidade de cálculo de tarifas individuais, as definições das tarifas são realizadas em grupos, onde se busca definir um custo equivalente à representatividade do grupo. Os agrupamentos tarifários, denominados grupos e subgrupos tarifários se fundamentam na definição dos artigos 2º, 3º e 21º do Decreto de 17 de maio de 1968 (BRASIL, 1968), que estabelece o agrupamento de consumidores por nível de tensão de alimentação, sendo:

38 37 a) Grupo A: consumidores ligados em tensão igual ou superior a volts; b) Grupo B: consumidores ligados em tensão inferior a volts. Complementarmente, o art. 177 do Decreto nº de 26 de fevereiro de 1957, alterado pelos Decretos nº /1975 (BRASIL, 1975), e nº /1981 (BRASIL, 1981) define as classes de tarifas das unidades consumidoras, que devem ser classificadas como: Residencial; Industrial; Comercial, Serviços e Outras Atividades; Rural; Poderes Públicos; Iluminação Pública; Serviços Públicos; e Consumo Próprio. Estabelece ainda que estas classes poderiam ser subdivididas e que não deve existir distinção entre consumidores da mesma classe, com exceção das condições de fornecimento e utilização da energia elétrica. O Quadro 1 e o Quadro 2 mostram as subdivisões do Grupo A e do Grupo B, respectivamente. Subgrupo A1 Subgrupo A2 Subgrupo A3 Subgrupo A3a Subgrupo A4 Subgrupo AS Quadro 1 Subgrupos da modalidade tarifária A. Tensão de fornecimento igual ou superior a 230 kv Tensão de fornecimento de 88kV a 138kV Tensão de fornecimento de 69 kv Tensão de fornecimento de 30 kv a 44 kv Tensão de fornecimento de 2,3 kv a 25 kv Tensão de fornecimento inferior a 2,3 kv (sistema subterrâneo) Fonte: Adaptado de (PROCEL, 2011). Subgrupo B1 Subgrupo B2 Quadro 2 Subgrupos da modalidade tarifária B. Atendimento Residencial - B1 Baixa Renda: Atendimento Residencial Baixa Renda TSEE (Tarifa Social de Energia Elétrica) Atendimento Rural - B2 Cooperativa: Atendimento para Cooperativas de

39 38 Subgrupo B3 Subgrupo B4 Eletrificação Rural. - B2 Serviço Público de Irrigação: Atendimento para Serviço Público de Irrigação Atendimento às demais classes Atendimento da Iluminação Pública - B4a Atendimento para Iluminação Pública (Rede de distribuição) - B4b Atendimento para Iluminação Pública (Bulbo de Lâmpada) Fonte: Adaptado de (PROCEL, 2011) Postos Tarifários Como a infraestrutura de redes de energia elétrica é dimensionada para o atendimento das solicitações máximas dos consumidores, nos períodos de maior carregamento do sistema, os custos são maiores do que nos períodos de menor carregamento. Com a intenção de desestimular a carga no horário de pico, foram criados os postos tarifários, que são utilizados para sinalizar o uso adequado do sistema e alocar os consumidores de maior impacto, custos de acesso e utilização dos sistemas mais elevados. Atualmente, empregam-se dois postos tarifários, Ponta (P) e Fora de Ponta (FP), empregados apenas para os consumidores do Grupo A, nas modalidades tarifárias Horo Sazonal Verde e Azul, como apresentado no Quadro 3. Quadro 3 Definição dos Postos Tarifários 24h do dia Horário Dia Útil FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP P P P FP FP FP FP S, D e FN FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP FP Fonte: Adaptado de (PROCEL, 2011) Sendo: Dia útil são considerados segunda-feira, terça-feira, quarta-feira, quinta-feira e sexta-feira; S, D e FN são os dias Sábado, Domingo e Feriados Nacionais; P é o horário de Ponta, que compreende o período composto por até 3 (três) horas diárias consecutivas, exceção feita aos sábados, domingos, terça-feira de

40 39 Carnaval, sexta-feira da Paixão, Corpus Christi, Finados e os demais feriados definidos por lei federal, considerando as características do sistema elétrico; e FP é o horário Fora de Ponta, que compreende o período composto pelo conjunto das horas diárias consecutivas e complementares àquelas definidas no horário de ponta. Vale ressaltar que cada letra P no Quadro 3 representa 1 (uma hora). Portanto estão exemplificados nas horas compreendendo 18h as 20h, totalizando 3h consecutivas Modalidades Tarifárias As modalidades tarifárias disponíveis às unidades consumidoras enquadradas no Grupo A são: Modalidade tarifária Convencional: Estrutura caracterizada pela aplicação de tarifas de consumo de energia elétrica (kwh) e/ou de demanda de potência (kw) independentemente das horas de utilização do dia e dos períodos do ano, podendo ser aplicada como opção para unidades consumidoras atendidas em tensão de fornecimento inferior a 69 kv, com demanda contratada inferior a 300 kw. Modalidade tarifária Horo Sazonal Verde: é aplicada uma única tarifa de demanda (kw) e as tarifas de consumo (kwh) variam conforme o horário do dia e o período do ano, podendo ser aplicada opcionalmente para unidades consumidoras atendidas em tensão inferior a 69 kv. Modalidade tarifária Horo Sazonal Azul: as tarifas de demanda (kw) variam de acordo com as horas de utilização do dia e as tarifas de consumo (kwh) variam conforme o horário do dia e o período do ano, com aplicação compulsória para unidades consumidoras atendidas em tensão 69 kv e opcional para unidades consumidoras atendidos em tensão inferior a 69 kv. A Figura 2 apresenta o esquema tarifário básico de cada modalidade do grupo A. Nota: Período Úmido: Período de 5 (cinco) meses consecutivos, compreendendo os fornecimentos abrangidos pelas leituras de dezembro de um ano a abril do ano seguinte. Período Seco: Período de 7 (sete) meses consecutivos, compreendendo os fornecimentos abrangidos pelas leituras de maio a novembro.

41 40 Figura 2 Esquema tarifário básico para as modalidades do Grupo A Fonte: Adaptado de (PROCEL, 2011) A diferenciação tarifária tem propósito de incentivar o deslocamento de parte da carga para os horários em que o sistema elétrico estiver menos carregado e racionalizar o consumo de energia para períodos do ano em que existir maior disponibilidade de água nos reservatórios das usinas. O Mercado Livre de Energia, chamado formalmente de Ambiente de Contratação Livre (ACL), é o mercado em que os consumidores podem escolher o fornecedor de energia, negociando livremente um conjunto de variáveis como prazo contratual, preços, variação do preço ao longo do tempo e serviços associados à comercialização (VASCONCELLOS et al., 2012).

42 41 Ao participar do ACL o consumidor assume responsabilidades em relação à sua exposição aos preços da energia, mas tem oportunidade de ser atendido de forma individual, conforme suas características de consumo, o que é impossível no Mercado Cativo de Energia, ou formalmente conhecido como Ambiente de Contratação Regulada (ACR), que é suprido via concessionária de energia elétrica. O Quadro 4 apresenta as principais características do fornecimento de energia elétrica em ambos os mercados. Quadro 4 Principais diferenças entre o Mercado Cativo de Energia (ACR) e o Mercado Livre de Energia (ACL). Características Cativo (ACR) Livre (ACL) Fornecedor Concessionária local Qualquer gerador ou comercializador do Sistema Interligado Nacional (SIN) Preço da Energia Tarifas reguladas pela ANEEL Livremente pactuado entre as partes Preço do Transporte Tarifas reguladas pela ANEEL Tarifas reguladas pela ANEEL Reajuste Determinado anualmente pela ANEEL Indexador pactuado entre as partes Prazo Contratual Pré-estabelecido pela ANEEL Livremente pactuado entre as partes Volume De acordo com a energia consumida Livremente pactuado entre as partes Responsável pela entrega Concessionária local Concessionária local Fonte: Adaptado de (BRASIL, 2004). Conforme observado no Quadro 4, as características em comum tanto no ACR quanto ACL são o preço do transporte, regulada pela ANEEL, e a responsável pela entrega, que é a concessionária local em ambos os mercados. As demais características são diferentes e aderentes ao modelo Cativo ou Livre Sistema de Bandeiras Tarifárias de Energia Aprovado pela Resolução Normativa nº 435/2011, os Procedimentos de Regulação Tarifária (PRORET) têm caráter normativo e consolidam a regulamentação acerca dos processos tarifários, propondo uma nova estrutura tarifária que entra em vigor a partir de Assim, as contas de energia contarão com o Sistema de Bandeiras Tarifárias, onde as bandeiras verde, amarela e vermelha indicarão se a energia custará mais ou menos, em função das condições de geração de eletricidade (ANEEL, 2014a). Buscando facilitar o entendimento deste novo sistema de tarifação foram definidos os anos de 2013 e 2014 como Anos Teste, onde em cunho educativo, as concessionárias de

43 42 energia elétrica faturam as unidades consumidoras na bandeira verde, enquanto a ANEEL divulga mês a mês as bandeiras vigentes em cada um dos subsistemas que compõem o Sistema Interligado Nacional (SIN). A composição dos subsistemas é atualmente assim dividida: Subsistema Sul (S): Região Sul; Subsistema Sudeste/Centro-Oeste (SE/CO): Regiões Sudeste e Centro-Oeste, Acre e Rondônia; Subsistema Norte (N): Amazonas, Amapá, Pará, Tocantins e Maranhão. Subsistema Nordeste (NE): Região Nordeste, exceto o Maranhão; Os estados do Amazonas e Amapá entraram para o SIN em caráter experimental em 09 de Julho de 2013 (VALOR, 2013), conforme previsto no PDEE (Plano Decenal de Expansão de Energia 2020) (BRASIL, 2011). O estado de Roraima não integra o SIN e, portanto, nesses estados não será implantado o sistema de Bandeiras Tarifárias. A geração de energia elétrica no Brasil é predominantemente oriunda de usinas hidrelétricas, as mesmas dependem das chuvas e do nível de água nos reservatórios. Porém, quando a quantidade de água armazenada estiver reduzida, há a necessidade de usinas termelétricas serem acionadas para economizar água nos reservatórios, o que onera o custo da geração. Entretanto, quando há abundância de água armazenada, não há a necessidade de acionamento das usinas térmicas, de forma que o custo de geração é menor. Por isso, o sistema possui três bandeiras: verde, amarela e vermelha as mesmas cores dos semáforos, onde: Bandeira verde: significa condições favoráveis de geração de energia. A tarifa não sofre nenhum acréscimo; Bandeira amarela: significa condições de geração menos favoráveis. A tarifa sofre acréscimo de R$ 1,50 (até Fevereiro de 2015) e R$ 2,50 (a partir de Março de 2015) para cada 100 kwh consumidos; e Bandeira vermelha: significa condições mais custosas de geração. A tarifa sobre acréscimo de R$ 3,00 (até Fevereiro de 2015) e R$ 5,50 (a partir de Março de 2015) para cada 100 kwh consumidos.

44 ENERGIA REATIVA EXCEDENTE NOS SISTEMAS ELÉTRICOS A Resolução Normativa nº 414 (ANEEL, 2010), de 9 de Setembro de 2010, que estabelece as condições gerais de fornecimento de Energia Elétrica de forma atualizada e consolidada, diz que para os consumidores do grupo A, o FP de referência f r, indutivo ou capacitivo, tem como limite mínimo permitido, o valor de 0,92. Art. 95 Parágrafo Único. Aos montantes de energia elétrica e demanda de potência reativa que excederem o limite permitido, aplicam-se as cobranças estabelecidas nos arts. 96 e 97, a serem adicionadas ao faturamento regular de unidades consumidoras do grupo A, incluídas aquelas que optarem por faturamento com aplicação da tarifa do grupo B nos termos do art Adicionalmente o texto da Norma continua: Art. 96 Para unidade CONSUMIDORA que possua equipamento de medição apropriado, incluída aquela cujo titular tenha celebrado o CUSD, os valores correspondentes à energia elétrica e demanda de potência reativas excedentes são apurados conforme as seguintes equações: n E RE = [EEAM T ( fr ft 1)] VR ERE T=1 (1) Sendo: D RE (p) = [MAX T=1 (PAM T fr ft ) PAF(p)] VR DRE (2) E RE : valor correspondente à energia elétrica reativa excedente à quantidade permitida pelo FP de referência f r, no período de faturamento, em Reais (R$); EEAM T : montante de energia elétrica ativa medida em cada intervalo T de 1 (uma) hora, durante o período de faturamento, em Megawatt-hora (MWh); f r : FP de referência igual a 0,92; f t : FP da UC, calculado em cada intervalo T de 1 (uma) hora, durante o período de faturamento; VR ERE : valor de referência equivalente à tarifa de energia "TE" aplicável ao subgrupo B1, em Reais por megawatt-hora (R$/MWh); D RE (p): valor, por posto tarifário p, correspondente à demanda de potência reativa excedente à quantidade permitida pelo FP de referência fr no período de faturamento, em Reais (R$); PAM T : demanda de potência ativa medida no intervalo de integralização de 1 (uma) hora T, durante o período de faturamento, em quilowatt (kw);

45 44 PAF(p): demanda de potência ativa faturável, em cada posto tarifário p no período de faturamento, em quilowatt (kw); VR DRE : valor de referência, em Reais por quilowatt (R$/kW), equivalente às tarifas de demanda de potência para o posto tarifário fora de ponta das tarifas de fornecimento aplicáveis aos subgrupos do grupo A para a modalidade tarifária horária azul e das TUSD Consumidores-Livres, conforme esteja em vigor o Contrato de Fornecimento ou o CUSD, respectivamente; MAX: função que identifica o valor máximo da equação, dentro dos parênteses correspondentes, em cada posto tarifário p ; T: indica intervalo de 1 (uma) hora, no período de faturamento; p: indica posto tarifário ponta ou fora de ponta para as modalidades tarifárias horárias ou período de faturamento para a modalidade tarifária convencional binômia; n1: número de intervalos de integralização T do período de faturamento para os postos tarifários ponta e fora de ponta; n2: número de intervalos de integralização T, por posto tarifário p, no período de faturamento. Assim sendo, por mais que o valor a ser pago seja referente ao Reativo Excedente, este é proporcional ao montante da energia elétrica ativa medida no intervalo de tempo referente à medição e a relação do FP de referência com o FP da UC. Ainda segundo a Resolução Normativa nº 414 (ANEEL, 2010), para a apuração dessas grandezas, há também um período de 6 (seis) horas consecutivas (a critério da distribuidora) entre 23h 30min e 6h e 30min, no qual se considera apenas os fatores de potência f t inferiores a 0,92 capacitivo, verificados em cada intervalo de uma hora T. Ao período diário complementar, se considera apenas os fatores de potência inferiores a 0,92 indutivo, verificados no mesmo tempo. 2.6 HARMÔNICAS: CONCEITUAÇÃO E CLASSIFICAÇÃO Sinais de tensão ou corrente com a presença de harmônicas apresentam comportamento periódico. Estes sinais possuem, além da frequência fundamental, frequências múltiplas inteiras desta, fazendo com que a forma de onda apresente-se deformada em relação a um sinal puramente senoidal. As harmônicas podem ser classificadas quanto a sua ordem ou frequência e sequência de fases, conforme o exemplo da Tabela 1.

46 45 Tabela 1 Ordem ou frequência e sequência das harmônicas, 1ª a 7ª. Ordem Frequência Sequência Fonte: Adaptado (VASCONCELLOS et al., 2009) Por não ter presença característica nos sistemas elétricos, as harmônicas de ordem (Tabela 3) par não são contempladas neste trabalho pois não são de interesse para o tipo de carga analisado. Pode-se visualizar na Tabela 1 que as harmônicas podem ser de sequência positiva (+), negativa (-) ou zero (0), o que pode ser justificado através das equações (3), (4) e (5). Analisando tais equações, observa-se que a sequência de fase das harmônicas depende diretamente da sua ordem (h). Sendo: v ha (t) = V ham sin[h(ωt)] (3) v hb (t) = V hbm sin[h(ωt 120 o )] (4) v hc (t) = V hcm sin[h(ωt o )] (5) v ha, v hb, v hc : valores instantâneos das tensões fundamentais e harmônicas nas fases a, b e c; e V ham, V hbm, V hcm : valores máximos das tensões fundamentais e harmônicas nas fases a, b e c. As equações (6) a (11) descrevem o modelo matemático para as tensões na frequência fundamental, e a Figura 3 ilustra no círculo trigonométrico a sequência de fases para a mesma. v 1a (t) = V 1am sin 1. (ωt) (6) v 1a (t) = V 1am sin(ωt) (7) v 1b (t) = V 1bm sin 1. (ωt 120 o ) (8) v 1b (t) = V 1bm sin(ωt 120 o ) (9) v 1c (t) = V 1cm sin 1. (ωt o ) (10) v 1c (t) = V 1cm sin(ωt o ) (11)

47 46 Figura 3 Diagrama das tensões fundamentais e seu sentido de giro, sequência positiva (+). Fonte: Adaptado (VASCONCELLOS et al., 2009) Para o caso da terceira harmônica, (12) a (19) ilustram o desenvolvimento matemático para as tensões enquanto que a Figura 4 mostra o seu desempenho no círculo trigonométrico. v 3a (t) = V 3am sin 3. (ωt) (12) v 3a (t) = V 3am sin(3. ωt) (13) v 3b (t) = V 3bm sin 3. (ωt 120 o ) (14) v 3b (t) = V 3bm sin(3. ωt 360 o ) (15) v 3b (t) = V 3bm sin(3. ωt) (16) v 3c (t) = V 3cm sin 3. (ωt o ) (17) v 3c (t) = V 3cm sin(3. ωt o ) (18) v 3c (t) = V 3cm sin(3. ωt) (19) Figura 4 Diagrama das tensões harmônicas de sequência zero (0), 3ª harmônica. Fonte: Adaptado (VASCONCELLOS et al., 2009) As expressões (12) a (19) permitem constatar que, para o caso da terceira ordem, as três tensões estão em fase, sendo conhecidas como tensões harmônicas de sequência zero. As tensões harmônicas de sequência zero podem dar origem a correntes harmônicas de sequência zero que circulam pelo neutro, no caso do sistema ser do tipo estrela com neutro aterrado. O que faz com que haja elevada queda de tensão e sobreaquecimento desse condutor.

48 47 Analogamente, (20) a (29) mostram o desenvolvimento matemático para a quinta harmônica, e a Figura 5 ilustra o comportamento para a sequência de fases da mesma. v 5a (t) = V 5am sin 5. (ωt) (20) v 5a (t) = V 5am sin(5. ωt) (21) v 5b (t) = V 5bm sin 5. (ωt 120 o ) (22) v 5b (t) = V 5bm sin(5. ωt 600 o ) (23) v 5b (t) = V 5bm sin(5. ωt [2 360 o 120 o ]) (24) v 5b (t) = V 5bm sin(5. ωt o ) (25) v 5c (t) = V 5cm sin 5. (ωt o ) (26) v 5c (t) = V 5cm sin(5. ωt o ) (27) v 5c (t) = V 5cm sin(5. ωt + [2 360 o 120 o ]) (28) v 5c (t) = V 5cm sin(5. ωt 120 o ) (29) Figura 5 Diagrama das tensões harmônicas de sequência negativa (-), 5ª harmônica. Fonte: Adaptado (VASCONCELLOS et al., 2009) Para o caso da quinta harmônica, ilustrada na Figura 5, pode-se observar que as três tensões estão defasadas de 120 e o sentido de rotação dos fasores é contrário ao da fundamental, sendo assim conhecidas como tensões de sequência de fase negativa. Tensões harmônicas desse tipo, quando presentes no sistema elétrico, podem ocasionar a frenagem das máquinas elétricas e a diminuição de velocidade angular fazendo que estas trabalhem em condições não nominais. Finalmente, (30) a (39) mostram o desenvolvimento matemático para a sétima harmônica, e a Figura 6 mostra o seu comportamento no circulo trigonométrico. v 7a (t) = V 7am sin 7. (ωt) (30) v 7a (t) = V 7am sin(7. ωt) (31) v 7b (t) = V 7bm sin 7. (ωt 120 o ) (32) v 7b (t) = V 7bm sin(7. ωt 840 o ) (33)

49 48 v 7b (t) = V 7bm sin(7. ωt [2 360 o o ]) (34) v 7b (t) = V 7bm sin(7. ωt 120 o ) (35) v 7c (t) = V 7cm sin 7. (ωt o ) (36) v 5c (t) = V 5cm sin(7. ωt o ) (37) v 7c (t) = V 7cm sin(7. ωt [2 360 o o ]) (38) v 7c (t) = V 7cm sin(7. ωt o ) (39) Figura 6 Diagrama das tensões harmônicas de sequência positiva (+), 7ª harmônica. Fonte: Adaptado (VASCONCELLOS et al., 2009) Assim como no caso anterior, pode-se observar que as três tensões estão defasadas de 120, entretanto, neste caso o sentido de rotação coincide com o da tensão fundamental, ou seja, sentido de giro anti-horário, conhecida como componente de sequência de fase positiva. Porém, mesmo tendo o sentido de rotação igual ao da tensão fundamental, as tensões harmônicas de sequência de fase positiva também podem gerar transtornos ao bom funcionamento das máquinas elétricas, uma vez que estas fazem com que haja aceleração das mesmas. As demonstrações matemáticas das demais harmônicas, isto é, 9ª, 11ª, 13ª, 15ª, 17ª, 19ª, 21ª, 23ª e 25ª são análogas as anteriores, uma vez que estas alternam nas sequências zero, negativa e positiva Valores de Referência para os Níveis de Distorção Harmônica no Sistema Elétrico Para a rede básica de energia, o Operador Nacional do Sistema (ONS) existem desde 2002 parâmetros de qualidade para a tensão suprida. Mas, do ponto de vista do consumidor, as restrições a serem consideradas são (na maioria) as do sistema de distribuição, as quais ainda estão em discussão. A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), no documento Procedimentos de distribuição de energia elétrica no sistema elétrico nacional PRODIST módulo 8

50 49 Qualidade da Energia Elétrica (ANEEL, 2014b) estabelece a terminologia e valores de referência para os sistemas elétricos de distribuição. A ANEEL estabelece que as expressões para o cálculo das grandezas distorção harmônica individual de tensão (DIT h %) e Distorção harmônica total de tensão (DTT %) conforme representadas pelas equações (40) e (41), que o espectro harmônico a ser considerado para fins de cálculo da distorção total deve compreender uma faixa de frequências que considere a frequência fundamental e até, no mínimo, a 25ª ordem harmônica (H min =25). DIT h %= V h V 1 x100 (40) Sendo: DTT %= hmáx V 2 h=2 h V 1 x100 DIT h %: Distorção harmônica individual de tensão de ordem h; DTT%: Distorção harmônica total de tensão; V h : Tensão harmônica de ordem h; V 1 : Tensão fundamental medida; e H máx : Ordem harmônica máxima. (41) Finalmente, a ANEEL, através do PRODIST módulo 8, propõe valores de referência para a distorção harmônica total da tensão (DTT) no sistema de distribuição, como ilustrado na Tabela 2, bem como valores das distorções harmônicas individuais indicados na Tabela 3. Tabela 2 Valores de Referência Globais das DTT (em porcentagem da tensão fundamental). Tensão Nominal do Barramento DTT [%] V N 1 kv 10 1 kv V N 13,8 kv 8 13,8 kv V N 69 kv 6 69V V N 230 kv 3 Fonte: Adaptado (ANEEL, 2014b).

51 50 Ordem Harmônica Ímpares e não múltiplas de 3 Ímpares múltiplas de 3 Pares Tabela 3 Níveis de referência para DIT h % (em percentagem da tensão fundamental). Distorção Harmônica Individual de Tensão [%] Vn 1 kv 1 kv < Vn 13,8 kv 13,8 kv < Vn 69 kv 69 kv < Vn < 230 kv 5 7,5 65 4,5 2,5 7 6, ,5 3,5 3 1, ,5 1,2 17 2,5 2 1, ,5 1, ,5 1, ,5 1,5 1 >25 1, ,5 3 6, ,5 1, ,5 0,5 0, ,5 0,5 0,5 >21 1 0,5 0,5 0,5 2 2,5 2 1, , , ,5 0,5 0, ,5 0,5 0, ,5 0,5 0, ,5 0,5 0,5 >12 1 0,5 0,5 0,5 Fonte: Adaptado (ANEEL, 2014b). 2.7 FATOR DE POTÊNCIA E FATOR DE DESLOCAMENTO O fator de potência, considerando-se apenas a fundamental é denominado de fator de deslocamento (FD), conforme a equação (42). Já as equações (43) a (45) apresentam as definições de DTI%, DTT% e FD ist que nos permitem chegar ao fator de potência (FP) equação (46), quando consideradas as componentes harmônicas presentes em um sistema elétrico. FD = P F S F = V 1I 1 cosθ 1 V 1 I 1 = cosθ 1 (42) DTI %= DTT %= hmáx I 2 h=2 h I 1 hmáx h=2 V2 h V 1 x100 x100 (43) (44)

52 51 FD ist = DTT DTI 2 (45) FP = FD FD ist (46) Sendo: FD: Fator de Deslocamento; FD ist : Fator de Distorção; FP: Fator de Potência; P F : Potência Ativa Fundamental; S F : Potência Aparente Fundamental; DTI%: Distorção harmônica total de corrente; DTT%: Distorção harmônica total de tensão; V h : Tensão harmônica de ordem h; I h : Corrente harmônica de ordem h; V 1 : Tensão fundamental medida; e I 1 : Corrente fundamental medida; Sendo assim, sistemas com tensões e correntes senoidais alimentando a cargas com características não lineares apresentam valores diferentes de FD e FP.

53 52 3 MATERIAIS E MÉTODOS Neste capítulo abordará os materiais necessários para a realização das medições, visando determinar os valores reativos das cargas eletrônicas e assim concluir a respeito de suas características. Foram utilizados analisadores de energia e medidores de potência ativa e reativa. Adicionalmente foram conectados experimentalmente LFC, LFT e indutores físicos. Conforme será apresentado, a metodologia adotada baseia-se em medição da potência ativa, reativa, formas de onda e espectro harmônico de LFC e LFT nos diferentes ambientes e tipos de carga, incluindo Laboratório, Home Center, Data Center e Shopping, simulações e interpretação dos dados coletados. 3.1 MATERIAIS Foram utilizados os aparelhos descritos abaixo, que são detalhados nos subtópicos seguintes: a) Estudos experimentais: 01 Analisador de grandezas elétricas SAGA 3000 modelo 1360; 01 Medidor de energia ACE SL7000; 01 Analisador de energia MARH-21; 01 Analisador de energia FLUKE 434 v.2.04; 03 Medidores Varímetro ENGRO veja Anexo A.1 Varímetro; e 03 Medidores Wattímetro ENGRO veja Anexo A.2 Watímetro; As lâmpadas, indutores e outras cargas utilizadas: 30 LFC [20W] veja Anexo A.3 LFC; 09 Indutores [1240mH / 0,5A] Veja Anexo A.4 Indutor; 01 Conjunto de disjuntores Veja Anexo A.5 Disjuntor; 02 LFT [40W] (caso Laboratório LFT); 01 Reator para LFT tipo Alto Fator de Potência (AFP) [65W] Veja Anexo A.6 Reator AFP caso LFT; 300 LFT [110W] (caso Home Center); 150 Reatores para LFT tipo Alto Fator de Potência (AFP) [2x110W] Veja Anexo A.7 Reator AFP caso Home Center; e Conjunto de cargas de Computadores.

54 53 b) Estudos computacionais: Para as simulações, análise e apresentação dos dados, foram utilizados os seguintes softwares: 01 FlukeView v ; 01 ANAWIN; 01 ATP na interface ATP Draw; 01 Microsoft Excel 2010 (v.14); e 01 MatLab Analisador SAGA 3000 O analisador SAGA 3000, modelo 1360, da ESB, Electronic Services, é ilustrado na Figura 7. Figura 7 Medidor de energia SAGA 3000 modelo Fonte: Autor. O SAGA 3000 é um registrador eletrônico de grandezas elétricas em tempo-real, para sistemas elétricos monofásicos, bifásicos e trifásicos equilibrados ou não, para uso portátil em redes de distribuição e instalação em cabines primárias ou em circuitos. Possui três canais de entrada para sinais de tensão e três para sinais de corrente. A partir dos sinais de entrada de tensão e de corrente, o aparelho calcula e indica no display os valores de tensões de fase, tensões de linha, correntes, fatores de potência por fase e total, potência ativa, reativa e aparente por fase e total, energia ativa total (consumida ou fornecida), energia reativa capacitiva/indutiva total, dentre outros.

55 Medidor de Energia ACE SL7000 O medidor de energia ACE SL7000, da fabricante Actaris, é ilustrado na Figura 8. Figura 8 Medidor de energia ACE SL7000. Fonte: Adaptado (ITRON, 2014). O ACE SL7000 é um medidor usado em ambientes comerciais, industriais e de subestação. O ACE SL7000 gera vários tipos de dados metrológicos que permitem a gravação múltipla de perfis de carga para aplicações tradicionais de faturamento. Esses dados também garantem o monitoramento da qualidade da tensão e da segurança da rede (ITRON, 2014). Este dispositivo é compatível com vários modos de comunicação (PSTN, GPRS, IP) para garantir a capacidade de adaptação com infraestruturas existentes e, assim, reduzir os custos de coleta de dados Analisador de Energia MARH-21 O analisador de energia MARH-21, do fabricante RMS, é ilustrado na Figura 9.

56 55 Figura 9 Analisador de energia MARH-21. Fonte: Autor. Este equipamento é um medidor registrador de grandezas em tempo real para sistemas elétricos monofásico, bifásico e trifásico em ampla faixa de tensão. Possui três canais de entrada para sinais de tensão, três canais de entrada para sinais de corrente e ainda três canais de entrada para grandezas auxiliares definidas pelo usuário. A partir dos sinais de entrada de tensão e corrente o MARH-21 calcula e indica no mostrador alfanumérico os valores de tensões de fase, tensões de linha, correntes, fatores de potência por fase e total, potência ativa por fase e total, potências reativas por fase e total, potência aparente por fase e total, energia ativa total (consumida ou fornecida) e energia reativa capacitiva/indutiva total. Adicionalmente, Distorção Harmônica Total de Tensão (DTT) e Distorção Harmônica Total de Corrente (DTI) por fase, potência reativa total, grandezas auxiliares, frequência da tensão, máximo e mínimo de frequência da tensão, sequência de fases, demandas na ponta e fora de ponta por fase e totais, fator de deslocamento (FD) Analisador Fluke 434 Ilustrado na Figura 10, oferece um conjunto de possibilidades de medições amplo e robusto para avaliar os sistemas de distribuição de força. Este aparelho permite conduzir estudos de consumo de energia e análise de cargas elétricas e executar análise e registro da qualidade da energia. É uma ferramenta trifásica que mede cada um dos parâmetros do sistema de energia: tensão, corrente, frequência, energia, consumo de energia, cos φ, desequilíbrio, harmônicos e inter-harmônicos (FLUKE, 2014a).

57 56 Figura 10 Analisador Trifásico de Energia Fluke 434. Fonte: (OCTOPART, 2014) Software FlukeView Ilustrado na Figura 11 o FlukeView Power Quality Analyser, atualmente na versão , permite analisar e gerar relatórios a partir dos dados transferidos do Analisador Trifásico de Energia Fluke 434. Figura 11 FlukeView Power Quality Analyser v Fonte: Adaptado (FLUKE, 2014b).

58 57 O software FlukeView Power Quality Analyzer vem incluso no pacote de itens do aparelho analisador de energia Fluke 434. Este software permite a captura de medidas da tela para geração de relatórios. Adicionalmente, o programa permite a leitura dos dados de armazenamento do aparelho, assim como o descarregamento destes dados em um computador local para posterior análise. Atualmente também é disponível para download sem custo adicional através da página oficial da Fluke (FLUKE, 2014b) Software Analisador de Energia ANAWIN A medida que os valores medidos são apresentado na interface LCD do MARH-21, este também os armazena na sua memória de massa para que, posteriormente, os dados possam ser transferidos, via porta RS232, para um computador e então possam ser analisados na forma de gráficos e relatórios através do software ANAWIN. O ANAWIN é utilizado para ler o conteúdo da memória do registrador, gravar os dados lidos em forma de arquivo, subdividir arquivos de medição em vários arquivos menores, obter gráfico das grandezas registradas, simular inserção de potência reativa, visualizar formas de onda de tensões e correntes, obter a distribuição harmônica de tensão e corrente, etc. A Figura 12 apresenta a tela típica do Software Analisador de Energia ANAWIN.

59 58 Figura 12 Tela do Software Analisador de Energia ANAWIN. Fonte: Adaptado de (RMS, 2014). O software ANAWIN, para sistema operacional Windows, foi desenvolvido como uma ferramenta de suporte aos usuários que utilizam os equipamentos padrão RMS para a coleta e análise dos dados provenientes de registradores do dispositivo (RMS, 2014). Este programa permite a análise dos dados de forma direta através de gráficos e relatórios, assim como bancos de dados com leituras de vários registradores do MARH-21 (RMS, 2014) Software ATP via Interface ATP Draw O software de simulação computacional, ATP na interface ATP Draw (Figura 13), permitem a criação de modelos de equipamentos em circuitos e a comparação dos resultados obtidos nos ensaios experimentais em laboratório com os modelos computacionais de cada componente elétrico e eletrônico utilizado.

60 59 Figura 13 Tela de trabalho do ATPDraw. Fonte: Adaptado de (HØIDALEN, 2012) O ATP via a interface ATP Draw (Alternative Transient Program Draw) auxilia nos estudos dos efeitos eletromagnéticos. Por meio dele é possível modelar apropriadamente sistemas elétricos, reproduzindo com fidelidade o desempenho elétrico real das redes, além de apresentar o diagrama unifilar em um ambiente gráfico. É uma ferramenta flexível e importante na realização de estudos de regime transitório ou permanente em sistemas de potência Software MatLab O MatLab possui um ambiente de trabalho com uma linguagem de programação própria e para o desenvolvimento de aplicativos. Permite executar e testar soluções com visualização e precisão sem grandes conhecimentos específicos de linguagem de programação, dentro de um ambiente tecnicamente favorável (Figura 14). Adicionalmente, o software possui uma biblioteca abrangente de funções matemáticas, possibilitando a geração de gráficos e auxiliando na análise dos dados no pós-processamento das medições.

61 60 Figura 14 Tela de trabalho do MatLab. Fonte: Adaptado (MATHWORKS, 2009). 3.2 MÉTODOS A metodologia adotada baseia-se em: a) Medição da potência ativa, reativa, formas de onda e espectro harmônico de LFC, LFT e demais cargas não lineares nos diferentes ambientes, incluindo experimento em Laboratório, Home Center, Data Center, Shopping Center; b) Simulação Computacional de um conjunto LFC; e c) Interpretação dos dados coletados. Os dados dos analisadores de energia utilizados nas medições descritas nos itens a seguir, foram armazenados na memória de massa, sendo transferidos para planilhas eletrônicas, e representados através de tabelas e gráficos comparativos de desempenho com o uso do software MatLab. Telas do analisador de energia Fluke 434 também foram capturadas e disponibilizadas neste trabalho em apoiar os resultados das medições. Os circuitos de conexão, os locais de conexão dos instrumentos e o período de medição também são apresentados ao longo da descrição em cada ambiente de medição.

62 Medições em Laboratório Caso LFC Inicialmente foi montada em laboratório uma carga eletrônica com característica não linear, constituída de LFC, comumente encontradas em instalações residenciais e industriais, ligadas em estrela a 4 (quatro) fios conforme ilustrado na Figura 15. Figura 15 Esquema do conjunto de LFC conectadas no circuito em Laboratório. No diagrama esquemático apresentado na Figura 15, a fonte trifásica representa o fornecimento de energia da concessionária local (220V entre fases a 60 Hz). As 30 (trinta) LFC são representadas por CoFLC 1, CoFLC 2 e CoFLC 3 respectivamente, sendo um conjunto de 10 (dez) unidades por fase (a, b e c) em uma conexão em estrela a quatro fios (Figura 16). O disjuntor tripolar é representado por Dj 3ϕ, que fará a conexão em paralelo com o banco de 9 (nove) indutores, representados por L 1, L 2 e L 3 respectivamente, sendo 3 (três) unidades de indutores por fase (a, b e c). O bloco CoMed representa o conjunto: analisadores de energia e varímetros utilizados no experimento, conectados na alimentação das LFC (para fins de simplificação do diagrama, o bloco CoMed é indicado com uma conexão circular tracejada na entrada das cargas CoFLC 1 a CoFLC 3. A forma de ligação destes equipamentos seguem os procedimentos de acordo com cada dispositivo de medição e não é aqui representado). O arranjo físico da montagem é apresentado da Figura 16 a Figura 18.

63 62 Figura 16 Conjunto de LFC conectadas no circuito. A Figura 16 mostra os 3 (três) conjuntos de LFC, que estão conectadas em estrela a 4 (quatro) fios, conforme indicado pelos blocos de CoFLC 1 a CoFLC 3 na Figura 15. Na sequência, utilizando-se de Varímetros analógicos, analisadores de grandezas elétricas (Medidor de Energia Saga 3000 e ACE SL7000) e analisadores de qualidade de energia (RMS e Fluke 434), conforme a Figura 17, foram monitoradas, a potência ativa, reativa e formas de onda das tensões e correntes envolvidas.

64 63 Figura 17 Disposição dos medidores de grandezas elétricas e analisadores de energia. A Figura 18 ilustra o conjunto de indutores, que estão ligados em estrela a quatro fios, conforme também indicado pelos blocos de L 1 a L 3 na Figura 15. Figura 18 Conjunto de reatores conectados em paralelo com as LFC. Como não é de interesse medir o consumo de energia e sim potências reativas injetadas no sistema, o experimento foi monitorado por 2 (duas) horas, envolvendo a potência ativa, reativa e formas de onda das tensões e correntes antes, durante e depois de inseridos os bancos de indutores, onde foram coletadas as medidas analisadas.

65 Caso LFT Realizado uma medição em laboratório com uma carga eletrônica de característica não linear, constituída de apenas uma estrutura tipo calha, contendo duas LFT, conectado a um analisador de energia (Fluke 434), conforme esquematizado na Figura 19. O reator utilizado possui características semelhantes de THD e FP dos reatores de AFP encontrados nas medições realizadas em campo do Home Center. Figura 19 Esquema de ligação de um conjunto LFT na fase a em Laboratório. No diagrama esquemático apresentado na Figura 19, a fonte trifásica representa o fornecimento de energia da concessionária local (220V entre fases, 60 Hz). O conjunto de LFT é representada por CoLFT, conectadas na Fase a. O bloco Fluke 434 na Figura 19 indica o analisador de energia utilizado no experimento, conectado na alimentação das LFT no barramento próximo a fonte. A imagem do conjunto físico da montagem é apresentada na Figura 20.

66 65 Figura 20 Conjunto de LFT conectadas no circuito. O experimento foi monitorado por 1 (uma) hora, envolvendo a coleta de potência ativa, reativa e as formas de ondas das tensões e correntes Medições em Campo Caso Home Center. O local das medições é um grande Home Center localizado, em Cuiabá, Mato Grosso. A edificação possui um conjunto de 150 (cento e cinquenta) luminárias com 2 (duas) LFT de 110W/ 127W cada, utilizam reatores eletrônicos (2x110W cada calha). A montagem para medição de cargas eletrônicas, constituído de LFT encontradas no Home Center, está representado esquematicamente na Figura 21.

67 66 Figura 21 Esquema do conjunto de LFT conectadas no circuito do Home Center. No diagrama esquemático apresentado na Figura 21, a fonte trifásica representa o fornecimento de energia da concessionária local (220V entre fases a 60 Hz). As 300 (trezentas) LFT são representadas pelos blocos CoLFT 1, CoLFT 2 e CoLFT 3 respectivamente, sendo estas distribuídas igualmente com 100 (cem) unidades por conjunto em cada fase (a, b e c). QD representa o Quadro de Distribuição. A imagem do conjunto físico da medição é apresentada na Figura 22. Figura 22 Conexão do analisador de energia elétrica Fluke no barramento de energia de alimentação das LFT.

68 Caso Data Center As medições ocorreram em um Data Center localizado, em Cuiabá, Mato Grosso. A edificação possui um barramento do Quadro de Distribuição (QD) com a utilização do analisador de energia Fluke 434. As cargas consistem de computadores servidores, no-breaks e iluminação interna da sala (LFT). O esquema de medição montado no Data Center, é apresentado na Figura 23. Figura 23 Esquema do conjunto de cargas com característica não linear, conectadas no circuito em um Data Center. No diagrama esquemático apresentado na Figura 23 a fonte trifásica representa o fornecimento de energia da concessionária local (220V entre fases a 60 Hz) entregue ao Quadro de Distribuição (QD). As cargas são representadas pelo bloco CCNL n. Foram monitoradas por um período de uma hora, a potência ativa, reativa e formas de onda das tensões e correntes. A imagem do conjunto físico da medição é apresentada na Figura 24.

69 68 Figura 24 Conexão do analisador de energia elétrica Fluke no barramento de energia de alimentação de um Data Center Caso Shopping Center Realizado a medição em um grande Shopping Center em Cuiabá, Mato Grosso em dois transformadores de 1,5MVA que alimentam dois ambientes, sendo um no subsolo, correspondente a parte administrativa, e o outro no primeiro piso, constituído principalmente por estabelecimentos comerciais. As cargas são compostas predominantemente de eletrônicos e iluminação do escritório administrativo (subsolo), iluminação e equipamentos eletro eletrônicos das lojas e a iluminação da praça de alimentação (primeiro piso). O aparato de medição montado no Shopping Center, é apresentado na Figura 25.

70 69 Figura 25 Esquema do conjunto de LFT conectadas no circuito do Shopping Center. No diagrama esquemático apresentado na Figura 25 a fonte trifásica representa o o fornecimento de energia da concessionária local (13,8kV entre fases, 60 Hz) aos transformadores T 1 e T 2 de 1,5MVA cada. As cargas com característica não linear são representadas pelo bloco CSubSol, indicando as cargas do subsolo e pelo bloco CPriPiso, indicando as cargas do primeiro piso. Os blocos CoMed 1 e CoMed 2 indica no conjunto de analisadores de energia utilizados no experimento, o MARH-21 e o Fluke 434, conectados na saída dos transformadores T 1 e T 2 (220V eficaz entre fases). No diagrama, os blocos CoMed 1 e CoMed 2 são representados de maneira simplificada, através de circulo tracejados nas saídas de T 1 e T 2. A forma de ligação destes equipamentos seguem os procedimentos apropriados a cada dispositivo de medição. Foram monitoradas por um período de uma semana a potência ativa, reativa e formas de onda das tensões e correntes do barramento do painel de distribuição. Um dos analisadores de energia utilizados na montagem é apresentado na Figura 26.

71 70 Figura 26 Conexão do analisador de energia elétrica Fluke no painel de distribuição de iluminação um Shopping Center.

72 71 4 RESULTADOS DAS MEDIÇÕES EM LABORATÓRIO E CAMPO Este capítulo apresenta o resultado das medições do conjunto de LFT, LFC e outras cargas não lineares nas medições em laboratório e campo. Conforme será apresentado, os componentes intrínsecos destes dispositivos geram uma potência reativa capacitiva, fornecendo reativo para o barramento de alimentação que pode ser usado para compensação de FP e influenciando no cálculo do excedente de energia reativa. 4.1 MEDIÇÕES EM LABORATÓRIO As medições em laboratório são dividas em dois casos, o LFC e o LFT conforme apresentado nos métodos do capítulo anterior Caso LFC Analisando as formas de onda das correntes medidas na alimentação das LFC, representado por CoFLC 1, CoFLC 2 e CoFLC 3 (Figura 15), verificou-se distorção da forma de onda, como mostra a Figura 27. Figura 27 Forma de onda das correntes trifásicas solicitadas pelas LFC do barramento. lâmpada. A Figura 27 apresenta as formas de onda das correntes trifásicas de alimentação da

73 72 Por meio dos espectros das formas de onda das correntes das fases a, b e c, apresentadas de Figura 28 a Figura 30, constata-se a presença de harmônicas ímpares de sequência positiva, negativa e zero resultando em uma DTI medida em torno de 125% indicado pelo analisador Fluke 434 (item 3.1.4). Os resultados para as fases b e c foram apresentadas apenas para indicar que possuem as mesmas características da fase a. Figura 28 Espectro harmônico da corrente da fase a. Figura 29 Espectro harmônico da corrente da fase b.

74 73 Figura 30 Espectro harmônico da corrente da fase c. As correntes das fases a, b e c apresentadas da Figura 28 a Figura 30 apresentam DTI medido no analisador de energia Fluke 434, valores de 114,83%, 123,78% e 136,80%, respectivamente. Além das formas de onda das correntes, foram analisadas também as formas de onda das tensões (Figura 31) e os respectivos espectros harmônicos das fases a, b e c, conforme apresentado da Figura 32 a Figura 34.

75 74 Figura 31 Forma de onda das tensões trifásicas que alimentam as LFC. Figura 32 Espectro harmônico da tensão da fase a.

76 75 Figura 33 Espectro harmônico da tensão da fase b. Figura 34 Espectro harmônico da tensão da fase c. O espectro harmônico das tensões das fases a, b e c apresentadas da Figura 32 a Figura 34 possuem DTT de 3,52%, 3,80% e 4,39% respectivamente. A Figura 31 permite observar que as formas de onda das tensões apresentam-se próximas da forma senoidal, corroborado por meio do espectro mostrado na Figura 32 a Figura 34, para as fases a, b e c, onde uma DTT medido com o analisador de energia, apresentou um valor médio trifásico de 3,90%, dentro dos valores de referência para o nível

77 76 de tensão do barramento, conforme módulo 8 do PRODIST (ANEEL, 2014b), ou seja, abaixo dos 10% (Tabela 2). A distorção observada, mesmo que pequena e dentro do esperado, possivelmente se deve ao barramento do laboratório de medidas ter conexão com o bloco de laboratórios de engenharia, que interligado a um conjunto de cargas externas, ocasiona o nível de distorção observado. Sendo assim, as LFC utilizadas na experiência laboratorial apresentam características não lineares, que resultaram em formas de onda de correntes com significativas distorções. Entretanto, para as tensões no barramento de suprimento das cargas, não se observou distorções harmônicas significativas, permanecendo dentro dos limites recomendados pela resolução normativa estabelecida (ANEEL, 2014b). Quanto às medições das potências ativa e reativa, observou-se deflexão contrária dos ponteiros dos varímetros analógicos, indicando que o fluxo de potência reativa ocorria no sentido da carga para a fonte, portanto, sendo necessário inverter a polaridade das bobinas de tensão dos varímetros (FILHO, 1981). Alterada a ligação do instrumento, a deflexão do ponteiro se deu no sentido da escala, indicando um fluxo de potência reativa de 120 VAr, por fase, resultando em uma potência reativa capacitiva trifásica de 360 VAr. Nos analisadores de grandezas elétricas e no medidor de qualidade da energia, foi observado o mesmo fluxo de potência reativa capacitiva, porém, com valor de 310 VAr por fase, totalizando uma potência reativa trifásica de 930 VAr. Esta diferença tem relação com o fato de que o medidor analógico registra a parcela de potência reativa referente à frequência fundamental, enquanto os outros analisadores medem a potência reativa referente às diversas frequências do espectro das correntes, conforme ilustrado na Figura 28. Além da leitura das potências, foram feitas as leituras dos fatores de deslocamento (FD) e de potência (FP), onde se verificou um FP de 0,57 capacitivo e um FD de 0,90 capacitivo. Após a conexão do banco de indutores verificou-se que o fluxo de potência reativa entre a carga e a fonte sofreu alteração. Analisando o varímetro analógico, verificou-se que o fluxo reativo capacitivo entre a carga e a fonte, anteriormente de 120 VAr por fase reduziu para 30 VAr por fase, resultando em uma potência reativa trifásica de 90 VAr (valor referente à fundamental). Enquanto que pelos medidores eletrônicos foi verificada uma potência reativa trifásica de 820 VAr e FP 0,59 capacitivo e um FD de 0,90 capacitivo (Figura 35). Esta mudança de valores do fluxo de reativo capacitivo da carga para fonte após a entrada do banco de indutores lineares está associada ao fornecimento de reativo capacitivo gerado pelas LFC para compensar a demanda de reativo indutivo exigida pelo banco de indutores, cuja

78 77 medição constatou que estava em torno de 90 VAr por fase, resultando em uma potência reativa indutiva total de 270 VAr. A Figura 35 mostra o resultado das potências ativas e reativas das LFC através da tela do medidor de qualidade de energia Fluke 434. Figura 35 Potências ativas e reativas das LFC nas medições em Laboratório através do medidor de qualidade de energia Fluke 434. Portanto, através desta experiência de laboratório foi possível observar que um conjunto de LFC, devido a seus componentes intrínsecos, gera uma potência reativa capacitiva, fornecendo reativo que pode ser usado para compensação de FP de cargas predominantemente indutivas. Esta constatação pode ser observada pela diferença na potência reativa antes e após a conexão das duas cargas em paralelo, conforme ilustrado na Figura 36 para a potência reativa capacitiva fundamental registrada pelo varímetro analógico.

79 78 Figura 36 Variação do fluxo de potência reativa, entre carga e fonte, registrado pelo varímetro analógico. Adicionalmente, com o uso do analisador de energia elétrica MARH-21 foram registrados as formas de onda das tensões e correntes nas respectivas fases a, b e c, conforme representado da Figura 37 a Figura 39. Figura 37 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta as LFC na fase a.

80 79 Figura 38 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta as LFC na fase b. Figura 39 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta as LFC na fase c. Em todas as formas de onda apresentadas da Figura 37 a Figura 39, é possível observar que as correntes estão adiantadas em relação à tensão. Esta característica observada nas medições em laboratório indica novamente o comportamento capacitivo das cargas eletrônicas no barramento.

81 Caso LFT A forma de onda das correntes medidas na alimentação das LFT com reator de AFP, representado por CoFLT (Figura 19), verificou-se reduzida distorção harmônica da forma de onda de corrente e tensão, como apresentado a Figura 40. Figura 40 Forma de onda da corrente e tensão solicitadas pelas LFT do barramento. A Figura 40 apresenta uma forma de onda da corrente e tensão solicitada na fase a de alimentação da LFT a partir da fonte apresentada na Figura 19. A baixa distorção também é confirmada pelos dados apresentados no analisador de energia, envolvendo a DTT e DTI, conforme observados das Figura 41 a Figura 44.

82 81 Figura 41 Espectro harmônico da corrente da LFT no Laboratório. Figura 42 Espectro harmônico da corrente da LFT no Laboratório, nas frequências múltiplas impares de h=3 a h=15.

83 82 Figura 43 Espectro harmônico da tensão da LFT no Laboratório. Figura 44 Espectro harmônico da tensão da LFT no Laboratório, nas frequências múltiplas impares de h=3 a h=15. Finalmente, a potência ativa, reativa e total ainda indicam as características de carga eletrônica com comportamento capacitivo no barramento. A Figura 45 apresenta a tela capturada do analisador de energia elétrica Fluke conectado no barramento de energia de alimentação, indicando que a demanda de potência ativa solicitada pela luminária com reatores eletrônicos do barramento atinge um valor em torno de 60W.

84 83 Figura 45 Potências ativas e reativas das LFT no Laboratório através do medidor de qualidade de energia. Pode-se observar também na Figura 45 uma injeção de demanda reativa capacitiva média de 20VAr no barramento que alimenta esta carga. Para fins de averiguação, os valores coletados da memória de massa foram coerentes aos observados na Figura 45. A injeção de demanda reativa capacitiva média é de 15,99VAr e a demanda de potência ativa solicitada atinge o valor de 62,67W. Finalmente o valor da potência aparente da carga é de 65,33VA. Ainda na Figura 45, na LFT foram observados o valor de FP 0,97 e FD 0,99, para fase A. Comparando estes valores, com os dados de placa do reator, este se enquadra no AFP e, portanto compatível às características propostas pelo fabricante, ou seja, FP 0,97 (Anexo A.6 Reator AFP). 4.2 MEDIÇÕES EM CAMPO As medições em laboratório são dividas em três casos: Home Center, Data Center e Shopping Center, conforme apresentado nos métodos do capítulo anterior Caso Home Center Ao contrário dos resultados obtidos para as correntes produzidas para LFC em laboratório ilustrado na Figura 27 com características fortemente não lineares, as correntes obtidas no barramento do Home Center foram praticamente lineares, isto é, muito próxima de uma forma de onda senoidal. Esta diferença se deve à instalação de filtros para harmônicos nos reatores das luminárias (IEEE, 1992).

85 84 Na Figura 46 e Figura 47 obtidas através do medidor de qualidade de energia, as LFT alimentadas por reatores eletrônicos, indicam que tanto as tensões como as correntes apresentaram características lineares. Figura 46 Forma de onda das tensões trifásicas do barramento que alimenta as LFT através do medidor de qualidade de energia. Figura 47 Forma de onda das correntes trifásicas do barramento que alimenta as LFT através do medidor de qualidade de energia. A Figura 48 apresenta a tela capturada do analisador de energia elétrica Fluke conectado no barramento de energia de alimentação, indicando que a demanda de potência ativa trifásica solicitada pelo conjunto de luminárias com reatores eletrônicos do barramento atinge o valor médio de 24 kw.

86 85 Figura 48 Potências ativas e reativas das LFT no Home Center através do medidor de qualidade de energia. Pode-se observar também na Figura 48 uma injeção de demanda reativa capacitiva média trifásica de 5,4 kvar no barramento que alimenta estas cargas da UC. Adicionalmente através do analisador de energia Fluke foram coletados os dados do comportamento das formas de onda das tensões e correntes nas fases a, b e c, conforme representado da Figura 49 a Figura 51. Figura 49 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta as LFT na fase a.

87 86 Figura 50 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta as LFT na fase b. Figura 51 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta as LFT na fase c. Em todas as formas de ondas apresentadas da Figura 49 a Figura 51, é possível observar que as correntes estão ligeiramente adiantadas em relação a tensão, pois estas atingem primeiro o valor de pico. Mesmo não sendo tão evidente como nas medidas obtidas em laboratório caso LFC, esta característica observada nas medições no Home Center indica assim mais uma vez o comportamento capacitivo das cargas eletrônicas no barramento. A

88 87 principal evidência ainda continua sendo a medida de energia reativa capacitiva indicada pela tela no medidor de energia Fluke (Figura 48). Logo, para este tipo de carga, o comportamento do fluxo da potência reativa apresenta-se de forma análoga, ou seja, no sentido da carga para a fonte, caracterizando fluxo de potência reativa capacitiva Caso Data Center As correntes não apenas de LFC, mas de computadores do tipo servidores no barramento do Data Center apresentaram características de cargas não lineares. Conforme será apresentado, estas características são evidenciadas pelo número elevado de harmônicos nas correntes, o que contribuiu para uma forma de onda bastante distorcida. As Figura 52 e Figura 53 foram obtidas do medidor de qualidade de energia Fluke, indicando as formas de onda de tensão e corrente, respectivamente, sendo esta última com características não lineares. Figura 52 Forma de onda das tensões trifásicas do barramento que alimenta os servidores através do medidor de qualidade de energia.

89 88 Figura 53 Forma de onda das correntes trifásicas do barramento que alimenta os servidores através do medidor de qualidade de energia. A Figura 54 apresenta a tela capturada do analisador de energia elétrica Fluke conectado no barramento de energia de alimentação dos servidores, indicando que a demanda de potência ativa trifásica solicitada pelo conjunto de luminárias com reatores eletrônicos do barramento atinge o valor médio de 13,9 kw. Figura 54 Potências ativas e reativas dos servidores no Data Center medidas através do medidor de qualidade de energia. Assim como no Home Center, pode-se observar também na Figura 54 uma injeção de demanda reativa capacitiva no barramento que alimenta as cargas da UC. Na Figura 54 este valor trifásico apresentou um total de 3,9 kvar capacitivo.

90 89 Adicionalmente, através das telas do analisador de energia Fluke, foram coletados os dados do comportamento da forma de onda das tensões e correntes nas fases a, b e c, conforme apresentado da Figura 55 a Figura 57. Figura 55 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta os servidores na fase a. Figura 56 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta os servidores na fase b.

91 90 Figura 57 Forma de onda da tensão e corrente do barramento que alimenta os servidores na fase c. Assim como no caso do Home Center, em todas as formas de ondas apresentadas da Figura 55 a Figura 57, é possível observar que as correntes estão ligeiramente adiantadas em relação a tensão. Esta característica observada nas medições no Data Center indica assim, mais uma vez, o comportamento capacitivo das cargas eletrônicas no barramento. Assim como as demais medições em campo, a principal evidência ainda continua sendo a medida de energia reativa capacitiva indicada pela tela no medidor de energia Fluke (Figura 54) Caso Shopping Center Subsolo Na primeira fase, as medições foram realizadas no pavimento subsolo da edificação, alimentado por um transformador de 1,5MVA com o uso do analisador de energia. O comportamento da forma de onda das tensões nas fases a, b e c em relação as correntes em cada uma das respectivas fases, são representadas da Figura 58 a Figura 60.

92 91 Figura 58 Forma de onda da tensão e corrente da fase a no transformador do subsolo. Figura 59 Forma de onda da tensão e corrente da fase b no transformador do subsolo.

93 92 Figura 60 Forma de onda da tensão e corrente da fase c no transformador do subsolo. Nas formas de ondas da Figura 58 e Figura 59, observa-se que as fases a e b apresentam características indutivas, pois as tensões estão adiantadas em relação às correntes, absorvendo reativo capacitivo do sistema. Já na Figura 60, a fase c apresenta a corrente adiantada em relação à tensão, injetando reativo capacitivo no sistema e contribuindo para redução do excedente de energia reativa no horário indutivo (item 2.5, equação (1)). No horário de funcionamento deste estabelecimento comercial, onde as cargas eletrônicas são desligadas no período noturno, o fluxo de reativo da fase c não prejudica o excedente de energia reativa no horário capacitivo que compreendem 6 horas consecutivas entre as 23:30 às 6:30 horas. Além das formas de onda das tensões e correntes, foram analisados também os espectros harmônicos das correntes das fases a, b e c do transformador do subsolo, conforme representados da Figura 61a Figura 63.

94 93 Figura 61 Espectro harmônico da corrente da fase a no transformador do subsolo. Figura 62 Espectro harmônico da corrente da fase b no transformador do subsolo.

95 94 Figura 63 Espectro harmônico da corrente da fase c no transformador do subsolo. Nos espectros harmônicos das correntes da Figura 61 a Figura 63, observa-se a presença significativa do terceiro harmônico, conhecido por gerar sobrecarga dos condutores de neutro Primeiro Pavimento Na segunda fase, as medições foram realizadas no primeiro pavimento da edificação, alimentado por um transformador de 1,5MVA com o uso do analisador de energia. O comportamento das formas de onda das tensões nas fases a, b e c em relação as correntes em cada uma das respectivas fases, são representadas da Figura 64 a Figura 66.

96 95 Figura 64 Forma de onda da tensão e corrente da fase a no transformador do primeiro piso. Figura 65 Forma de onda da tensão e corrente da fase b no transformador do primeiro piso.

97 96 Figura 66 Forma de onda da tensão e corrente da fase c no transformador do primeiro piso. Nas formas de ondas da Figura 64 a Figura 66, observa-se que as fases a, b e c apresentam características capacitivas, pois as correntes adiantadas em relação às tensões. As três fases estão injetando reativo capacitivo no sistema, melhorando o fator de potência e contribuindo para redução do excedente de energia reativa no horário indutivo. Assim como na fase c do transformador do subsolo, nas três fases deste transformador do primeiro piso, as cargas eletrônicas são desligadas com o fechamento das lojas comerciais, compreendendo o intervalo de medição do excedente de reativo capacitivo e, portanto, não prejudicando a contabilização do excedente de energia reativa capacitiva. Além das formas de onda das tensões e correntes, foram analisados também os espectros harmônicos das correntes das fases a, b e c do transformador do primeiro piso, conforme representados da Figura 67 a Figura 69.

98 97 Figura 67 Espectro harmônico da corrente da fase a no transformador do primeiro piso. Figura 68 Espectro harmônico da corrente da fase b no transformador do primeiro piso.

99 98 Figura 69 Espectro harmônico da corrente da fase c no transformador do primeiro piso. Nos espectros harmônicos das correntes das Figura 67 a Figura 69, observa-se a presença do quinto e sétimo harmônicos. Além de indicar uma maior presença de cargas não lineares de predominância capacitiva, essas ordens harmônicas de corrente contribuem mais fortemente para a alteração da corrente eficaz, podendo acarretar distúrbios na UC. Sendo assim, nas medições realizadas nos dois transformadores que alimentavam o subsolo e primeiro piso, apresentaram características diferentes. No subsolo, foram encontradas cargas com predominâncias indutivas, e no primeiro piso, capacitivas nas suas respectivas fases. O transformador que atendia o subsolo apresentou as correntes das fases a e b atrasadas em relação às tensões, e com fator de potência abaixo de 0,92 indutivo. No entanto, a corrente da fase c estava adiantada em relação à tensão, e com fator de potência abaixo de 0,92 capacitivo. Em relação ao transformador analisado no primeiro piso em que todas as fases possuem características capacitivas e com fator de potência abaixo de 0,92 capacitivo no período do horário indutivo (diurno), a própria carga injeta reativo capacitivo no sistema, ajudando na correção do fator de potência no barramento do secundário do transformador. Como as cargas do primeiro piso são desligadas no horário capacitivo, não haverá problemas com a legislação no período noturno (ANEEL, 2010). Considerando ainda os resultados obtidos nas duas medições realizadas no Shopping Center, pode-se concluir que ao se realizar medições de FP na UC, devem-se analisar as características das cargas, se estas são lineares ou não lineares e o FP nos horários indutivos e capacitivos.

100 99 As cargas analisadas possuíam características predominantemente capacitivas, o que seria de esperar do sistema de iluminação, sobretudo do primeiro piso, composto em sua maioria de LFT e LFC.

101 100 5 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL Como complemento das medições realizadas em campo, esta parte do trabalho trata da simulação computacional de uma LFC, um dos tipos de dispositivos observados em campo e em laboratório, que representam bem características não lineares, encontrado nas demais cargas: servidores, no-breaks, etc. A modelagem de uma única lâmpada fluorescente compacta via o ATP na interface gráfica ATP Draw com seus componentes elétricos e eletrônicos está ilustrada na Figura 70. Figura 70 Modelo da LFC. Os parâmetros e a fonte do modelo são apresentados no Apêndice A Parâmetros do modelo ATP para a LFC. O modelo LFC no ATP Draw apresentado na Figura 70 forma um conjunto de 30 (trinta) unidades, como ilustrada na Figura 71. Sendo assim, cada uma das LFC da figura Figura 71, possui embutido o modelo apresentado na Figura 70.

102 101 Figura 71 Conjunto de LFC no simulador. A indutância utilizada na simulação foi calculada através dos dados obtidos em medições realizadas com os analisadores de grandezas elétricas da potência reativa e da tensão sobre o indutor. Sendo a indutância calculada pela expressão (47): U2 L = 2πf. Q Onde: Q: Potência reativa monofásica; U: Tensão fase-fase. Assim como na montagem experimental, os indutores na conexão estrela a quatro fios foram inseridos por chaves em paralelo com o conjunto de LFC como mostra a Figura 72. (47)

103 102 Figura 72 Conjunto de indutores no simulador. O valor utilizado na simulação no ATP foi de 486.6mH para cada indutor, com tempos de chaveamento de 0.5, 0.8 e 1.3 segundos por conjunto. Os diferentes tempos de entrada permitem uma melhor visualização do efeito das cargas conectadas ao barramento. 5.1 SIMULAÇÃO NO ATP, INTERFACE ATP DRAW Os resultados obtidos na simulação permitiram constatar uma boa concordância com aqueles obtidos em laboratório. Para esta finalidade, foram analisadas as formas de onda das correntes e tensões ilustradas nas Figura 73 e Figura 74 e o espectro da corrente para fase a, quando apenas as lâmpadas estavam ligadas como mostra a Figura 75. Figura 73 Forma de onda das correntes trifásicas solicitadas pelas LFC na simulação.

104 103 Figura 74 Forma de onda das tensões trifásicas das LFC obtidas na simulação. Figura 75 Espectro harmônico da corrente da fase a obtida na simulação. O comportamento e os valores do fluxo de potência reativa gerado pelas LFC obtidos na simulação foram semelhantes aos obtidos nos estudos experimentais (item Caso LFC).

105 104 Adicionalmente foram observados o comportamento da forma de onda da tensão nas fases a, b e c em relação as corrente em cada uma das respectivas fases, conforme representado da Figura 76 a Figura 78. Figura 76 Forma de onda da tensão e corrente solicitadas pelas LFC na simulação na fase a. Figura 77 Forma de onda da tensão e corrente solicitadas pelas LFC na simulação na fase b.

106 105 Figura 78 Forma de onda da tensão e corrente solicitadas pelas LFC na simulação na fase c. O comportamento e os valores do fluxo de potência reativa gerado pelas LFC obtidos na simulação e indicados pela corrente adiantada em relação a tensão, apresentam assim características capacitivas no barramento. A simulação computacional apresentou coerência com as demais formas de onda de corrente e tensão nas medições (item Caso LFC, item Caso LFT e Caso Shopping Center). O modelo de medidor de potência, tensão, e corrente utilizado no ATP, não contempla valores negativos de potência reativa para cargas com características capacitivas. Sendo assim, o atraso da tensão foi a forma encontrada para indicar a característica capacitiva da carga.

107 106 6 INFLUÊNCIA NO SISTEMA DE TARIFAÇÃO Este capítulo aborda brevemente as generalizações possíveis de todos os casos analisados (laboratorial, campo e simulação) com enfoque no sistema de tarifação principalmente do grupo A, que leva em conta o pagamento do excedente de energia reativa e de demanda reativa excedente. O capítulo também aborda estatisticamente a extrapolação para um grande volume de LFC e as implicações na confiança dos valores numéricos obtidos. 6.1 COMPARATIVO QUALITATIVO Por meio dos resultados obtidos em laboratório, simulação computacional e campanha de medições em campo, pôde-se analisar a possível influência das cargas eletrônicas, tanto as praticamente lineares como não lineares, no sistema de tarifação das unidades consumidoras do Grupo A, que estão sujeitas ao pagamento do excedente de energia reativa e de demanda reativa excedente conforme apresentado nas equações (1) e (2). O Quadro 5 apresenta um resumo qualitativo dos experimentos realizados, tipos das cargas predominantes, características observadas e o nível de reativo capacitivo constatado. Quadro 5 Quadro com resumo qualitativo dos experimentos. # Experimento Cargas Predominantes Característica Reativo Capacitivo 1 Medição Laboratório Caso LFC LFC Não Linear Alto 2 Medição Laboratório Caso LFT LFT Linear Baixo 3 Medição Campo Home Center LFT Linear Baixo 4 Medição Campo Data Center Computadores Não Linear Alto 5 Medição Campo Shopping Center T1 LFC e outras Não Linear Médio 6 Medição Campo Shopping Center T2 LFT & LFC Não Linear Alto 7 Simulação LFT Não Linear Alto No Quadro 5 é possível observar que as LFT com reatores de AFP (linhas 2 e 3) apresentaram características predominantemente de carga linear. No entanto, em todos os casos houve um reativo capacitivo e, portanto no grupo A, estariam sujeitos a pagamento do excedente de energia reativa e de demanda reativa excedente. Sendo as cargas estudadas nesse trabalho de natureza eletrônica e capacitivas, há então, uma influência direta na sua utilização com a medição dos valores de reativo excedente descrito na resolução normativa, pois estas, em tese, ao injetar reativo capacitivo no

108 107 barramento, contribuem para a alteração no valor do FP registrado a cada hora (conforme equações (1) e (2) apresentadas). Como a concessionária de energia elétrica monitora o reativo indutivo solicitado pelas unidades consumidoras no período de 18 (dezoito) horas do dia, estas cargas eletrônicas podem trazer benefício para o sistema de tarifação, pois com a injeção do reativo capacitivo no barramento podem melhorar o FP horário da UC; ou diminuir o valor do excedente de energia reativa na sua fatura de energia elétrica. Por outro lado, durante as 6 (seis) horas restantes no período noturno, normalmente entre meia noite e às 6 (seis) horas da manhã (dependendo do perfil e operação da empresa), a concessionária de energia monitora o reativo capacitivo e estas cargas podem ser prejudiciais para sistema de tarifação, podendo assim assumir um aumento no valor do excedente de energia reativa na fatura de energia da UC (ANEEL, 2010). 6.2 GRANDES VOLUMES DE LFC Ainda sob o ponto de vista de tarifação, visando reforçar o impacto gerado pelo grupo B, foram extrapoladas as medições de energia reativa para um grande volume de LFC, com base em uma amostra em laboratório. Estas medidas obtidas em laboratório são úteis para avaliação de projetos de eficiência energética, tais como as LFC substituídas no projeto executado por LIMA (2014). Na avaliação, foi observado o grau de confiança da extrapolação de uma amostra de energia reativa e, portanto, quão grandes são os efeitos propagados que estas LFC teriam em uma rede de distribuição, levando em conta o grau de confiança das medidas obtidas na amostra. A avaliação foi feita estatisticamente e foi levada em conta uma amostra de 30 (trinta) unidades de LFC cujas características são descritas no Anexo A.3 LFC, de acordo com o procedimento descrito no Anexo B Estatística Usada nas LFC, e resultados aqui apresentados. Visando obter o grau de confiabilidade nas medidas efetuadas se comparado a uma população de lâmpadas da mesma marca, modelo e tempo de vida, este experimento estatístico visa responder a seguinte pergunta: um vez selecionado muitas amostras de 30 lâmpadas compactas do mesmo lote, e construído um intervalo de 95% de confiança para cada amostra, 95% desses intervalos conteriam que média populacional? Adicionalmente, qual seria a extrapolação dos valores obtidos para um número maior de LFC, por exemplo, unidades?

109 108 Para a LFC considerada, os valores obtidos e extrapolados para (mil) LFC podem ser verificados no Apêndice B Resultados da Estatística Usada nas LFC, que, em resumo, apresentou uma média populacional da Potência Reativa (μpr) equivalente a 27,60 ± 0,54 kvar, e uma média populacional da Potência Ativa (μpa) equivalente a 20,44 ± 0,37 kw. Com base nestes valores obtidos, nota-se que a média populacional da potência reativa apresentou baixo desvio na margem de erro (0,54 kvar de 27,60 kvar, ou seja 1,95%) e, portanto, bastante confiáveis para avaliação de projetos de eficiência energética e efeitos sobre tarifação do valor do excedente de energia reativa. Adicionalmente, o valor da média populacional da Potência Reativa é bastante expressivo, se comparado com a média populacional da Potência Ativa, sendo assim, podem ser numericamente significativos os efeitos na tarifação, o valor do excedente de energia reativa. Atualmente as concessionárias de energia elétrica têm feito grandes investimentos na eficiência elétrica dos consumidores de baixa renda, aonde são substituídos principalmente refrigeradores convencionais por refrigeradores com selo PROCEL, e milhares de lâmpadas incandescentes por LFC. Um estudo da influência destas cargas não só nos consumidores do grupo A, mas também em consumidores do grupo B, se faz necessário, para analisar o impacto da entrada destas cargas eletrônicas tanto no sistema de tarifação, como na possível melhoria do sistema elétrico da concessionária com a injeção de reativos nos barramentos, assim como a interferência das múltiplas frequências injetadas pelas cargas eletrônicas não lineares no barramento da concessionária.

110 109 7 CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS O objetivo principal do trabalho foi analisar o comportamento de cargas eletrônicas, especificamente LFC e LFT com reatores eletrônicos, como forma de compensar o excedente de energia reativa de uma carga indutiva, observando seu possível impacto nos projetos de eficiência energética. No Capítulo 1 foi apresentada uma introdução sobre o tema e estabelecido o objetivo geral e os específicos, ressaltando a justificativa da pesquisa. Neste capítulo foi destacada a alta dependência de geração hidráulica no Brasil, que dado o contexto das precipitações pluviométricas atuais e a gestão deste recurso, ficou latente a vulnerabilidade da matriz energética do país. Este capítulo também indicou o aumento do consumo e consequente produção contingencial de energia através das termoelétricas, a um custo elevado tanto financeiro, quanto ambiental. Dado este contexto, o capitulo ressalta a importância de dispositivos eletrônicos como uma das melhores saída para a eficiência elétrica e energética, em destaque para este estudo, as LFC e LFT, como exemplos de cargas eletrônicas em aplicação de iluminação eficiente. No Capítulo 2 foi apresentada a fundamentação teórica utilizada para o desenvolvimento desta pesquisa. Inicialmente foram definidos os termos eficiência e eficiência elétrica. Foram relacionados os incentivos recentes de eficiência energética adotados no Brasil, demonstrando assim que o país tem buscado alternativas sustentáveis ao enfrentar a crescente demanda de energia. Adicionalmente, foram abordados os objetos componentes deste estudo, incluindo um breve contexto histórico das LFT e LFC, considerações sobre reatores eletromagnéticos e eletrônicos, indicando os fatores das não linearidades destes tipos de dispositivos eletrônicos. Este capítulo finalizou com uma consideração sobre o sistema tarifário, com ênfase a energia reativa excedente, focado neste trabalho, bem como conceituações sobre harmônicos, FD e FP apontados ao longo das medições. O Capítulo 3 descreveu os materiais utilizados e métodos adotados nas medições realizadas em laboratório, em um Home, Data e Shopping Center. A ênfase das medições foi nas formas de ondas de tensão e corrente, potência reativa, espectros harmônicos e suas interpretações. No Capítulo 4 ficou demostrado que o conjunto de LFT e LFC, devido a seus componentes intrínsecos, geram uma potência reativa capacitiva, fornecendo reativo que pode ser usado para compensação de FP de cargas predominantemente indutivas.

111 110 Nos experimentos laboratoriais, no caso das LFT e mais ainda evidente no caso das LFC, foi observado um fluxo de reativo capacitivo para o barramento de alimentação, tanto nos medidores analógicos quanto nos analisadores de energia. Nas medições realizadas em campo, em um conjunto de LFT com reatores eletrônicos, os analisadores de energia registraram a característica da carga praticamente linear. No entanto, pôde-se também observar um fluxo de potência reativa capacitiva para o barramento de alimentação do conjunto de carga eletrônica. Portanto, independentemente do comportamento da carga eletrônica estudada neste trabalho ser linear ou não linear, verificouse uma injeção de potência reativa no barramento, contribuindo para a alteração do FP da UC e, consequentemente, influenciando no cálculo do excedente de energia reativa. O Capítulo 5 envolveu uma simulação computacional com o uso do ATP, na interface gráfica ATPDraw. Assim, como nos experimentos laboratoriais, a simulação utilizando LFC indicou fortes características não lineares, onde também foi observado um fluxo de reativo capacitivo para o barramento de alimentação. Finalmente, o Capítulo 6 discorreu uma breve discussão sobre a influência no sistema de tarifação, onde apresenta o possível impacto no pagamento do excedente de energia reativa e de demanda reativa excedente, quando sujeito as cargas não lineares sobre o sistema de tarifação do grupo A. O destaque deste capítulo foi que em tese, ao injetar reativo capacitivo no barramento, estes podem contribuir para a alteração no valor do FP registrado a cada hora e, consequentemente, no valor da fatura dos consumidores do grupo A. O capitulo encerrou com uma consideração da extrapolação de um grande volume de LFC, com base em uma amostra de LFC disponíveis no laboratório. Ficou demonstrado com relativa precisão, que o montante de reativo proporcionado pelas LFC pode ser significativo, podendo ser considerado, por exemplo, em projetos de eficiência energética. Sendo assim, um estudo da influência destas cargas não só nas Unidades Consumidores do grupo A que pagam excedentes de reativos, mas também em Unidades Consumidoras do grupo B, se faz necessário, para analisar o impacto da entrada destas cargas eletrônicas, tanto no sistema de tarifação, como na possível melhoria do sistema elétrico da concessionária com a injeção de reativos nos barramentos, assim como a interferência das múltiplas frequências das correntes injetas pelas cargas eletrônicas não lineares nas Unidades Consumidoras dos Grupos A e B e nos barramentos da concessionária distribuidora de energia. Algumas considerações adicionais foram observadas em campo e podem ser acrescentadas neste trabalho. Ao se realizar medições de FP em UC, devem-se analisar as

112 111 características das cargas, se estas são lineares ou não lineares e o FP nos horários indutivos e capacitivos. Ao levar em conta as características das cargas com características capacitivas, evita-se assim a colocação de bancos de capacitores em barramentos que já apresentam comportamento capacitivo. Este trabalho também indicou que a não linearidade das cargas eletrônicas proporcionou uma elevada distorção de corrente com a presença significativa das harmônicas de sequências positivas, negativas e zero que poderão alterar consideravelmente o valor eficaz das correntes nas fases do barramento e no condutor neutro através da circulação das harmônicas de sequência zero de corrente. Sendo assim, os barramentos dos sistemas elétricos das UC dos grupos A e B, com o aumento das cargas eletrônicas conectadas com a finalidade de reduzir o consumo de energia elétrica, devem ser constantemente monitorados para verificar condições de aquecimento de condutores das fases e do neutro devido a presença das correntes de múltiplas frequências injetadas pelas cargas eletrônicas. 7.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS Como sugestões para trabalhos futuros, com base nos estudos e experimentos do reativo do barramento de um sistema elétrico, utilizando cargas eletrônicas, pode-se citar: Aprimorar o medidor de energia virtual usado no ATP para indicar potências reativas capacitivas; Aprimorar o modelamento da LFT e LFC para uso em simulações de cargas não lineares, com e sem AFT; Considerar este mesmo estudo, no entanto, envolvendo distorções harmônicas não somente na corrente, mas também da tensão e suas interações entre si; Fazer o mesmo levantamento estatístico para demais tipos de cargas não lineares, com forte distorção harmônica; e Simular numericamente cargas lineares e não lineares sujeitas a tarifação no grupo A e B com base em modelos desenvolvidos no ATP.

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118 117 GLOSSÁRIO ATPDraw Data center Fator de Deslocamento Fator de Potência Efeito Edison Home Center LED No-breaks Retrofit Interface gráfica do software ATP Alternative Transients Program. Nome em inglês para Centro de Processamento de Dados (CPD). É o local onde são concentrados os equipamentos de processamento e armazenamento de dados de uma empresa ou organização. É geralmente definido como sendo o cosseno do ângulo de deslocamento (cos θ) obtido pela razão entre a energia elétrica ativa e a raiz quadrada da soma dos quadrados das energias elétricas ativa e reativa, consumidas num mesmo período especificado e medidas considerando-se as componentes de tensão e corrente apenas na frequência fundamental (nominal) da rede elétrica. É geralmente definido como sendo a relação entre a potência ativa e a potência aparente, consumidas num mesmo período especificado e medidas considerando-se todas as componentes de tensão e corrente nas diferentes frequências e não apenas na frequência fundamental (nominal) da rede elétrica. Efeito acidentalmente observado por Thomas Edison em 1880, consiste no aumento do fluxo de elétrons que saem de um metal, devido ao aumento de temperatura. Ao aumentar-se substancialmente a temperatura do metal, há uma facilidade maior para a saída dos elétrons. Hoje este efeito é formalmente chamado de efeito termiônico. Termo em inglês para Centro Especializado em Materiais para Residência. É o local que reúne materiais e equipamentos destinados a construção de uma residência. Geralmente de grande porte, possui uma ampla variedade de opções e produtos. Do inglês LED (Light Emitting Diode) que significa Diodo Emissor de Luz. Composto por um diodo semicondutor (junção P-N) que quando energizado, libera parte desta energia de combinação dos elétrons na junção na forma de calor e principalmente fótons de luz na faixa predominantemente visível do espectro eletromagnético. Nome em inglês para Fonte de Alimentação Ininterrupta, também conhecida pelo acrônimo UPS (sigla em inglês de uninterruptible power supply). É um sistema de alimentação secundário de energia elétrica que entra em ação, alimentando os dispositivos a ele ligados, quando há interrupção no fornecimento de energia primária. Termo geralmente empregado no sentido de renovação, de atualização, no entanto mantendo as características intrínsecas do local original.

119 118 ROL RS232 Varímetro Wattímetro T4 T5 T8 T10 T12 Receita Operacional Líquida na contabilidade do Brasil, designa-se como o montante que a empresa efetivamente recebe pelas vendas de seus produtos, ou seja, a receita bruta diminuído dos impostos incidentes sobre a venda, (IPI, ISS, PIS, COFINS, entre outros) e dos descontos e abatimentos concedidos. Também conhecido por EIA RS-232C ou V.24, é um padrão de protocolo para troca serial de dados binários entre um DTE (Terminal de Dados, Data Terminal Equipment) e um DCE (Comunicador de Dados, Data Communication Equipment). Normalmente usado nas portas seriais dos PCs. Instrumento utilizado para medir a potência reativa de um circuito elétrico. A unidade é o VAr (Volt-Ampere reativo) Instrumento utilizado para medir a potência ativa de um circuito elétrico. A unidade é o W (Watt) Codificação para lâmpada fluorescente compacta com diâmetro 4/8 de polegada ou 12,700 milímetros Codificação para lâmpada fluorescente compacta ou tubular com diâmetro 5/8 de polegada ou 15,875 milímetros Codificação para Lâmpada fluorescente tubular com diâmetro 8/8 de polegada ou 25,400 milímetros Codificação para Lâmpada fluorescente tubular com diâmetro 10/8 de polegada ou 31,750 milímetros. Codificação para Lâmpada fluorescente tubular com diâmetro 12/8 de polegada ou 38,100 milímetros.

120 119 APÊNDICE APÊNDICE A PARÂMETROS DO MODELO ATP PARA A LFC O ponto de partida para o modelamento da LFC via o ATP na interface gráfica ATP Draw foram os componentes eletroeletrônicos acessíveis depois de desmontada (Figura A). O modelo foi disponibilizado pelo grupo de pesquisa da UFMT em associação com a UFU. Figura A1 Foto de uma LFC desmontada para identificação dos componentes e criação do modelo. Com base nos elementos construtivos (componentes), conforme visualizado na Figura A, o modelo utilizado para as LFC com a indicação dos parâmetros para a simulação é apresentado na Figura A2.

121 120 Figura A2 Parâmetros do modelo da LFC no software ATP interface gráfica ATP Draw. Fonte: O autor Os seguintes parâmetros foram utilizados: ❶ Conjunto RLC de entrada: R= Ω, L= mh e C=0μF; ❷ Transformador isolador: n=1 e BRANCH=1; ❸ Resistor: R= Ω; ❹ Capacitor (tipo CAP_RS): C=1μF e Ks=0.15; ❺ Indutor: L= mh e Kp=7.5; ❻ Conjunto Resistor Capacitor: R=33Ω e C=0.01μF; ❼ Diodos: Vig = 0V, Ihold = 0A, Tdeion = 0s e CLOSED=1; ❽ Capacitor aterrado (tipo CAP_RS): C=25μF e Ks=0.15; ❾ Resistor aterrado: 1350Ω. Sendo: BRANCH: transformador ideal [1 = sim]; Ks: fator de resistência em série [Ω]; Kp: fator de resistência em paralelo [Ω]. Vig: Tensão de ignição [V]; Ihold: Corrente mínima [A]; Tdeion: Tempo de ionização [s]; CLOSED: Diodo fecha durante o estado estacionário [1 = sim].

122 121 APÊNDICE B RESULTADOS DA ESTATÍSTICA USADA NAS LFC O experimento consistiu em ligar as LFC, uma a uma, e medir seus respectivas valores de potência ativa (W), reativa (VAr) e aparente (VA), utilizando para isso um dispositivo analisador de energia e assim obter, através de cálculos, as estimativas estatísticas. Para os dados coletados das LFC em laboratório, e com base nos procedimentos apresentados no Anexo B Estatística Usada nas LFC, os resultados estão sumarizados na Tabela a seguir: Tabela A1 Resultados Sumarizados. P. Ativa (W) P. Reativa(VAr) P. Aparente(VA) Média da amostra* (x ) 20,44 27,60 34,36 Desvio padrão da amostra: (s x ) 1,011 1,450 1,472 Tamanho da amostra (n) Graus liberdade (n-1) Grau de confiança desejado ** (1- α) 95% 95% 95% Erro de estimativa (e) 0,3769 0,5407 0,5490 Intervalo de confiança * 20,07 < μ < 20,82 27,06 < μ < 28,14 33,81 < μ < 34,90 (*) Onde adotou-se μ, média da população como a média da amostra x (**) Para todas as medidas, o tamanho da amostra (n) foi 30 e graus liberdade (n-1) igual a 29. O grau de confiança desejado (1- α) foi adotado 95%, onde α = 4% = 0,04 e α/2 = 2% e Student t para grau de confiança de 95% resultou em t α n 1, = 2, Apêndice B.1 Extrapolação Os valores obtidos podem ser extrapolados observando o mesmo grau de confiança para um número maior de lâmpadas. Tomando por exemplo (mil) LFC com as mesmas características, resultariam nos seguintes intervalos: 20,07 < μ < 20,82 [kw] 27,06 < μ < 28,14 [kvar] 33,81 < μ < 34,90 [kva] Apêndice B.2 Tamanho da amostra Uma vez adotando a amostra finita, os valores encontrados refletem a média e desvio desta população. Fixando o tamanho da população em (mil) LFC, obtém-se o tamanho da amostra. Para potência ativa, o melhor caso, obtém-se os resultados sumarizados no Quadro :

123 122 Quadro A1 Tamanho da amostra adotando o critério da potência ativa. desvio (σ) 1 W Adotado erro (e) 0,4 Adotado z (95% conf) 1,96 Calculado tamanho da população Adotado tamanho amostra (n) 23,47 Calculado Amostras (unidades) 24 Arredondado para acima E para a potência aparente (pior caso) os resultados estão sumarizados no Quadro A2. Quadro A2 Tamanho da amostra adotando o critério da potência aparente. desvio (σ) 1,5VAr Adotado erro (e) 0,55 Adotado z (95% conf) 1,96 Calculado tamanho da população Adotado tamanho amostra (n) 28,07 Calculado Amostras (unidades) 29 Arredondado para acima Em ambas as situações, utilizou-se a equação (55) para a população e amostra finitas. Nota-se que os valores utilizados para o erro e o desvio foram tomados como base nas amostras do experimento realizado. Para valores mais restritivos de erro e desvio, um número maior de amostras será necessário. Como a intenção é averiguar se o tamanho da amostra é coerente, os cálculos indicam que o número de amostras está dentro do esperado. Portanto, como o número de amostras utilizado foi menor do que 30, dado as restrições impostas, os valores estão coerentes para o experimento realizado. Apêndice B.3 Conclusão Se selecionado muitas amostras de 30 LFC de mesmo modelo, marca e potência disponíveis no mercado e construído um intervalo de 95% de confiança para cada amostra, estes 95% dos intervalos conteriam as seguintes médias populacionais μpat = 20,44 ± 0,38 W; μpr = 27,60 ± 0,54 VAr; e μpap = 34,36 ± 0,55 VA. Para extrapolação de N lâmpadas, basta multiplicar pelos valores médios e erro associados a medidas apresentadas (N [μ xx ± e]) Para população finita (N) e pequenas amostras (n < 30), com distribuição desconhecida não há sentido em calcular o tamanho da amostra. No entanto, para uma

124 123 população finita, grandes amostras, restrições de erro e desvio padrão estimados e adotado grau de confiança do intervalo da medida, o tamanho da amostra utilizada é adequada.

125 124 ANEXOS ANEXO A ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DE ALGUNS DOS MATERIAIS UTILIZADOS Anexo A.1 Varímetro Os dados coletados do Varímetro (Figura A3) utilizado para medir reativo entre as cargas (indutores e LFC) no experimento e o barramento são descritos abaixo: Varímetro Marca: Engro Modelo: Tipo: Analógico Capacidade de medição 01: 120V VAr Capacidade de medição 02: 240V VAr Frequência nominal: 60Hz Tensão de isolação: 02 2kV Operação: Corrente Alternada Posição: Horizontal Sistema: Eletrodinâmico com bobinas Classe de Precisão: 0,5 Figura A3 Varímetro utilizado no experimento. Fonte: O Autor. Anexo A.2 Watímetro Os dados coletados do Wattímetro (Figura A4) utilizado para medir reativo entre as cargas (indutores e LFC) no experimento e o barramento são descritos abaixo: Wattímetro Marca: Engro

126 125 Modelo: Tipo: Analógico Capacidade de medição 01: 120V W Capacidade de medição 02: 240V W Frequência nominal: Hz Tensão de isolação: 02 2kV Operação: Corrente Alternada Posição: Horizontal Sistema: Eletrodinâmico com bobinas Classe de Precisão: 0,5 Figura A4 Wattímetro utilizado no experimento. Fonte: O Autor. Anexo A.3 LFC Os dados coletados da LFC utilizada nos experimentos (Figura A5) são descritos abaixo: Lâmpada Fluorescente Compacta Potência nominal: 20W Comprimento: 161mm Largura: 50mm Marca: Sylvania Modelo: Mni-lyns Tripla Vida Mediana: 8.000h Fluxo Luminoso: 1190 lm Eficiência: 60 lm/w Corrente: 242mA Tensão: V Cor (tonalidade): 6500K IRC: 80% Frequência: 50-60Hz Temperatura máxima: 70 o C Temperatura operação: Ta=05 o C a 45 o C

127 126 THD (%) 150 F.P.: >0,5 Tempo para atingir 80% do fluxo nominal: 40s Código: F5G542 Codigo da base: TS018 Made in China Figura A5 LFC Sylvania utilizada no experimento. Fonte: (SYLVANIA, 2010) Anexo A.4 Indutor Os dados coletados do indutor (Figura A6) utilizado para conexão com as LFC no experimento são descritos abaixo: Indutor Dados de Placa Marca: Ultra Sinus Entrada Indutância: 1240mH Entrada Corrente: 0,5A Nº A CGC / Industria Brasileira. Figura A6 Indutor utilizado no experimento. Fonte: O Autor.

128 127 Anexo A.5 Disjuntor Os dados coletados do disjuntor (Figura A7) utilizado para seccionar a conexão entre os indutores e as LFC no experimento são descritos abaixo: Disjuntor Marca: JNG Modelo do corpo: Minidisjuntor Padrão DIN DZ47-63 Corrente: 25A Tipo: Trifásico Código Padrão: C25 400V~ Coódigo do fabricante: 2875J105 Código de barra do produto: Figura A7 Disjuntor utilizado no experimento. Fonte: O Autor. Anexo A.6 Reator AFP caso LFT Os dados coletados do reator (Figura A8Figura A7) utilizado para a ligação em bancada de laboratório no experimento com as LFT são descritos abaixo: Reator AFP Marca: INTRAL Reator Eletrônico Bivolt AFP para 2 (duas) LFT de 32W tipo T8 Código de Barra: Modelo: POUP 2x32 AFP

129 128 Figura A8 Reator AFP utilizado no experimento caso LFT. Fonte: O Autor. Dados de Placa (Tabela A2): Tabela A2 Dados de placa do reator AFP do caso LFT. 127V 220V I (A) 0,64 0,32 THD 10% 10% POT (W) 65 F POT 0,97C Fonte: (INTRAL, 2013) Anexo A.7 Reator AFP caso Home Center F.F.L. = 1.0 t a = 5..50ºC t c = 75ºC 50/60 Hz Os dados coletados do reator (Figura A9) das lâmpadas nas medições das LFT no Home Center são descritos abaixo: Reator AFP Marca: INTRAL Reator Eletrônico Alto Fator de Potência para 2 (duas) LFT de 110W tipo T8 Tensão 220V Código de Barra: Modelo: POUP HO 2x110 AFP Figura A9 Reator AFP encontrado na medição do caso Home Center. Fonte: O Autor. Dados de Placa (Tabela A3):

130 129 Tabela A3 Dados de placa do reator AFP do caso Home Center. 220V I (A) 0,94 THD(%) 10 POT (W) 205 F POT(λ) 0,99 Fonte: (INTRAL, 2013) F.F.L. = 0.9 t a = 5..50ºC t c = 70ºC 50/60 Hz

131 130 ANEXO B ESTATÍSTICA USADA NAS LFC Anexo B.1 Intervalo de Confiança para Pequenas Amostras De posse de um lote de 30 unidades de LFC (veja Anexo A.3 LFC) e por observação no local, partiu-se da hipótese que estas LFC possuem tempo de vida similar, tendo em vista que são da mesma marca, possuem o mesmo lote de fabricação e, geralmente, não são ligadas em separado por longos períodos de tempo. Para estimar o verdadeiro valor da média da população de posse apenas da média de uma amostra, parte-se do princípio que a estimativa intervalar da média populacional se baseia na hipótese de que a distribuição amostral das médias amostrais é normal. Para grandes amostras isto não apresenta dificuldade especial, pois se aplica o teorema do limite central, como apresentado na equação (48) μ = x ± zσ X (48) Onde: μ: estimativa intervalar de confiança populacional; x : média da amostra; z: desvio padrão amostral; e σ X : desvio padrão da população. Lembrando que desvio padrão da população é dado pela equação (49): σ X = σ (49) n Onde: σ X : desvio padrão da população; σ: desvio padrão; e n: tamanho da amostra. Se o desvio padrão da população é desconhecido, pode-se utilizar a equação (50) Onde: μ = x ± z. s x n μ: estimativa intervalar da média populacional; x : média da amostra; z: desvio padrão amostral; s x : desvio padrão da amostra; e n: tamanho da amostra. (50)

132 131 Sendo assim, usa-se a equação (50) quando o desvio padrão da população não é conhecido, o desvio padrão da amostra é utilizado como estimativa, substituindo-se x por s x nas equações. Isto não acarreta maiores problemas, pois o desvio padrão amostral dá uma aproximação bastante razoável do verdadeiro valor, na maioria dos casos. Todavia, para amostras de 30 ou menos observações, é importante saber se a população tem distribuição normal ou aproximada. Adicionalmente, pelo teorema do limite central, quando a amostra é maior que 30, a distribuição das médias é aproximadamente normal. Para amostras menores que 30, a aproximação normal não é adequada. Deve-se usar a distribuição t de Student para estes casos. A forma da distribuição t é bem parecida com a normal. A curva t apresenta a probabilidade de ocorrer um evento a t desvios padrão da média (para mais ou para menos). Os valores de t (valores correspondentes à área sob a curva nas caudas) são tabelados e dependem de dois fatores: n-1 = graus de liberdade e grau de confiança desejado (1- α). Sendo assim para amostras iguais ou menores que 30 onde não se tem uma certeza de aproximação normal, usa-se a equação (51): Onde: μ = x ± t n 1, α 2 s x n (51) μ: estimativa intervalar de confiança populacional; t α n 1, : distribuição student para n graus de liberdade e grau de confiança α; 2 s x : desvio padrão da amostra; e n: tamanho da amostra. O t α n 1, pode representado como Z α/2 e visualizado na Figura A10. 2 Figura A10 Representação do intervalo de confiança. Fonte: baseado em (NAVIDI, 2012).

133 132 Anexo B.2 Tamanho da Amostra O tamanho da amostra influencia no erro de amostragem, pois se a amostra empregada for muito pequena, a margem de erro será grande, o que impossibilita ou inviabiliza a tomada de decisão. No entanto, se a amostra empregada for grande demais, o intervalo obtido poderia ser menor do que o necessário, o que resultaria em gastos desnecessários testando as amostras. Para amostras finitas e população infinita, utiliza-se a segunda parte da equação (50), que nada mais é que o erro de estimativa, conforme equação (52). Onde: e: erro de estimativa; z: desvio padrão amostral; e = z. s x n s x : desvio padrão da amostra; e n: tamanho da amostra. Isolando o n na equação, e considerando que desvio padrão da amostra s x é muito próximo do desvio padrão populacional σ, o tamanho da amostra é expresso na equação (53). Onde: n: tamanho da amostra. z: desvio padrão amostral; n = (z. s x e ) 2 s x : desvio padrão da amostra; e e: erro de estimativa. Como muitas vezes o desvio padrão populacional σ é desconhecido, neste caso utilizase o erro e (erro de estimativa), como múltiplo ou fração do desvio padrão, p.ex., e = 2σ ou e = σ/4. Dessa forma na equação (53) o parâmetro σ, ou neste caso s x é eliminado da expressão. Lembrando que equação (53) é valida para uma população que segue a tendência de uma distribuição normal, a amostra é finita e maior que 30. Teorema do Limite Central garante que amostras maiores do que 30 são normais, independentemente do formato da distribuição de probabilidade da população da qual está sendo retirada a amostra. (52) (53)

134 133 Para população finita (N), basta levar em conta um fator de correção, conforme expresso na equação (54) do erro. e = z. s x n N n N 1 (54) Onde: e: erro de estimativa; z: desvio padrão amostral; n: tamanho da amostra; N: tamanho da população; s x : desvio padrão da amostra; e Neste caso obtém-se o tamanho da amostra conforme apresentado na equação (55). Onde: n = e: erro de estimativa; z: desvio padrão amostral; n: tamanho da amostra; N: tamanho da população; σ: desvio padrão; e s x : desvio padrão da amostra; e z 2. σ 2. N e 2. (N 1) + z 2. σ 2 (55) Desta forma, obtém-se o tamanho de uma amostra (n), dado um erro admissível (e), desvio padrão estimado (σ) e o grau de confiança do intervalo da medida (associado a z) para uma população finita (N). Para população finita (N) e pequenas amostras, com distribuição desconhecida não há sentido em calcular o tamanho da amostra. O resultado do uso destes conceitos é apresentado em Apêndice B Resultados da Estatística Usada nas LFC.