A Influência Do Fluxo de Reativo de Cargas ISSN 2177-6164

Anais do V Simpsio Brasileiro de Sistemas Eltricos, Foz do Iguau PR, Brasil. 22-25/04/2014 ISSN 2177-6164

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Resumo -- O presente artigo analisa o uso de um conjunto de

cargas eletrnicas, especificamente lmpadas fluorescentes

compactas e tubulares com reatores eletrnicos, como forma de

compensar o excesso de reativo de uma carga indutiva, bem como

seu possvel impacto nas regras vigentes de tarifao. Nas

medies em laboratrio utilizando lmpadas 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 potncia foi compensado pelo reativo das

lmpadas. Em medies realizadas em campo em um barramento

composto por lmpadas fluorescentes tubulares com reatores

eletrnicos, tambm foi encontrado fluxo de reativo capacitivo

em direo fonte. Utilizando o software ATP Draw foram

modelados um conjunto de lmpadas fluorescentes compactas

que confirmaram os resultados encontrados em laboratrio. No

decorrer deste trabalho analisa-se se este fluxo reativo capacitivo

gerado pelas cargas eletrnicas pode ser vantajoso ou prejudicial

para o sistema de tarifao, em funo da hora do dia em que

esta carga eletrnica acionada.

Palavras Chaves -- Carga eletrnica, energia eltrica reativa,

demanda, fluxo de reativo, tarifao.

I. INTRODUO

qualidade da energia eltrica entregue pelas empresas

distribuidoras aos consumidores sempre foi objeto de

interesse. Porm, at algum tempo atrs, a qualidade de

energia eltrica tinha a ver, sobretudo, com a continuidade dos

servios de distribuio, baseados na disponibilidade do

sistema e dos parmetros da rede. Para tanto era necessrio o

estudo de estado do sistema para definir meios de manter o

sistema operando com qualidade.

Porm, a crescente evoluo da eletrnica proporcionou o

aumento do uso de equipamentos eletroeletrnicos,

introduzindo no sistema eltrico um grande nmero de cargas

eletrnicas, de forma que os estudos a serem realizados em um

sistema eltrico no podem mais desconsiderar a influncia de

tais cargas e as suas consequncias. Por exemplo, ao realizar

os estudos do fluxo de potncia em um sistema, estes sempre

levaram ao uso de elementos lineares, banco de capacitores e

indutores, para a compensao de reativos e controle do nvel

de tenso. Entretanto, analisando o comportamento de certas

cargas eletrnicas, observa-se um fluxo de reativo capacitivo

que pode se comportar como uma compensao interna do

sistema.

As compensaes de reativos atravs das cargas eletrnicas

presentes no sistema impactariam no desempenho deste e

tambm no faturamento do excedente de energia eltrica

reativa, principalmente em sistemas predominantemente

indutivos. Como j de conhecimento, grandes consumidores

so penalizados atravs da tarifao de energia reativa

excedente, caso, por exemplo, de indstrias que operam com

um significativo nmero de motores eltricos de induo com

fator de potncia inferior ao estabelecido por norma. Nesse

sentido, o comportamento do fluxo de reativo das cargas

eletrnicas pode ajudar na compensao 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 eletrnicas, especificamente lmpadas

fluorescentes compactas e tubulares, como forma de

compensar a demanda de reativo de uma carga indutiva.

Para este estudo foi utilizado em laboratrio, um conjunto

de 30 lmpadas fluorescentes compactas que foram ligadas em

estrela, a quatro fios, com 10 lmpadas por fase. Esta carga foi

conectada em paralelo a um banco de 9 indutores tambm

associados em estrela a quatro fios com 3 indutores por fase.

Posteriormente, foram realizadas medies atravs do uso de

instrumentos analgicos, medidores de grandezas eltricas e

analisadores de energia, para analisar o comportamento do

fluxo da potncia reativa das cargas eletrnicas antes e aps a

conexo do banco de indutores lineares. Com o objetivo de

comparar os resultados obtidos em laboratrio foi realizada a

implementao computacional do conjunto utilizado, por meio

do software ATP Draw, conduzindo-se tambm estudos tanto

da compensao reativa quanto da qualidade da energia.

II. CONSIDERAES REFERENTES ENERGIA REATIVA

EXCEDENTE NOS SISTEMAS ELTRICO

A Resoluo Normativa n 414 [1], de 9 de Setembro de

2010, que estabelece as condies gerais de fornecimento de

Energia Eltrica de forma atualizada e consolidada, diz que

para os consumidores do grupo A, o fator de potncia de

referncia fr, indutivo ou capacitivo, tem como limite mnimo permitido, o valor de 0,92.

Aos montantes de energia eltrica e demanda de potncia reativa que excederem o limite permitido, aplicam-se as

cobranas estabelecidas nos arts. 96 e 97, a serem adicionadas

ao faturamento regular de unidades consumidoras do grupo A,

includas aquelas que optarem por faturamento com aplicao

da tarifa do grupo B nos termos do art. 100.

A Influncia do Fluxo de Reativo de Cargas Eletrnicas no Sistema de Tarifao de Energia

Eltrica 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

A


2

Art. 96. - Para unidade consumidora que possua equipamento de medio apropriado, includa aquela cujo

titular tenha celebrado o CUSD, os valores correspondentes

energia eltrica e demanda de potncia reativas excedentes so

apurados conforme as seguintes equaes:

(

)

[

(

) ]

Sendo:

ERE: valor correspondente energia eltrica reativa

excedente quantidade permitida pelo fator de potncia de

referncia fr, no perodo de faturamento, em Reais (R$); EEAMT: montante de energia eltrica ativa medida em cada

intervalo T de 1 (uma) hora, durante o perodo de faturamento, em Megawatt-hora (MWh);

fr: fator de potncia de referncia igual a 0,92;

ft: fator de potncia da unidade consumidora, calculado em

cada intervalo T de 1 (uma) hora, durante o perodo de faturamento;

VRERE: valor de referncia equivalente tarifa de energia

"TE" aplicvel ao subgrupo B1, em Reais por megawatt-hora

(R$/MWh);

DRE(p): valor, por posto tarifrio p, correspondente demanda de potncia reativa excedente quantidade permitida

pelo fator de potncia de referncia fr no perodo de faturamento, em Reais (R$);

PAMT: demanda de potncia ativa medida no intervalo de

integralizao de 1 (uma) hora T, durante o perodo de faturamento, em quilowatt (kW);

PAF(p): demanda de potncia ativa faturvel, em cada

posto tarifrio p no perodo de faturamento, em quilowatt (kW);

VRDRE: valor de referncia, em Reais por quilowatt

(R$/kW), equivalente s tarifas de demanda de potncia - para

o posto tarifrio fora de ponta - das tarifas de fornecimento

aplicveis aos subgrupos do grupo A para a modalidade

tarifria horria azul e das TUSD-Consumidores-Livres,

conforme esteja em vigor o Contrato de Fornecimento ou o

CUSD, respectivamente;

MAX: funo que identifica o valor mximo da equao,

dentro dos parnteses correspondentes, em cada posto tarifrio

p; T: indica intervalo de 1 (uma) hora, no perodo de

faturamento;

p: indica posto tarifrio ponta ou fora de ponta para as

modalidades tarifrias horrias ou perodo de faturamento para

a modalidade tarifria convencional binmia;

n1: nmero de intervalos de integralizao T do perodo de faturamento para os postos tarifrios ponta e fora de ponta;

n2: nmero de intervalos de integralizao T, por posto tarifrio p, no perodo de faturamento.

Assim sendo, por mais que o valor a ser pago seja referente

ao Reativo Excedente, este proporcional ao montante da

energia eltrica ativa medida no intervalo de tempo referente

medio e a relao do fator de potncia de referncia com o

fator de potncia da unidade consumidora.

Para a apurao dessas grandezas, h tambm um perodo

de 6 (seis) horas consecutivas (a critrio da distribuidora) entre

23h 30min e 6h e 30min, no qual se considera apenas os

fatores de potncia ft inferiores a 0,92 capacitivo, verificados em cada intervalo de uma hora T. Ao perodo dirio complementar, se considera apenas os fatores de

potncia inferiores a 0,92 indutivo, verificados no mesmo

tempo.

Sendo as cargas estudadas nesse trabalho de natureza

eletrnica e capacitivas, h ento, uma influncia direta na sua

utilizao com a medio dos valores de reativo excedente

descrito na resoluo normativa, pois estas, em tese, ao injetar

reativo capacitivo no barramento, contribuem para a alterao

no valor do fator de potncia registrado a cada hora. Esta

situao levanta novas discusses no meio acadmico sobre de

que maneira e quo relevante ser essa influncia, em funo

do considervel acrscimo de cargas eletrnicas nos

barramentos residenciais, comerciais e industriais.

III. CONSIDERAES REFERENTES S DISTORES

HARMNICAS NOS SISTEMAS ELTRICOS

Para a rede bsica de energia, o Operador Nacional do

Sistema (ONS) estabelece desde 2002 parmetros de

qualidade para a tenso suprida. Mas, do ponto de vista do

consumidor, as restries a serem consideradas so (na

maioria) as do sistema de distribuio, as quais ainda esto em

discusso.

A Agncia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL), no

documento Procedimentos de distribuio de energia eltrica no sistema eltrico nacional Prodist mdulo 8 qualidade da energia eltrica [2], prope valores de referncia para a distoro harmnica da tenso no sistema de distribuio, tal

como ilustrado na Tabela I. TABELA I

Valores de Referncia de DTT

Tenso Nominal do

Barramento

Distoro Harmnica Total de

Tenso [%] 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 lmpadas fluorescentes compactadas utilizadas na

experincia laboratorial apresentam caractersticas no

lineares, que resulta em formas de onda de correntes com

significativas distores. Entretanto, para as tenses no

barramento de suprimento das cargas, no se observou

distores harmnicas significativas, permanecendo dentro

dos limites recomendados pela resoluo normativa

estabelecida pela ANEEL [3]. Contudo, nas medies

realizadas em campo, com lmpadas fluorescentes tubulares

com reatores eletrnicos, tanto as tenses como as correntes

apresentaram caractersticas lineares. Logo,

independentemente da carga eletrnica ser linear, ou no

linear, o comportamento do fluxo da potncia reativa

apresenta-se de forma anloga, ou seja, no sentido da carga

para a fonte, caracterizando fluxo de potncia reativa

capacitiva.


3

IV. ANLISE DAS MEDIES EM LABORATRIO

Inicialmente foi montada em laboratrio uma carga

eletrnica com caracterstica no linear, constituda de

lmpadas fluorescentes compactas (comumente encontradas

em instalaes residenciais e industriais) ligadas em estrela a

quatro fios conforme ilustrado na figura 1.

Fig. 1. Conjunto de lmpadas fluorescentes compactas.

Na sequncia, utilizando-se instrumentos analgicos,

analisadores de grandezas eltricas e analisadores de qualidade

de energia, conforme a figura 2, foram monitoradas, a

potncia ativa, reativa e formas de onda das tenses e

correntes envolvidas.

Fig. 2. Ligao dos medidores de grandezas eltricas e analisadores de

energia.

Analisando a forma de onda das correntes verificou-se

elevado nvel de distoro harmnica, 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 presena significativa de

harmnicas de sequncia positiva, negativa e zero resultando

em uma distoro harmnica total de corrente em torno de

115%. Os resultados para as fases b e c no foram

apresentadas por terem as mesmas caractersticas da fase a.

Isto era esperado visto que as lmpadas fluorescentes

compactas so cargas eletrnicas com caractersticas no

lineares [4] [5].

Fig. 3. Forma de onda das correntes trifsicas solicitadas pelas lmpadas

fluorescentes compactas do barramento.

Fig. 4. Espectro harmnico da corrente da fase a.

Alm das formas de onda das correntes foram analisadas

tambm as formas de onda das tenses e os respectivos

espectros harmnicos, ao igual que para as correntes, somente

para a tenso da fase a conforme mostram as figuras 5 e 6.

Fig. 5. Forma de onda das tenses trifsicas do barramento que alimenta as

lmpadas fluorescentes compactas.

Varmetros Analisador de energia

eltrica Fluke

Analisador de

energia eltrica

RMS

Medidor de grandezas

eltricas

Medidor de Energia


4

Fig. 6. Espectro harmnico da tenso da fase a.

A figura 5 permite observar que as formas de onda das

tenses apresentam-se prximas da forma senoidal,

corroborado por meio do espectro mostrado na figura 6, para a

fase a, onde encontra-se uma distoro harmnica total de

tenso em torno de 3,25%, encontrando-se, portanto, dentro

dos valores de referncia para o nvel de tenso do

barramento, conforme mdulo 8 do Prodist.

Quanto s medies das potncias ativa e reativa, observou-

se deflexo contraria dos ponteiros dos varmetros analgicos,

indicando que o fluxo de potncia reativa ocorria no sentido

da carga para a fonte, portanto, sendo necessrio inverter a

polaridade das bobinas de tenso dos varmetros [6].

Alterada a ligao do instrumento, a deflexo do ponteiro

se deu no sentido da escala, indicando um fluxo de potncia

reativa de 120 VAr, por fase, resultando em uma potncia

reativa capacitiva trifsica de 360 VAr. Nos analisadores de

grandezas eltricas, e no medidor de qualidade de energia, foi

medido o mesmo fluxo de potncia reativa capacitiva, porm

com valor de 310 VAr por fase, totalizando uma potncia

reativa trifsica de 930 VAr. Esta diferena tem relao com o

fato de que o medidor analgico registra a parcela de potncia

reativa referente frequncia fundamental enquanto os outros

analisadores medem a potncia reativa referente s diversas

frequncias do espectro das correntes, conforme ilustrado na

figura 4. Alm da leitura das potncias, foram feitas as leituras

dos fatores de deslocamento e de potncia, onde se verificou

um fator de potncia de 0,57 capacitivo e um fator de

deslocamento de 0,9 capacitivo.

Fig. 7. Conjunto de reatores conectados em paralelo com as lmpadas

fluorescentes compactas.

Dando prosseguimento ao experimento, por meio de um

disjuntor foi conectado em paralelo ao conjunto de lmpadas

fluorescentes um conjunto de indutores ligados em estrela a

quatro fios, conforme mostra a Fig. 7.

Aps a conexo do banco de indutores verificou-se que o

fluxo de potncia reativa entre a carga e a fonte sofreu

alterao. Analisando o varmetro analgico, 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 potncia reativa trifsica de 90 VAr

(valor referente fundamental). Enquanto que pelos

medidores eletrnicos foi verificado uma potncia reativa

trifsica de 900 VAr e fator de potncia 0,61 capacitivo. Esta

mudana de valores do fluxo de reativo capacitivo da carga

para fonte aps a entrada do banco de indutores lineares est

associada ao fornecimento de reativo capacitivo gerado pelas

lmpadas fluorescentes compactas para compensar a demanda

de reativo indutivo exigida pelo banco de indutores, cuja

medio constatou que estava em torno de 90 VAr por fase,

resultando em uma potncia reativa indutiva total de 270 VAr.

Portanto, atravs desta experincia de laboratrio foi

possvel observar que um conjunto de lmpadas fluorescentes

compactas, devido a seus componentes intrnsecos, gera uma

potncia reativa capacitiva, fornecendo reativo que pode ser

usado para compensao de fator de potncia de cargas

predominantemente indutivas. Esta constatao pode ser

observada pela diferena na potncia reativa antes e aps a

conexo das duas cargas em paralelo, conforme ilustrado na

figura 8 para a potncia reativa capacitiva fundamental

registrada pelo varmetro analgico.

Fig. 8. Variao do fluxo de potncia reativa, entre carga e fonte, registrado

pelo varmetro analgico.

V. SIMULAO COMPUTACIONAL

A fim de comparar com os resultados obtidos em

laboratrio, foi realizada simulao computacional utilizando

o software ATP Draw no qual foram inseridos os modelos de

cada componente eltrico e eletrnico utilizados nos ensaios

experimentais.

Para a modelagem do indutor foi calculado o valor da

indutncia atravs dos dados obtidos em medies realizadas

com os analisadores de grandezas eltricas da potncia reativa

e da tenso sobre o indutor. Sendo a Indutncia calculada pela

expresso 3:

Sendo:


5

Q: Potncia Reativa monofsica medida pelo varmetro;

V: Tenso fase-neutro medida pelo voltmetro.

Assim como na montagem experimental os indutores na

conexo estrela a quatro fios foram inseridos por chaves em

paralelo com o conjunto de lmpadas fluorescentes como

mostra a Fig. 9.

Fig. 9. Modelagem dos indutores no software ATP DRaw.

A modelagem da lmpada fluorescente compacta no ATP

Draw com todos seus componentes eltricos e eletrnicos est

ilustrada na Fig. 10.

Fig. 10. Modelagem da lmpada fluorescente compacta no software ATP

Draw.

Os resultados obtidos na simulao permitiram constatar

uma boa concordncia com aqueles obtidos em laboratrio.

Para esta finalidade, foram analisadas as formas de onda das

correntes e tenses ilustradas nas Figs. 11 e 12 e o espectro da

corrente para fase a, quando apenas as lmpadas estavam

ligadas como mostra a Fig. 13.

Fig. 11. Forma de onda das correntes trifsicas solicitadas pelas lmpadas

fluorescentes compactas na simulao.

Fig. 12. Forma de onda das tenses trifsicas das lmpadas fluorescentes

compactas obtidas na simulao.

Fig. 13. Espectro harmnico da corrente da fase a obtida na simulao

O comportamento e os valores do fluxo de potncia reativa

gerado pelas lmpadas fluorescentes compactas obtidos na

simulao tambm foram idnticos aos obtidos nos estudos

experimentais.

VI. MEDIO EM CAMPO

A fim de verificar se o comportamento do fluxo de

potncia reativa gerado pelas cargas eletrnicas lineares ou

no lineares obtidos em laboratrio e na simulao

computacional tambm se apresenta com as mesmas

caractersticas em uma unidade consumidora, foi realizada

medio em um grande Home Center em Cuiab, Mato

Grosso, onde foram feitas medies preliminares no

barramento do quadro geral de distribuio em um conjunto de

150 (cento e cinquenta) luminrias com 2 (duas) lmpadas

fluorescentes tubulares cada, utilizando reatores eletrnicos

(2x110W cada calha) conforme mostra a Fig. 14.

Ao contrrio dos resultados obtidos para as correntes

produzidas para lmpadas fluorescentes compactas em

laboratrio e nas simulaes computacionais ilustrados nas

Figs. 3 e 11 com caractersticas fortemente no lineares, as

correntes obtidas no barramento do Home Center foram

praticamente lineares, isto , muito prxima de uma senide.


6

Esta diferena deve-se instalao de filtros para harmnicos

[7].

Analisando a fig. 15 pode observar que a demanda de

potncia ativa trifsica solicitada pelo conjunto de luminrias

com reatores eletrnicos do barramento atinge o valor mdio

de 24 kW e pode-se observar tambm uma injeo de

demanda reativa capacitiva mdia trifsica de 5,4 kVAr no

barramento que alimenta estas cargas da Unidade

Consumidora.

Por meio dos resultados obtidos em laboratrio, simulao

computacional e campanha de medies em campo, pode-se

analisar a influncia das cargas eletrnicas, tanto lineares

como no lineares, no sistema de tarifao das unidades

consumidoras do Grupo A, que esto sujeitas ao pagamento do

excedente de energia reativa e de demanda reativa excedente

conforme mostram as equaes 1 e 2. Como a concessionria

de energia eltrica monitora o reativo indutivo solicitado pelas

unidades consumidoras no perodo de 18 (dezoito) horas do

dia, estas cargas eletrnicas podem trazer benefcio para o

sistema de tarifao, pois com a injeo do reativo capacitivo

no barramento podem melhorar o fator de potncia horrio da

unidade consumidora ou diminuir o valor do excedente de

energia reativa na sua fatura de energia eltrica. Por outro

lado, durante as 6 (seis) horas restantes no perodo noturno,

normalmente entre meia noite e s 6 horas da manh, a

concessionria de energia monitora o reativo capacitivo e

estas cargas podem ser prejudiciais para sistema de tarifao,

podendo em tese aumentar o valor do excedente de energia

reativa na fatura de energia da unidade consumidora.

Figura 14: Conexo do analisador de energia eltrica Fluke no barramento de

energia de alimentao das lmpadas fluorescentes tubulares.

Figura 15: Tela capturada do analisador de energia eltrica Fluke conectado no barramento de energia de alimentao indicando a caracterstica de

potncia reativa capacitiva injetada no sistema.

VII. CONCLUSO

No presente artigo foi analisada a influncia das cargas

eletrnicas lineares e no lineares no sistema de tarifao das

unidades consumidoras do grupo A. Nos experimentos

laboratoriais e na simulao computacional foram utilizadas

lmpadas fluorescentes compactas com fortes caractersticas

no lineares e pode-se observar um fluxo de reativo capacitivo

para o barramento de alimentao, tanto nos medidores

analgicos quanto nos analisadores de energia. Nas medies

realizadas em campo em um conjunto de lmpadas

fluorescentes tubulares com reatores eletrnicos, os

analisadores de energia registraram a caracterstica da carga

praticamente linear e pode-se tambm observar um fluxo de

potncia reativa capacitiva para o barramento de alimentao

do conjunto de carga eletrnica. Portanto, independentemente

do comportamento da carga eletrnica estudada neste artigo

ser linear ou no linear, verificou-se uma injeo de potncia

reativa no barramento, contribuindo para a alterao do fator

de potncia da unidade consumidora e consequentemente

influenciando no calculo do excedente de energia reativa.

Considerando que atualmente as concessionrias de energia

eltrica tm feito grandes investimentos na eficincia eltrica

nos consumidores de baixa renda, aonde so substitudas

principalmente geladeiras convencionais por geladeiras selo

PROCEL e milhares lmpadas incandescentes por lmpadas

fluorescentes compactas, um estudo da influncia destas

cargas no s nos consumidores do grupo A, mas tambm em

consumidores do grupo B se faz necessrio, para analisar o

impacto da entrada destas cargas eletrnicas tanto no sistema

de tarifao como na possvel melhoria do sistema eltrico da

concessionria com a injeo de reativos nos barramentos,

assim como a interferncia das mltiplas frequncias injetas

pelas cargas eletrnicas no lineares no barramento da

concessionria.

VIII. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] ANEEL. Resoluo Normativa n414. 9 de setembro de 2010. [2] ANEEL. Procedimentos de Distribuio de Energia Eltrica no Sistema

Eltrico Nacional (Prodist), mdulo 8.

[3] ANEEL. Resoluo Normativa n345. 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 Eltricas. 2 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.

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