1 A Influência do Fluxo de Reativo de Cargas Eletrônicas no Sistema de Tarifação de Energia Elétrica A. B. de Vasconcellos, Dr.,UFMT, B.C. Carvalho, Dr.,UFMT, T.I.R.C. Malheiros, PhD, IFMT, C.H. Beuter, Esp., UFMT, R. V. Rocha, Eng., UFMT, R. C. F. Gregory, Acad., UFMT Resumo -- O presente artigo analisa o uso de um conjunto de cargas eletrônicas, especificamente lâmpadas fluorescentes compactas e tubulares com reatores eletrônicos, como forma de compensar o excesso de reativo de uma carga indutiva, bem como seu possível impacto nas regras vigentes de tarifação. Nas medições em laboratório utilizando lâmpadas fluorescentes compactas observou-se um fluxo de carga reativo capacitivo para a fonte. Quando adicionado em paralelo a um banco de indutores, o fator de potência foi compensado pelo reativo das lâmpadas. Em medições realizadas em campo em um barramento composto por lâmpadas fluorescentes tubulares com reatores eletrônicos, também foi encontrado fluxo de reativo capacitivo em direção à fonte. Utilizando o software ATP Draw foram modelados um conjunto de lâmpadas fluorescentes compactas que confirmaram os resultados encontrados em laboratório. No decorrer deste trabalho analisa-se 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. Palavras Chaves -- Carga eletrônica, energia elétrica reativa, demanda, fluxo de reativo, tarifação. A I. INTRODUÇÃO qualidade da energia elétrica entregue pelas empresas distribuidoras aos consumidores sempre foi objeto de interesse. Porém, até algum tempo atrás, a qualidade de energia elétrica tinha a ver, sobretudo, com a continuidade dos serviços de distribuição, baseados na disponibilidade do sistema e dos parâmetros da rede. Para tanto era necessário o estudo de estado do sistema para definir meios de manter o sistema operando com qualidade. Porém, a crescente evolução da eletrônica proporcionou o aumento do uso de equipamentos eletroeletrônicos, introduzindo no sistema elétrico um grande número de cargas eletrônicas, de forma que os estudos a serem realizados em um sistema elétrico não podem mais desconsiderar a influência de tais cargas e as suas consequências. Por exemplo, ao realizar os estudos do fluxo de potência em um sistema, estes sempre levaram ao uso de elementos lineares, banco de capacitores e indutores, para a compensação de reativos e controle do nível de tensão. Entretanto, analisando o comportamento de certas cargas eletrônicas, observa-se um fluxo de reativo capacitivo que pode se comportar como uma compensação interna do sistema. As compensações de reativos através das cargas eletrônicas presentes no sistema impactariam no desempenho deste e também no faturamento do excedente de energia elétrica reativa, principalmente em sistemas predominantemente indutivos. Como já é de conhecimento, grandes consumidores são penalizados através da tarifação de energia reativa excedente, caso, por exemplo, de indústrias que operam com um significativo número de motores elétricos de indução com fator de potência inferior ao estabelecido por norma. Nesse sentido, o comportamento do fluxo de reativo das cargas eletrônicas pode ajudar na compensação de reativo diminuindo a quantidade de banco de capacitores a serem instalados. Desta forma, este artigo tem como objetivo estudar o uso de um conjunto de cargas eletrônicas, especificamente lâmpadas fluorescentes compactas e tubulares, como forma de compensar a demanda de reativo de uma carga indutiva. Para este estudo foi utilizado em laboratório, um conjunto de 30 lâmpadas fluorescentes compactas que foram ligadas em estrela, a quatro fios, com 10 lâmpadas por fase. Esta carga foi conectada em paralelo a um banco de 9 indutores também associados em estrela a quatro fios com 3 indutores por fase. Posteriormente, foram realizadas medições através do uso de instrumentos analógicos, medidores de grandezas elétricas e analisadores de energia, para analisar o comportamento do fluxo da potência reativa das cargas eletrônicas antes e após a conexão do banco de indutores lineares. Com o objetivo de comparar os resultados obtidos em laboratório foi realizada a implementação computacional do conjunto utilizado, por meio do software ATP Draw, conduzindo-se também estudos tanto da compensação reativa quanto da qualidade da energia. II. CONSIDERAÇÕES REFERENTES À ENERGIA REATIVA EXCEDENTE NOS SISTEMAS ELÉTRICO A Resolução Normativa nº 414 [1], 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 fator de potência de referência fr, indutivo ou capacitivo, tem como limite mínimo permitido, o valor de 0,92. 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. 100.
2 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: ( ) [ ( ) ] Sendo: E RE : valor correspondente à energia elétrica reativa excedente à quantidade permitida pelo fator de potência de referência fr, no período de faturamento, em Reais (R$); EEAM T : montante de energia elétrica ativa medida em cada intervalo T de 1 (uma) hora, durante o período de faturamento, em Megawatt-hora (MWh); fr: fator de potência de referência igual a 0,92; ft: fator de potência da unidade consumidora, calculado em cada intervalo T de 1 (uma) hora, durante o período de faturamento; VR ERE : valor de referência equivalente à tarifa de energia "TE" aplicável ao subgrupo B1, em Reais por megawatt-hora (R$/MWh); D RE(p) : valor, por posto tarifário p, correspondente à demanda de potência reativa excedente à quantidade permitida pelo fator de potência de referência fr no período de faturamento, em Reais (R$); PAM T : demanda de potência ativa medida no intervalo de integralização de 1 (uma) hora T, durante o período de faturamento, em quilowatt (kw); PAF(p): demanda de potência ativa faturável, em cada posto tarifário p no período de faturamento, em quilowatt (kw); VR DRE : valor de referência, em Reais por quilowatt (R$/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 fator de potência de referência com o fator de potência da unidade consumidora. 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 ft 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. 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 barramento, contribuem para a alteração no valor do fator de potência registrado a cada hora. Esta situação levanta novas discussões no meio acadêmico sobre de que maneira e quão relevante será essa influência, em função do considerável acréscimo de cargas eletrônicas nos barramentos residenciais, comerciais e industriais. III. CONSIDERAÇÕES REFERENTES ÀS DISTORÇÕES HARMÔNICAS NOS SISTEMAS ELÉTRICOS Para a rede básica de energia, o Operador Nacional do Sistema (ONS) estabelece 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 qualidade da energia elétrica [2], propõe valores de referência para a distorção harmônica da tensão no sistema de distribuição, tal como ilustrado na Tabela I. TABELA I Valores de Referência de DTT Tensão Nominal do Barramento Distorção Harmônica Total de Tensão [%] Vn 1 kv 10 1 kv Vn 13,8 kv 8 13,8 kv Vn 69 kv 6 69 kv Vn 138 kv 3 As lâmpadas fluorescentes compactadas utilizadas na experiência laboratorial apresentam características não lineares, que resulta 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 pela ANEEL [3]. Contudo, nas medições realizadas em campo, com lâmpadas fluorescentes tubulares com reatores eletrônicos, tanto as tensões como as correntes apresentaram características lineares. Logo, independentemente da carga eletrônica ser linear, ou não linear, 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.
3 IV. ANÁLISE DAS MEDIÇÕES EM LABORATÓRIO Inicialmente foi montada em laboratório uma carga eletrônica com característica não linear, constituída de lâmpadas fluorescentes compactas (comumente encontradas em instalações residenciais e industriais) ligadas em estrela a quatro fios conforme ilustrado na figura 1. Fig. 3. Forma de onda das correntes trifásicas solicitadas pelas lâmpadas fluorescentes compactas do barramento. Fig. 1. Conjunto de lâmpadas fluorescentes compactas. Na sequência, utilizando-se instrumentos analógicos, analisadores de grandezas elétricas e analisadores de qualidade de energia, conforme a figura 2, foram monitoradas, a potência ativa, reativa e formas de onda das tensões e correntes envolvidas. Analisador de energia elétrica Fluke Varímetros Analisador de energia elétrica RMS Fig. 4. Espectro harmônico da corrente da fase a. Medidor de grandezas elétricas Medidor de Energia Além das formas de onda das correntes foram analisadas também as formas de onda das tensões e os respectivos espectros harmônicos, ao igual que para as correntes, somente para a tensão da fase a conforme mostram as figuras 5 e 6. Fig. 2. Ligação dos medidores de grandezas elétricas e analisadores de energia. Analisando a forma de onda das correntes verificou-se elevado nível de distorção harmônica, como mostra a figura 3. Por meio do espectro da forma de onda da corrente da fase a, ilustrada na figura 4, foi constatada a presença significativa de harmônicas de sequência positiva, negativa e zero resultando em uma distorção harmônica total de corrente em torno de 115%. Os resultados para as fases b e c não foram apresentadas por terem as mesmas características da fase a. Isto era esperado visto que as lâmpadas fluorescentes compactas são cargas eletrônicas com características não lineares [4] [5]. Fig. 5. Forma de onda das tensões trifásicas do barramento que alimenta as lâmpadas fluorescentes compactas.
4 Fig. 6. Espectro harmônico da tensão da fase a. A figura 5 permite observar que as formas de onda das tensões apresentam-se próximas da forma senoidal, corroborado por meio do espectro mostrado na figura 6, para a fase a, onde encontra-se uma distorção harmônica total de tensão em torno de 3,25%, encontrando-se, portanto, dentro dos valores de referência para o nível de tensão do barramento, conforme módulo 8 do Prodist. Quanto às medições das potências ativa e reativa, observouse deflexão contraria 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 [6]. 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 de energia, foi medido 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 4. Além da leitura das potências, foram feitas as leituras dos fatores de deslocamento e de potência, onde se verificou um fator de potência de 0,57 capacitivo e um fator de deslocamento de 0,9 capacitivo. Fig. 7. Conjunto de reatores conectados em paralelo com as lâmpadas fluorescentes compactas. Dando prosseguimento ao experimento, por meio de um disjuntor foi conectado em paralelo ao conjunto de lâmpadas fluorescentes um conjunto de indutores ligados em estrela a quatro fios, conforme mostra a Fig. 7. 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 verificado uma potência reativa trifásica de 900 VAr e fator de potência 0,61 capacitivo. 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 lâmpadas fluorescentes compactas para compensar a demanda de reativo indutivo exigida pelo banco de indutores, cuja medição constatou que estava em torno de 90 VAr por fase, resultando em uma potência reativa indutiva total de 270 VAr. Portanto, através desta experiência de laboratório foi possível observar que um conjunto de lâmpadas fluorescentes compactas, devido a seus componentes intrínsecos, gera uma potência reativa capacitiva, fornecendo reativo que pode ser usado para compensação de fator de potência 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 8 para a potência reativa capacitiva fundamental registrada pelo varímetro analógico. Fig. 8. Variação do fluxo de potência reativa, entre carga e fonte, registrado pelo varímetro analógico. V. SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL A fim de comparar com os resultados obtidos em laboratório, foi realizada simulação computacional utilizando o software ATP Draw no qual foram inseridos os modelos de cada componente elétrico e eletrônico utilizados nos ensaios experimentais. Para a modelagem do indutor foi calculado o valor da indutância 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 3: Sendo:
5 Q: Potência Reativa monofásica medida pelo varímetro; V: Tensão fase-neutro medida pelo voltímetro. Assim como na montagem experimental os indutores na conexão estrela a quatro fios foram inseridos por chaves em paralelo com o conjunto de lâmpadas fluorescentes como mostra a Fig. 9. Fig. 9. Modelagem dos indutores no software ATP DRaw. Fig. 12. Forma de onda das tensões trifásicas das lâmpadas fluorescentes compactas obtidas na simulação. A modelagem da lâmpada fluorescente compacta no ATP Draw com todos seus componentes elétricos e eletrônicos está ilustrada na Fig. 10. Fig. 10. Modelagem da lâmpada fluorescente compacta no software 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 Figs. 11 e 12 e o espectro da corrente para fase a, quando apenas as lâmpadas estavam ligadas como mostra a Fig. 13. Fig. 11. Forma de onda das correntes trifásicas solicitadas pelas lâmpadas fluorescentes compactas na simulação. Fig. 13. Espectro harmônico da corrente da fase a obtida na simulação O comportamento e os valores do fluxo de potência reativa gerado pelas lâmpadas fluorescentes compactas obtidos na simulação também foram idênticos aos obtidos nos estudos experimentais. VI. MEDIÇÃO EM CAMPO A fim de verificar se o comportamento do fluxo de potência reativa gerado pelas cargas eletrônicas lineares ou não lineares obtidos em laboratório e na simulação computacional também se apresenta com as mesmas características em uma unidade consumidora, foi realizada medição em um grande Home Center em Cuiabá, Mato Grosso, onde foram feitas medições preliminares no barramento do quadro geral de distribuição em um conjunto de 150 (cento e cinquenta) luminárias com 2 (duas) lâmpadas fluorescentes tubulares cada, utilizando reatores eletrônicos (2x110W cada calha) conforme mostra a Fig. 14. Ao contrário dos resultados obtidos para as correntes produzidas para lâmpadas fluorescentes compactas em laboratório e nas simulações computacionais ilustrados nas Figs. 3 e 11 com características fortemente não lineares, as correntes obtidas no barramento do Home Center foram praticamente lineares, isto é, muito próxima de uma senóide.
6 Esta diferença deve-se à instalação de filtros para harmônicos [7]. Analisando a fig. 15 pode observar que a demanda de potência ativa trifásica solicitada pelo conjunto de luminárias com reatores eletrônicos do barramento atinge o valor médio de 24 kw e pode-se observar também uma injeção de demanda reativa capacitiva média trifásica de 5,4 kvar no barramento que alimenta estas cargas da Unidade Consumidora. Por meio dos resultados obtidos em laboratório, simulação computacional e campanha de medições em campo, pode-se analisar a influência das cargas eletrônicas, tanto 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 mostram as equações 1 e 2. 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 fator de potência horário da unidade consumidora 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 horas da manhã, a concessionária de energia monitora o reativo capacitivo e estas cargas podem ser prejudiciais para sistema de tarifação, podendo em tese aumentar o valor do excedente de energia reativa na fatura de energia da unidade consumidora. VII. CONCLUSÃO No presente artigo foi analisada a influência das cargas eletrônicas lineares e não lineares no sistema de tarifação das unidades consumidoras do grupo A. Nos experimentos laboratoriais e na simulação computacional foram utilizadas lâmpadas fluorescentes compactas com fortes características não lineares e pode-se observar 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 lâmpadas fluorescentes tubulares com reatores eletrônicos, os analisadores de energia registraram a característica da carga praticamente linear e pode-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 artigo ser linear ou não linear, verificou-se uma injeção de potência reativa no barramento, contribuindo para a alteração do fator de potência da unidade consumidora e consequentemente influenciando no calculo do excedente de energia reativa. Considerando que atualmente as concessionárias de energia elétrica têm feito grandes investimentos na eficiência elétrica nos consumidores de baixa renda, aonde são substituídas principalmente geladeiras convencionais por geladeiras selo PROCEL e milhares lâmpadas incandescentes por lâmpadas fluorescentes compactas, 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 injetas pelas cargas eletrônicas não lineares no barramento da concessionária. VIII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Figura 14: Conexão do analisador de energia elétrica Fluke no barramento de energia de alimentação das lâmpadas fluorescentes tubulares. [1] ANEEL. Resolução Normativa nº414. 9 de setembro de 2010. [2] ANEEL. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (Prodist), módulo 8. [3] ANEEL. Resolução Normativa nº345. 16 de dezembro de 2008. [4] IEEE Task Force, The Effects of Power System Harmonics on Power System Equipment and Loads, IEEE Trans. Power App. and Systems, vol. 104, no. 9, Set. 1985, pp. 2555-2563. [5] R. D. Henderson e P. J. Rose, Harmonics: The Effects on Power Quality and Transformers, IEEE Trans. Industry Applications, vol. 30, 1994, pp. 528-532. [6] S. M. Filho. Fundamentos de Medidas Elétricas. 2ª ed. Editora Guanabara Dois. Rio de Janeiro. 1981. [7] IEEE Standard 519-1992, Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems, 1992. Figura 15: Tela capturada do analisador de energia elétrica Fluke conectado no barramento de energia de alimentação indicando a característica de potência reativa capacitiva injetada no sistema.