Efeito Harmônico da Associação de Lâmpadas Fluorescentes Compactas Luiz Otavio Lopes, Antônio Marcos Estrela Pereira, Márcio Zamboti Fortes, Adriano Pinheiros Fragoso e Geraldo Martins Tavares Universidade Federal Fluminense (UFF), Niterói, RJ, Brasil Resumo O presente trabalho visa analisar a compensação da Distorção Harmônica Total THD - (Total Harmonic Distortion) causado pela associação de grandes quantidades e diferentes modelos de lâmpadas fluorescentes compactas LFC s na rede de energia elétrica. Esses equipamentos eletrônicos possuem fontes chaveadas e acabam gerando múltiplas frequências, causando impactos negativos na rede elétrica das concessionárias e clientes. Todavia, quando analisado em grandes quantidades, verifica-se que os impactos acabam se atenuando, fato esse que não ocorre observando uma lâmpada individualmente. Palavras-chaves Distorção Harmônica Total, Lâmpadas Fluorescentes Compactas, Qualidade de Energia Elétrica. I. INTRODUÇÃO A massiva divulgação e aplicação de lâmpadas fluorescentes compactas (LFC s) em substituição a outras tecnologias de iluminação para redução de consumo têm levado diversos grupos de pesquisa a analisar o efeito desta inserção na rede de distribuição. As preocupações incluem, em especial, o efeito da distorção harmônica total na rede (ponto de conexão), como reportado em []-[], que pode ter como impactos, atuação da proteção sem identificação característica, efeito flicker, aumento de perdas por efeito joule em condutores, aumento do consumo de reativos, entre outros. Todos os efeitos descritos atuam diretamente para a redução da qualidade de energia vista pelo equipamento alimentado e redução da eficiência energética dos sistemas conectados. Estudos avaliando o impacto de LFC s são vários com diferentes softwares de simulação, como: PSCAD []-[]-[], Matlab [], DigSilent [], entre outros. Não se deve esquecer de citar os estudos referentes a análises por simulação do circuito eletrônico das LFC s procurando melhorar a performance do equipamento frente a parâmetros como distorção harmônica de corrente e fator de potência. Nestas análises pode se utilizar o software SPICE como em []. Outras preocupações dentro do contexto de substituição massiva dos sistemas de iluminação convencionais para LFC s são: meio ambiente e impactos []; a educação e conscientização da aplicação da tecnologia [0]; o uso de LFC e LED e aspectos econômicos comparando as tecnologias [], o ciclo de vida dos novos equipamentos [], entre outras. O uso de laboratórios de luminotécnica que possuem grande capacidade de pontos de teste é uma das alternativas para avaliar estes impactos e características específicas das lâmpadas. A Universidade Federal Fluminense (UFF), que possui um laboratório para esta finalidade, tem realizado trabalhos nesta linha de estudo, como os reportados em []- []-[]. Tomando-se como base as recomendações e normas relacionadas ao tema []-[]-[], este artigo apresenta algumas considerações sobre o uso de LFC s conectadas em paralelo e a minimização do impacto do conteúdo harmônico a rede de distribuição. II. CARACTERIZAÇÃO DOS ENSAIOS A. Caracterização do ambiente do estudo As medições deste trabalho foram realizadas nas instalações do Laboratório de Luminotécnica da Universidade Federal Fluminense LABLUX. O ambiente de medição possui uma estrutura que disponibiliza 0 kva de potência para a energização de LFC s e equipamentos sofisticados de medição. O laboratório dispõe de salas com.000 pontos para ensaios, com tensão estabilizada em ±% da tensão da nominal, com controle de temperatura. Esses pontos são distribuídos em grupos para controle de tempo e otimização da operação do laboratório. B. Descrição do objeto de medição Para produzir uma iluminação de qualidade, as LFC s possuem reatores operando em altas frequências, que variam entre khz-0khz. Tais frequências produzem distorções harmônicas na rede. Isso já é sabido e é um grande tópico destacado nos estudos de LFC s. Este trabalho visa analisar como o aumento da carga, em forma de lâmpadas, age na geração das harmônicas. Outro ponto destacado é o baixo fator de potência destes dispositivos, algumas vezes compensados pelos fabricantes devido à exigência de normas nos países onde os produtos serão aplicados. C. Esquema de ligação das Medições Para a avaliação no Laboratório utilizou-se um Analisador de Energia, classe A, com exatidão de 0,%, que possibilita a identificação dos conteúdos harmônicos de ordem a. Ajustou-se um período de integração de 00 ms e aquisição
de dados com intervalos de alguns minutos entre cada medição, para avaliar os efeitos de variações de carregamento dos circuitos decorrentes das operações de ligar os conjuntos de lâmpadas em teste. As medições foram feitas nos condutores localizados na entrada do quadro de distribuição e calculadas considerando os índices das harmônicas detectadas (). Onde representam o valor eficaz das harmônicas de ordem,,...,n (distorção harmônica total de corrente, i ). texto, iremos descrever somente destes resultados, mas a análise final será considerando as medidas. No apêndice I esta apresentada uma tabela com mais detalhes e informações dos grupos e medições. Na Medição será alimentado somente o circuito do grupo. A Fig. mostra a distorção harmônica da fase A e a Tabela II os percentuais de cada harmônico. Neste ensaio, a corrente rms encontrada foi, A e a distorção harmônica de corrente ( i ) de 0,%. () A alimentação dos quadros foi realizada por fonte conectada em Y aterrada e utilizou-se a conexão representada na Fig. no analisador de qualidade de energia para registro dos dados. Fig. Esquema de conexão do analisador. As salas de sazonamento são dividas em grupos, cada grupo corresponde a algumas dezenas de pontos de luz, onde são ensaiadas as lâmpadas que foram utilizadas para a realização das medições. Cada grupo, pela dinâmica do laboratório, apresenta um número diferente de lâmpadas com potências diversas, assim as cargas foram aumentadas adicionando grupo a grupo até a maior carga possível disponível no laboratório, durante os ensaios deste trabalho. A apresentação dos valores das cargas em seus respectivos grupos se encontra na Tabela I. As cargas foram divididas em grupos, conforme registrado. TABELA I. TABELA DOS GRUPOS Grupos Potência (W) Quantidade de lâmpadas 0 0 0 0 0 0 00 0 0 Fig.. Valores das distorções harmônicas na medição. TABELA II.Percentuais dos harmônicos na Medição,,,,,0,0 0, 0, 00, 0,,,,0,,,0,0,,,, 0, 0, Na Medição serão alimentados os circuitos dos grupos e. A Fig. mostra a distorção harmônica da fase C e a Tabela III os percentuais de cada harmônico. Neste ensaio, a corrente rms encontrada foi, A e a distorção harmônica de corrente (i) de,%. Fig.. Valores das distorções harmônicas na Medição. TABELA III.Percentuais dos harmônicos na Medição,,,,,, 0,0 0, 00,,,,0,,,, 0,,,, 0,,0 Na Medição serão alimentados os circuitos dos grupos ao. A Fig. mostra a distorção harmônica da fase A e a Tabela IV os percentuais de cada harmônico. Neste ensaio, a corrente rms encontrada foi, A e a distorção harmônica de corrente (i) de 0,0%. III. ENSAIOS Foram realizados cenários de medições diferentes, inserindo-se um novo grupo a cada nova medição. Neste Fig.Valores das distorções harmônicas na Medição. Na Medição serão alimentados os circuitos dos grupos ao. A Fig. mostra a distorção harmônica da fase B e a
Tabela V os percentuais de cada harmônico. Neste ensaio, a corrente rms encontrada foi,0 A e a distorção harmônica de corrente (i) de,%. TABELA IV. Percentuais dos harmônicos na Medição,, 0,,,, 0, 0, 00,,,,, 0,,,,0,,,,,,0 Fig. Valores das distorções harmônicas na Medição. TABELA V.Percentuais dos harmônicos na Medição., 0,,,0,,, 0, 00,,,,,, 0,,,, 0, 0,, 0,, TABELA VII. RESULTADOS DAS MEDIÇÕES GRUPO A GRUPO. Medição Soma das lâmpadas Soma Potências grupos (W) fase A fase B fase C 0 0..0.. 0..0.0.... 0. 0 0 0 0 0 TABELA VIII. FP DAS FASES EM CADA MEDIÇÃO Medição FP. - Fase A FP.-Fase B FP.-Fase C 0 0, 0, 0, 0, 0,0 0, 0, 0,0 0,0 0, 0,00 0, 0,0 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,0 0,0 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,0 0,0 0,00 O gráfico da Fig. ilustra o comportamento e a melhoria do fator de potência nas três fases do sistema com o incremento de cargas (aumento de lâmpadas em medição). Na Medição serão alimentados os circuitos dos grupos ao. A Fig. mostra a distorção harmônica da fase B e a Tabela VI os percentuais de cada harmônico. Neste ensaio, a corrente rms encontrada foi, A e a distorção harmônica de corrente (i) de,%. Fig. Comportamento do fator de potência com ao aumento das cargas. Fig. Valores das distorções harmônicas na Medição. TABELA VI. Percentuais dos harmônicos na Medição 0,,0,,,, 0, 0, 00, 0,0,,, 0, 0,,, 0,,,,,, Na Fig. tem-se a representação da Distorção Harmônica Total de Corrente com o incremento de cargas (aumento de lâmpadas em medição). A. Tratamento das medições Ao final de todas as medições foi possível a criação de uma Tabela (Tabela VII) com medições e a elaboração de um gráfico em que fica clara a mudança nos valores de para cargas maiores. Deve-se observar também uma melhoria no fator de potência verdadeiro (FP), visto no ponto de medição e com dados representados na Tabela VIII. Fig.. Gráfico de Corrente e N de Lâmpadas ligadas por i. Na Fig. está representada, a título de exemplo, a forma de onda de corrente na medição com grupos.
Fig.. Exemplo da forma de onda da corrente. II. OBSERVAÇÕES FINAIS Neste estudo identificou-se que algumas afirmativas, quanto à aplicação massiva de LFC s, devem ser reavaliadas. Em especial, referente ao tópico que quanto maior o número de lâmpadas LFC s instaladas, maior será a distorção harmônica total de corrente e pior será o fator de potência. O que os ensaios demonstraram é que esta afirmativa dependerá da qualidade das LFC s aplicadas e do mix de fornecedores. Nos ensaios realizados com. unidades de diversas potências e diferentes fabricantes, percebeu-se uma redução das distorções harmônicas e melhoria do fator de potência global. Desta forma, as afirmativas até agora difundidas na literatura devem ser reavaliadas, visto que os fabricantes estão melhorando a qualidade de seus produtos, os países estão normatizando e qualificando os produtos a serem comercializados e os filtros aplicados individualmente têm se mostrado eficazes. Outro ponto importante a se destacar é o modelo utilizado nas simulações de aplicações massivas de LFC s. Estes devem ser baseados em medições reais e nas simulações devem ser, também, considerados projetos de potências diferentes com características próprias a cada potência, que é o cenário que mais se aproxima do real. [] A.M.Blanco, E.E.Parra, Effects of High Penetration of CFLs and LEDs on the distribution networks, Proceedings of th International Conference on Harmonics and Quality of Power, pp.-, 0. [] P. Van Vugh, R.B.Timens, I.S.Stefano, F.B.J.Leferink, F.G.Canavero, Experimental characterization of CFL bulbs for power quality assessment, Proceedings of IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, pp.-,. [] F.P.Vahl, L.M.S.Campos, N. Cassaroto Filho, Sustainability constraints in techno-economic analysis of general lighting retrofits, Energy and Buildings, vol., pp.00-0,. [0] A. Kumar, S.K. Jain, N.K. Bansal, Disseminating energy-efficient technologies: a case study of compact fluorescent lamps (CFLs) in India, Energy Policy, vol., pp.-, 0. [] F. Salata, A.L.Vollaro, A.Ferraro, An economic perspective on the reliability of lighting systems in buildings with highly efficient energy: A case study, Energy Conversion and Management, vol., pp.-,. [] P. Principi, R. Fioretti, A comparative life cycle assessment of luminaries for general lighting for the office compact fluorescent (LFC) vs. Light Emitting Diode (LED) a case Study, Journal of Cleaner Production, vol., pp.-0,. [] J.E.V.Fassarela, M.Z.Fortes, A.P.Fragoso, G.M.Tavares, Analysis and Suggested Solution of Power Quality Problems in Lighting Laboratory, IEEE Latin America Transactions, vol., no., pp.0-0,. [] M.Z. Fortes, A.M.E.Pereira, A.P.Fragoso, G.M.Tavares, Avaliação de LFC s nos Limites de Tensão do PRODIST, Engevista, v., no., pp.-,. [] M.Z. Fortes, J.E.V.Fassarela, A.P.Fragoso, G.M.Tavares, O Uso do Laboratório de Luminotécnica para Estudos de Qualidade de Energia, Revista de Ensino de Engenharia, vol., no., pp.-,. [] IEEE Power and Energy Society, IEEE Standard - IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems,. [] ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica, Procedimento de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional PRODIST, Módulo - Qualidade de Energia, 0. [] IEC, IEC Standard 000--0, Testing and measurement techniques Power quality measurements methods, 0. III. REFERÊNCIAS []R.A. Jabbar, M.Al-Dabbagh, A.Muhammad, R.H.Khawaja, M.Akmal, M.R.Arif, Impact of Compact Fluorescent Lamp on Power Quality, Proceedings of Australasian Universities Power Engineering Conference AUPEC 0, pp.-, 0. [] M.K.Richard, P.K.Sen, Compact Fluorescent Lamps and Their Effects on Power Quality and Application Guidelines, Proceedings of 0 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, pp.-, 0. [] K.D.A.Munasinghe, S.G. Abeyratne, Power Quality and Harmonic Loads, Proceedings of st International Conference on Industrial and Information Systems, pp. -, 0. [] P.N.Korovesis, G.A.Vokas, I.F.Gonos, F.V.Topalis, Influence of Large- Scale Installation of Energy Saving Lamps on the line Voltage Distortion of a Weak Network Supplied by Photovoltaic Station, IEEE Trans. on Power Delivery, vol., no., pp.-, 0. [] V. George, A. Bagaria, P. Singh, S.R.Pampattiwar, S.Periwal, Comparision of CFL and LED Lamp Harmonic Disturbance, Economics (Cost and Power Quality) and Maximum Possible Loading in a Power System, Proceedings of International Conference and Utility Exhibition on Power and Energy Systems: Issues & Prospects for Asia, pp.-,. [] A.F.H. Nohra, H.Y. Kanaan, K. Al-Haddad, A Study on the impact of a Massive Integration of Compact Fluorescent Lamps on Power Quality in Distribution Power Systems, Proceedings of International Conference on Renewable Energies for Developing Countries, pp. -,.
APÊNDICE-- CARACTERIZAÇÃO DOS GRUPOS COM QUANTIDADE E POTÊNCIAS DAS LÂMPADAS. LFC(W) Grupos 0 0 0 Potência total (W) 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0