Jornadas Técnicas de Eletrotecnia Aspetos Gerais da Qualidade de Energia

Universidade Algarve I.S.E. Dep. Engenharia Eletrotécnica Jornadas Técnicas de Eletrotecnia Aspetos Gerais da Qualidade de Energia 7 de Novembro de 2012 José Caçote jose.cacote@qenergia.pt

Conteúdos Normas internacionais NP EN50160 Aplicações Casos práticos

Normas Internacionais Normas IEEE IEEE 1159 Definições e guia IEEE 1459 Técnico desequilíbrio, harmónicas IEEE 519 Limites das harmónicas

Normas Internacionais SEMI F47, SEMI E6 semicondutores ANSI (American National Standards Institute) CE and RoHS Comunidade europeia CBEMA, ITIC IEC 61010 Segurança em equipamentos IEC 61000 series compatibilidade entre a carga e a rede IEC 61000-4-30 metodos de medida PQ

A energia elétrica é um produto e, tal como todos os produtos, deve satisfazer determinados requisitos e padrões de qualidade. Para um equipamento funcionar corretamente, deverá ser-lhe fornecida uma tensão que seja enquadrada nos requisitos do equipamento. A maior parte dos equipamentos utilizados hoje em dia, especialmente dispositivos com eletrónica, requerem uma boa qualidade de energia. Ọs próprios equipamentos de uma instalação causam distorção da onda de tensão devido às suas caracteristicas não lineares, isto é, introduzem na instalação correntes não sinusoidais que interferem com a onda de tensão De forma a manter uma qualidade de energia satisfatória, a responsabilidade deverá ser repartida pelo fornecedor de energia e pelo utilizador. Normas aplicáveis à qualidade de energia

Normas aplicáveis à qualidade de energia A norma NP EN 50160 é a versão portuguesa da norma Europeia EN 50160: 1994. Tem por objetivo definir e descrever os valores que caracterizam a tensão de alimentação, tais como: Frequência Amplitude Forma de onda Simetria das tensões trifásicas

Normas aplicáveis à qualidade de energia NP-EN 50160 Características da tensão fornecida pela redes geral de distribuição - 7 -

NP-EN 50160 Introdução Frequência Simetria Amplitude Forma de onda Indica os limites ou valores das características da tensão que todos os clientes têm de esperar - 8 -

NP-EN 50160 Características da alimentação em baixa tensão Perturbação Medida Limites Percentagem de medidas Intervalos dentro de limites de avaliação durante o intervalo Frequência Variações da tensão Média da frequência de cada ciclo durante 10 s Média da VAC de cada ciclo durante 10 min. ±1% 99,5% ano +4%/-6% 100,0% ±10% 95% cada semana +10%/-15% 100,0% Variações rápidas da tensão Número de eventos tipo escalão de tensão até 10% de U N Indicação 1 Severidade da tremulação P lt (2 horas) <1 cada semana 95% Cavas de tensão Número de eventos (com U < 0,9U N ) Indicação 2 Interrupções curtas da tensão Número de eventos (com U <0,01U N e t < 3 min.) Indicação 3 Interrupções longas da tensão Número de eventos (com U <0,01U N e t > 3 min.) Indicação 4 Sobretensões (50 Hz) Número de eventos (com U>1,1U N e t>10 ms) Indicação 5 Sobretensões transitórias Número de eventos (com U>1,1U N e t<10 ms) Indicação 6 Desequilíbrio da tensão Média de U inv /U dir de cada ciclo durante 10 min. <2% Tensão harmónica Para cada harmónica i, média da U i /U N em cada ciclo durante 10 min. Ver tabela 1 cada semana 95% Média do THD da tensão referenciada a U N em cada ciclo durante 10 min. <8% Tensão interharmónica Por estudar Transmissão de sinais Tensão eficaz do sinal transmitido médio em 3 s Ver gráfico 1 cada día 99% ano - 9 -

NP-EN 50160 Características da alimentação em baixa tensão Nº Indicação 1 Escalões de 5% de U N são normais. Escalões de 10% de U N podem-se produzir várias vezes ao dia. 2 De 10 a 1.000. A maioria duram menos de 1s e têm uma profundidade inferior a 60% de U N 3 De 10 a 1.000. 70% das interrupções duram menos de 1 s 4 De 10 a 50 5 Normalmente não ultrapassam 1,5 kv AC 6 Normalmente não ultrapassam 6 kv de crista - 10 -

NP-EN 50160 Exemplos de limites na NP-EN 50160 2.1 Variações do fornecimento da tensão Para cada período de uma semana, 95% dos valores eficazes da tensão médios de 10 minutos devem situar-se no intervalo U n ± 10% Para todos os períodos de 10 min, todos os valores médios de valor eficaz da tensão devem situar-se no intervalo Un +10%/-15% - 11 -

NP-EN 50160 t = 5 min Exemplos de limites A B 95% 95% 230 V 95% T = 100 min 1,6 horas 5% 0% Durante o tempo T: - 100% das medidas dentro do limite A - 95% das medidas dentro do limite B Logo a soma dos tempos t i em que o registo excede o limite B (sem exceder nunca o A), não pode ser superior a 95% de T - 12 -

NP-EN 50160 Sistemas de ligação - 13 -

Perturbações de energia Sintomas Falhas de energia Disparo de disjuntores e diferenciais Súbito aumento da fatura de energia sem causa aparente Tremulação das lâmpadas Aquecimento de equipamentos e funcionamento ruidoso Falhas de equipamentos Baixa de rendimento e paralisações inesperadas Perdas de dados em dispositivos eletrónicos ( ) Descargas atmosféricas Impedância das linhas Cargas Utilizadores

Perturbações de energia Causas Cavas de tensão Interrupções momentâneas Sobretensões Variações de frequência Transitórios Distorção harmónica Flicker Oscilações de tensão

Perturbações de energia O que provoca as falhas? Bugs de Software? Ligações incorretas? Erros humanos? Temperatura? Humidade? Falhas de alimentação? Etc.. Etc Ou será deficiência na tensão de alimentação? É NECESSÁRIO MEDIR E VERIFICAR!!

Perturbações de energia Como Eliminar as falhas? Regulador de tensão? UPS? Estabilizador de tensão? Transformador de isolamento? Transformador com fator K? Efetuar testes e certificações? Blindagem? Etc.. Etc É NECESSÁRIO MEDIR E VERIFICAR!!

Perturbações de energia A quem atribuir responsabilidade pelas falhas? Fornecedor de energia? Própria instalação? Problema local? Falhas dos equipamentos? Cabos soltos? Curto-circuitos? Erros humanos? Temperatura? Humidade? É NECESSÁRIO MEDIR E VERIFICAR!!

Perturbações de energia Porque não se resolvem os problemas de qualidade de energia? Porque estes são provocados por falhas e acidentes

Perturbações de energia E vão sempre existir falhas e acidentes

Perturbações de energia Os custos de uma má qualidade de energia podem se bastante significativos Produção: Cada vez que a produção é interrompida, os produtos não são fabricados; não podem ser vendidos Perdas de proveitos Danos no produto: Interrupções podem causar danos parciais ou completos nos produtos correspondendo a prejuízos. Custos com a energia: Os fornecedores de energia cobram por baixos fatores de potência e altos valores de pico. Manutenção: Falhas prematuras nos equipamentos causam alocação de recursos incorrendo em custos na resolução dos problemas e restauro de produção. Impacto de mercado: Os custos de uma má imagem devido a atrasos de entrega de um produto ou má qualidade dos mesmos podem ser significativos.

Perturbações de energia Porque necessito de um equipamento com grande precisão? Poupança de energia de +/-5% Um erro de 1% corresponde a 20% do valor de poupança! Energia limpa A precisão da medida é um fator fundamental.

Perturbações de energia Porque necessito de um equipamento com grande precisão? 61000-4-30 - Classe A é importante! 2 instrumentos ligados ao mesmo sinal devem devolver o mesmo resultado!

Perturbações de energia Formas de medir

Aplicações PQube Equipamentos industriais - O tamanho e o preço são perfeitamente adequados para instalação diretamente nos quadros. - Retorno do investimento de curta duração devido aos serviços ou danos evitados. - Monitorização de energia Definição de estatísticas, falhas de motores - Fácil instalação sem necessidade de software, com ou sem rede de comunicação

Aplicações PQube Equipamentos medicina Perfeito para equipamentos de grande sensibilidade Hospitais e clínicas Deteta qualquer perturbação que possa afetar o correto funcionamento de cargas sensíveis Parques eólicos Ligação direta a 690V; Monitoriza a estabilidade da rede AC e do barramento DC Parques fotovoltaicos Monitorização dos dois lados do inversor; Fornece dados de compatibilidade de rede Telecom e datacenters Ligação direta à rede AC ou a 48VDC; Medição T e RH; Transportes Monitoriza problemas de harmónicas dos retificadores; ideal para discussão de dados junto do fornecedor de energia; Vasta gama de frequências para geradores dos navios

Aplicações PQube Aeroportos Redução de chamadas de manutenção Bases militares ou embaixadas Relatórios de consumos e qualidade de energia em qualquer língua Universidades - Captura de qualquer perturbação de rede; Dados detalhados e estatísticas de dezenas de parâmetros em ficheiro CSV adequado para programas de análise Laboratórios Monitorização de parâmetros que podem danificar equipamentos de grande sensibilidade Plataformas Off Shore Monitorização do funcionamento de geradores, UPS ou quadros de alimentação de cargas sensíveis Indústria Monitorização da alimentação das salas de controlo Estações de tratamento Controlo da energia para garantir o funcionamento doas bombas, variadores de velocidade, etc

O que distingue o PQube? Sem necessidade de software. Sem licenças. Totalmente aberto Para utilizar o PQube apenas necessita de um editor de texto, browser da web ou um programa como o excell. Fácil de compreender Olhando para a informação disponibilizada pelo PQube não necessita de perder muito tempo para aprender acerca do PQube para ver o que quer. Uptadtes de firmware grátis De tempos em tempos são oferecidas actualizações para adicionar ao seu PQube algumas funcionalidades. Totalmente gratuitas. Trabalha por si Para utilizar o PQube apenas necessita de o ligar à rede e começará a gravar imediatamente. Funciona com ou sem rede Caso tenha rede Ethernet pode utilizar o módulo opcional ETH1 e receba e-mails quando ocorra um evento, procure os eventos gravados e analise as tendências. Caso não tenha rede Ethernet, o PQube grava todos os eventos em cartão SD.

O que distingue o PQube? Armazena anos de dados O PQube inclui um cartão SD de 4GB com o qual é possível gravar aproximadamente 3 anos de dados Tamanho compacto O PQube tem dimensões reduzidas o que permite uma fácil integração nos quadros eléctricos. Baixo custo A Power Standards Lab, apresentam-se como especialistas em sensores de potência para edifícios. Sabem como fazer bons produtos a baixo custo para o utilizador. Ferramenta global Qualidade de energia, cavas, sobretensões, variações de frequência, impulsos a alta frequência, energia activa, energia aparente, carbono. Dados diários, semanais e mensais. Vários equipamentos num só.

PQube

Variações de tensão Tensão rms [%] U N Sobretensão 110% 100% 90% Cava Interrupções Interrupção de curta duração Interrupção longa duração 1% 10 ms 1s 1 min 3 min 1 h t 0%

Variações de tensão Cava de tensão Duração: 0.542 seg Profundidade: 66,77 %

Variações de tensão Sobretensão Duração: 0.020 seg Amplitude: 117,45%

Flicker - Tremulação Flicker is the effect produced on the visual human perception by a changing emission of light by lamps subjected to fluctuations of their supply voltage. Modulação 8,4Hz 50 Hz (CEI 61000-4-15) 15) P st : Curta duração(10 min) : Longa duração(2 hrs) P lt

Variações de tensão Case study Problema: Queixas acerca de tremulação da iluminação num resort de ski É feita uma análise da onda de tensão que aparentemente não apresenta anomalias É contactado o fornecedor de energia que efetua uma análise no ponto de entrega O ponto de entrega é ao fundo da colina e não no edifício

Variações de tensão Case study Problema: A medição revelou algumas cavas sem significado com profundidade bastante baixa e não frequentes. Verificou-se a existência de picos de corrente coincidentes com as cavas. O problema estaria no interior do resort. É feita uma análise da qualidade da onda de tensão.

Variações de tensão Case study Foi feita uma medição no circuito de iluminação (1) onde forma encontradas cavas de 5 V bem como de corrente. Efetuou-se uma medição similar na alimentação do quadro (2) onde se verificou um problema similar. Foi efetuada a medição na fritadeira (3) onde se verificaram as cavas de tensão acompanhadas com aumentos de corrente. Foi encontrada a origem do problema. 37

Variações de tensão Case study Solução: A fritadeira foi alimentada a partir de uma alimentação independente tendose resolvido o problema O problema era devido ao longo cabo entre a alimentação e a fritadeira As cavas são provocadas pelas cargas elevadas e pelos valores de impedância elevados

Harmónicas Onda distorcida Fourier T base =20 ms f base =50 Hz Traçando as magnitudes de cada harmónica no eixo do yy e as frequências no eixo dos xx, obtemos o espectro harmónico Amplitudine C1 C2 C3 C4 C5 1 2 3 4 5 6... ordem

Harmónicas Características As harmónicas são caracterizadas pela sua ordem, frequência, fase e sequência. A fase da harmónica é relacionada com a fundamental. O valor da THDv, incluindo harmónicas até à ordem 40 não deve exceder os 8%. Ordem 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Frequência (Hz) 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Sequência + - 0 + - 0 + - 0

Harmónicas Sequências positivas, negativas e zero Sequencia Rotação Efeitos Positiva Frente Aquecimento de condutores, disjuntores, etc Negativa Inversa Aquecimento como na anterior + problemas nos motores Zero - Aquecimento e correntes de neutro Efeitos das sequências das harmónicas F 2 ª 3 ª 4 ª 5 ª 6 ª 7 ª 8 ª 9 ª Frequência 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Sequência + - 0 + - 0 + - 0

Harmónicas Efeito pelicular I 1 A de corrente de uma harmónica de ordem n gera calor n 2 vezes maior do que a mesma corrente à frequência fundamental.

Harmónicas Motores alimentados a partir de tensões distorcidas irão aquecer. Harmónicas de sequência negativa reduzem a eficiência mecânica dos motores uma vez que tentam forçar o motor a girar ao contrário. A energia contida nestas harmónicas é dissipada sob calor provocando envelhecimento precoce. Aquecimento em transformadores poderá ser provocado pelo efeito pelicular! Nota: As classificações de transformadores e geradores são baseadas no calor provocado pelas correntes de uma carga sinusoidal

Harmónicas Disjuntores operam conforme a temperatura a menos que incluam um dispositivo magnético. É o aquecimento do disjuntor devido à corrente que faz o disjuntor atuar. Quando as proteções estão sujeitas a cargas com harmónicas poderão não funcionar corretamente. A definição de ressonância é quando as reatâncias capacitivas igualam as reatâncias. Equação da frequência de ressonância: 1 f r = 2π LC As características de um circuito de ressonância LC é que amplifica as correntes cujas frequências coincidem com as frequências de ressonância. Condensadores não geram harmónicas mas geram circuitos ressonantes com as cargas indutivas da instalação.

Harmónicas Case study Fábrica de componentes plásticos - Cenário Como os técnicos desta fábrica aprenderam a baixar as correntes de neutro. Uma empresa de plásticos recentemente adicionou uma área de processamento de encomendas. A empresa utiliza computadores e pequenas máquinas de transporte. As máquinas em questão têm controladores monofásicos e movimentam-se por ação de pequenos motores trifásicos. Após adicionarem uma nova máquina, começaram a verificar-se disparos intempestivos devido a cavas de tensão. O quadro de alimentação aqueceu.

Harmónicas Case study Fábrica de componentes plásticos - Ações Foi efetuada uma verificação da onda de tensão que se verificou ser de forma achatada no topo bem como uma THD de 13%. A maior parte da distorção é na harmónica de 3ª ordem. Através de uma analisador de energia foi efetuado um estudo ao quadro de alimentação Confirmou-se que a fase R e S apresentam uma distorção bastante elevada bem como correntes de neutro anormalmente elevadas.

Harmónicas Case study Fábrica de componentes plásticos - Soluções Foram equilibradas as fases do quadro de alimentação do processamento de encomendas Foram substituídos os controladores monofásicos por trifásicos Manteve-se alguma distorção harmónica mas muito abaixo do medido na 3ª harmónica e menos corrente de neutro

Harmónicas Case study Outras soluções para harmónicas Substituição dos transformadores por transformadores fator k Redução de carga nos transformadores sobreaquecidos Recablar ou redistribuir cargas de forma a reduzir as impedâncias e isolar cargas não lineares Filtros passivos Filtros ativos Condutores de maior secção terão menor impedância. Menor preponência para distorção da onda de tensão Aumentar a secção do condutor de neutro

Harmónicas Case study Numa instalação a 3 ou 4 fios, as harmónicas triplas (sequência zero) vão ser refletidas no condutor de neutro. Este facto acontece em todas as harmónicas múltiplas de 3 incluindo a 6 ª, 9 ª, 12 ª, 15 ª As harmónicas múltiplas de 3 encontram-se em fase com a fundamental criando desequilíbrio 400 300 200 100 0-100 0 90 180 270 360-200 -300-400 400 300 200 100 0-100 0 90 180 270 360-200 -300-400 400 300 200 100 0-100 0 90 180 270 360-200 -300-400 49

Harmónicas Case study Fábrica de componentes plásticos - Soluções As distorções harmónicas podem causar: Correntes altas nos condutores de neutro Aquecimento de motores e transformadores provocando o seu envelhecimento precoce Aumento da probabilidade de ocorrência de cavas de tensão podendo originar resets de equipamentos Redução da eficiência dos transformadores e motores Vibração e ruido nos cabos

Harmónicas Case study

Harmónicas Case study

Desequilíbrio L1 L1 L2 L3 L3 U L3 120º 120º 50 Hz U L1 120º Tensões desequilibradas U L2 - Diferente magnitude - Ângulo de fase 120º

Desequilíbrio Funcionamento deficiente de sistemas de correção de fator de potência Causas Fornecimento de energia desiquilibrado ou instável Transformadores subdimensionados. Cargas monofásicas mal distribuidas Defeitos fase/fase oufase/terra Motores não poderão produzir o seu máximo torque, o seu alinhamento poderá ser afetado. Efeitos Estator e rotor excessivamente aquecidos levando ao envelhecimento precoce. A capacidade de operação dos transformadores e linhas é reduzida devido às componentes harmónicas de sequência negativa.

Desequilíbrio Case study Cenário Numa operação de manutenção, foi descoberto um problema Durante um procedimento de manutenção foi descoberto um cabo quente no circuito de alimentação das bombas Os cabos alimentam tanto os motores mais antigos como os mais recentes arrancadores suaves Tem sido efetuada uma substituição dos arrancadores antigos gradualmente Não foram adicionados novos motores

Desequilíbrio Case study Foi efetuada uma verificação do desequilíbrio onde se verificou que o mesmo se encontra dentro dos limites. Verificou-se que a 5ª harmónica apresentava um valor de cerca de 14%. Verificou-se que um sistema antigo de correção de fator de potência foi ligado por engano. Os condensadores for a ligados quando todos os motores utilizavam arrancadores suaves. Os condensadores causam ressonância aproximadamente na 5ª harmónica Foi substituída a bateria de condensadores por uma com filtro e o problema foi resolvido.

Desequilíbrio Case study

Aplicações Diagramas de cargas Aplicações: Auditorias energéticas, verificação de consumos, alocação de custos, eficiência dos processos

Aplicações Diagrama fasorial

Aplicações Gráficos de Tendências Aplicações: Comportamento dos transformadores e dos cabos, estudo das reservas disponíveis, determinação da origem das perturbações

Aplicações Análise harmónica Aplicações: Comportamento dos transformadores e dos cabos, dimensionamento baterias factor de potência, diagnóstico avarias

Aplicações Forma de onda e transitórios Aplicações: Diagnóstico avarias, detecção de problemas na instalação eléctrica

Soluções Fluke Equipamentos monofásicos Com ecrã FLUKE 43B Sem ecrã FLUKE 345 FLUKE VR1710 Prestações - 63 -

Soluções Fluke Equipamentos trifásicos Sem ecrã FLUKE 1740 FLUKE 1760 Com ecrã FLUKE 1735 FLUKE 434-64 - FLUKE 435 Prestações

As Nossas Referências Sistemas de Monitorização da Qualidade da Energia - QWebReport EDP Distribuição EDP Serviços Electricidade dos Açores Rede Eléctrica Nacional REN Electricidade da Madeira

Fim Muito Obrigado! QEnergia - Sistemas para Qualidade e Gestão de Energia, Lda. Centro Empresarial S. Sebastião, R. São Sebastião, Lt.11, nº10, Albarraque 2635-448 Rio de Mouro - Portugal Tel.: +351 214 309 320 Fax: +351 214 309 299 e-mail: qenergia@qenergia.pt www.qenergia.pt