ANÁLISE DA QUALIDADE DE ENERGIA LÉTRICA ......WILLIAN DANIEL MENEZES XAVIER ESTUDO E...

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

ELETROELETRÔNICA

ESTUDO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA PARA

ANÁLISE DA QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA:

TRABALHO FINAL

WILLIAN DANIEL MENEZES XAVIER

Orientador: Tulio Charles de Oliveira Carvalho

Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais – CEFET-MG

BELO HORIZONTE

JULHO DE 2015



ANÁLISE DA QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA:

TRABALHO FINAL

Dissertação sobre o projeto do Trabalho de Conclusão deCurso apresentado ao curso de Engenharia Elétrica, doCEFET-MG, na disciplina TCCII.

Área de concentração: Eletroeletrônica

Linha de pesquisa: Qualidade de Energia Elétrica

Orientador: Tulio Charles de Oliveira CarvalhoCentro Federal de Educação Tecnológicade Minas Gerais – CEFET-MG

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAISDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICABELO HORIZONTE

JULHO DE 2015

i



ANÁLISE DA QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA:TRABALHO FINAL

Dissertação sobre o projeto do Trabalho de Conclusão deCurso apresentado ao curso de Engenharia Elétrica, doCEFET-MG, na disciplina TCCII.

Trabalho aprovado. Belo Horizonte, 17 de Julho de 2015

Tulio Charles de Oliveira CarvalhoOrientador

José Hissa FerreiraConvidado para a banca

Everthon de Souza OliveiraConvidado para a banca

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAISDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICABELO HORIZONTE

JULHO DE 2015

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Dedico este trabalho aos meus familiaresque sempre alegram meus dias da semanae os finais de semana em especial.

iii

Agradecimentos

Agradeço aos meus pais, Wagner Bonifácio Xavier e Maria do Carmo Mene-zes, por me indicarem e me apoiarem neste percurso acadêmico. Agradeço a minhanamorada Jéssica pelo apoio dedicado nestes anos de curso e pela paciência que se éesperada de uma namorada de um estudante de engenharia elétrica. Agradeço a minhairmã pela amizade e auxílios prestados em todos estes anos. Aos meus amigos, meuscompanheiros inseparáveis de curso e aos meus ex-companheiros de Equipe FórmulaCEFAST e eCEFAST que me ajudaram a construir sólidos conhecimentos em nossa áreade atuação.

Agradeço aos técnicos dos laboratórios do curso de Engenharia pelos auxíliosna construção de parte deste trabalho. Agradeço ao professor Jean-Luc Amalberti esuas orientações durante meu intercâmbio. Agradeço aos diversos professores do cursode Engenharia Elétrica, que incentivaram a continuar o projeto com dicas e opiniões.Finalmente agradeço ao professor Túlio, por me orientar com críticas e ponderaçõesneste trabalho fazendo com que ele assim criasse forma, até que ao fim do TCCIIpudesse ser finalizado.

iv

Resumo

Uma concessionária do sistema elétrico necessita fornecer energia elétrica com alta

qualidade qualidade. Essa qualidade de energia é medida alguns parâmetros principais

que idealmente seriam uma tensão puramente senoidal, com frequência e amplitude

constantes, entretanto, na prática os sinais entregues apresentam significativos desvios

devido a diversas características não lineares das redes de distribuição e das cargas do

sistema elétrico de potência. Neste trabalho é feito o projeto e a implementação de um

sistema para medições de sinais da rede elétrica por meio de um circuito condicionador

de sinais e uma placa de aquisição de sinais, myRIO. Todos os dados coletados são

enviados para o computador que faz o processamento destes sinais em códigos de

programação criados em Labview realizando assim uma análise dos parâmetros de

qualidade de energia elétrica entregue. O processamento de sinais conta com rotinas

de algoritmos computacionais como, por exemplo, transformadas de Fourier de forma

off-line e em real-time. Apresenta-se neste trabalho uma ampla revisão bibliográfica a

respeito de medições da qualidade de energia elétrica. Realiza-se também uma com-

paração entre os algoritmos implementados neste trabalho e os medidores comerciais,

que se baseiam na norma ABNT NBR IEC 61000-4-30 para seus métodos de detecção de

distúrbios e posteriormente mostra na norma nem todos os parâmetros interessantes

aos pesquisadores e operadores são obtidos.

Palavras-chave: Parâmetros Qualidade de Energia. Analisador de Energia. Analise de

harmônicos

v

Abstract

A company of the electrical system needs to provide electricity with a high quality.

This power quality is measured some key parameters that ideally would be a purely

sinusoidal voltage with constant amplitude and frequency, however in practice the

delivered signals show significant variances due to various nonlinear characteristics

of distribution networks and the electric power system loads. This work performs

measurements of the electrical network signals through a signal conditioner circuit

and a data acquisition board, Myrio. All data collected were sent to the computer that

made the processing of these signals in programming code created in Labview thus

performing an analysis of power quality parameters delivered. The signal processing

algorithm has computational routines such as, for example, Fourier Transform off-

line or in real time. This paper presents a comprehensive literature review on quality

measurements of electricity. It also performs a comparison of the algorithms developed

in this work and commercial meters, which are based on the Standard IEC 61000-4-30

ABNT NBR, disturbances in detection methods, shows that after only not all standard

interesting parameters to researchers and operators are obtained.

Keywords: Parameters Power Quality. Wavelet Transform. Energy Analyzer.

vi

Lista de Figuras

Figura 1 – Afundamento de tensão causada por uma falta fase-terra. . . . . . . 5Figura 2 – Afundamento de tensão ocorrido pela partida de um motor. . . . . . 5Figura 3 – Elevação de tensão devido a uma falta fase-terra. . . . . . . . . . . . . 6Figura 4 – Interrupção momentânea devido a um curto-circuito. . . . . . . . . . 6Figura 5 – Corrente transitória impulsiva oriunda de uma descarga atmosférica. 8Figura 6 – Transitório proveniente do chaveamento de um banco de capacitores. 9Figura 7 – Forma de onda com distorções harmônicas de 3a e 5a ordem. . . . . . 10Figura 8 – Tensão de alimentação de um conversor CC/CA. . . . . . . . . . . . 11Figura 9 – Forma de onda senoidal e análise dos seus valores. . . . . . . . . . . 14Figura 10 – Forma de onda com presença de harmônicos. . . . . . . . . . . . . . . 17Figura 11 – Esquemático de construção de um monitor de QEE. . . . . . . . . . . 22Figura 12 – Analisadores de QEE comercial Embrasul RE6000 . . . . . . . . . . . 23Figura 13 – Analisadores de QEE comerciais. Da esquerda para a direta e de cima

pra baixo: Hioki PW3198, QNA 413, SIEMOS PQ, Dranetz 4400 eFluke 434. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Figura 14 – Agregação de dados na frequência de 60 Hz . . . . . . . . . . . . . . 26Figura 15 – Esquemático do circuito condicionador de sinais e da aquisição de

sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Figura 16 – Diagrama de blocos para o condicionamento de tensão . . . . . . . . 29Figura 17 – Circuito contendo o estágio 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Figura 18 – Circuito de montagem típica para o isolador óptico HCPL-7840 usado

no estágio 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Figura 19 – Diagrama interna do sensor de efeito Hall utilizado no estágio 1 do

condicionamento de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Figura 20 – Esquemático completo do circuito de condicionamento de tensão e

corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figura 21 – PCB completo do circuito de condicionamento de tensão e corrente . 35Figura 22 – PCB 3D completo do circuito de condicionamento de tensão e corrente 35Figura 23 – Diagrama de blocos do NI myrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Figura 24 – Diagrama das entradas analógicas no NI MyRIO . . . . . . . . . . . . 37Figura 25 – Diagrama das entradas analógicas no NI MyRIO . . . . . . . . . . . . 38Figura 26 – Código de programação do sistema FPGA do NI MyRIO . . . . . . . 39Figura 27 – Código de programação do sistema Real-Time do NI MyRIO . . . . . 41Figura 28 – Tela com os gráfico com sinais de tensão e corrente e gráfico de

potência instantânea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Figura 29 – Tela com os gráficos de espectro de tensão e corrente. . . . . . . . . . 42

vii

Figura 30 – Tela com os parâmetros de analise harmônica . . . . . . . . . . . . . . 42Figura 31 – Tela com os gráficos de angulo entre fase de tensão e corrente até a

15a Harmônica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Figura 32 – Bancada com Analisador de QEE Fluke 434 e do SAQEE . . . . . . . 45Figura 33 – Tela do SAQEE com a forma de onda de tensão e corrente para o

ventilador ligado a baixas velocidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Figura 34 – Espectro de Frequencia do sinal de corrente calculado pelo Fluke 434 46Figura 35 – Tela do SAQEE com o espectro de frequencia do sinal. . . . . . . . . . 47Figura 36 – Tela da aquisição do sinal de tensão e corrente para a recarga do

celular no SAQEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Figura 37 – Tela do espectro de frequência do sinal de tensão e corrente para a

recarga do celular no SAQEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Figura 38 – Tela dos parâmetros de tensão, corrente e potencias para a recarga do

celular no SAQEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Figura 39 – Tela do angulo entre as fases de tensão e corrente para a recarga do

celular no SAQEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Figura 40 – Tela da aquisição do sinal de tensão e corrente para a recarga do

notebook no SAQEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Figura 41 – Tela do espectro de frequência do sinal de tensão e corrente para a

recarga do notebook no SAQEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Figura 42 – Tela dos parâmetros de tensão, corrente e potencias para a recarga do

notebook no SAQEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Figura 43 – Tela do angulo entre as fases de tensão e corrente para a recarga do

notebook no SAQEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Figura 44 – Tela da aquisição do sinal de tensão e corrente para as diversas cargas

no SAQEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Figura 45 – Tela de analise de Eventos no Fluke 434 . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Figura 46 – Tela de analise de Eventos no SAQEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

viii

Lista de Abreviaturas e Siglas

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

QEE Qualidade de Energia Elétrica

STFT Short-Term Fourier Tranform

VTCD Variação de Tensão de Curta Duração

VTLD Variação de Tensão de Longa Duração

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica

SEP Sistemas Elétricos de Potência

RMS Root Mean Square

PCI Placa de Circuito Impresso

AmpOp Amplificador Operacional

RIO Reconfigurable Input Output

ADC Analógico para Digital

FPGA Field Programmable Gate Array

SAQEE Sistema de Análise Dinâmicos da Qualidade de Energia Elétrica

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Sumário

1 – Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Relevância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Organização do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 – Fenômenos na Qualidade de Energia Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1 Variação de Tensão de Curta Duração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1.1 Afundamento de tensão: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1.2 Elevação de tensão: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1.3 Interrupção de tensão: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 Variação de Tensão de Longa Duração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.1 Subtensão: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.2 Sobretensão: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.3 Interrupção sustentada: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3 Transitórios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3.1 Transitórios Impulsivos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3.2 Transitórios Oscilatórios: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.4 Distorções da Forma de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4.1 Nível CC: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4.2 Harmônicos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.4.3 Interharmônicos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.4.4 Notching: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.4.5 Ruido: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.5 Flutuações ou Oscilações de Tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.5.1 Flutuações Aleatórias: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.5.2 Flutuações Repetitivas: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.5.3 Flutuações Esporádicas: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3 – Parâmetros da Qualidade de Energia Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1 Parâmetros para um Sinal Senoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

x

3.1.1 Valor RMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.1.2 Sinal Senoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.1.3 Potência instantânea(W) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.1.4 Potência Ativa Fundamental(W) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.1.5 Potência Reativa Fundamental(VAr) . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.1.6 Potência Aparente Fundamental(VA) . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.1.7 Fator de Potência Fundamental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2 Parâmetros com Presença de Harmônicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2.1 Valor TRUE RMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2.2 Taxa de distorção Harmônica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2.2.1 O THD em tensão: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.2.2.2 O THD em corrente: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.2.3 Potência Ativa(W) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.2.4 Potência Reativa(VAr) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2.5 Potência Aparente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2.5.1 Distorção de Potência de tensão(VAr) . . . . . . . . . . . 19

3.2.5.2 Distorção de Potência de corrente(VAr) . . . . . . . . . . 20

3.2.5.3 Potência Aparente Harmônica(VA) . . . . . . . . . . . . 20

3.2.5.4 Distorção de Potência Harmônica(VAr) . . . . . . . . . . 20

3.2.6 Potência não Ativa(VAr) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2.7 Fator de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2.7.1 Fator de potência fundamental . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2.7.2 Fator de potência não fundamental . . . . . . . . . . . . 20

4 – Sistemas de Medição de Qualidade de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.1 Analisadores de Energia Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.1.1 Importância do Monitoramento da QEE . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.1.2 Monitores de QEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.1.3 Monitores Comerciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.1.4 Métodos de Cálculo de Parâmetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.1.4.1 Agregação de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.1.4.2 Marcação de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.1.4.3 Frequência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

xi

4.1.4.4 Magnitude de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.1.4.5 Flicker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.1.4.6 Afundamentos e sobretensões . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.1.4.7 Afundamento de Tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.1.5 Elevação de Tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.1.5.1 Interrupção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.1.5.2 Harmônicas e Interharmônicas . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.1.5.3 Ruídos de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.1.5.4 VTCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.2 Analisador de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.2.1 Condicionamento de Sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.2.2 Condicionamento de Tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.2.2.1 Estágio 1 e 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.2.2.2 Estágio 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.2.2.3 Estágio 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.2.3 Condicionamento de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.2.3.1 Estágio 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.2.3.2 Estágio 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.2.3.3 Estágio 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.2.4 Placa de Aquisição de Sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.2.5 Software de Aquisição e Processamento . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.2.5.1 Estrutura FPGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.2.5.2 Sistema de Processamento Real-Time . . . . . . . . . . . 39

5 – Análise de Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.1 Estudo de Caso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

6 – Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

6.1 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

6.2 Trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

xii

1

1 Introdução

Os objetivos do sistema elétrico de potência pode ser resumido como "transpor-tar eletricidade dos geradores de energia para os terminais elétricos de equipamentosque utilizam esta energia."e "manter as tensões nos terminais destes equipamentos comcertos limites."A qualidade é medida a partir das formas de onda em sinais de tensãoe corrente, apesar de as distorções do padrão de tensão têm sido registradas durantetodos os anos de uso da corrente alternada, a qualidade desta energia entregue eramraramente um objeto de estudo [1]. Têm sido atribuídas a alguns componentes elétricosdiversos distúrbios desta qualidade de energia, principalmente aos equipamentos comoinversores e retificadores que utilizam componentes de eletrônica de potência com carac-terísticas não-lineares, além de equipamentos como grandes motores e transformadoresque apresentam fortes características transitórias que podem também impactar estáqualidade e todos estes equipamentos estão comumente conectados a toda e qualquerrede elétrica. Atualmente existem diversos instrumentos de medição capazes de realizarmedições de vários parâmetros da rede elétrica no domínio do tempo, como os valoresde frequência do sinal e valores RMS de tensão e corrente. Existem também algunsmedidores de qualidade de energia que são capazes de indicar os valores de potênciasativas, reativas e aparentes, além de indicar analises feitas no domínio da frequência dealguns parâmetros como THDs e fornecer até mesmo espectros de frequências, estesmedidores possuem suas medições baseadas na norma [2], porém nem todos os parâ-metros existentes estão incluídos nesta norma, como por exemplo a forma que devemser efetuados os cálculos de harmônicas. Neste trabalho foi feito o projeto e construçãode um equipamento que realiza as medições dos sinais de tensão e corrente da rede,portanto com este equipamento pode-se coletar sinais do sistema elétrico por meio dasinstalações elétricas disponíveis e com isto obter importantes parâmetros da energiaentregue pelo SEP.

Este equipamento é composto por um circuito condicionador de sinais e umaplaca de aquisição de dados da National Instruments (MyRIO), diversas rotinas compu-tacionais são utilizadas via softwares como Labview para adquirir os dados e fazer umprocessamento de sinais em tempo real. Uma importante parte deste trabalho é a criaçãode um banco de dados para guardar as medições adquiridas e realizar também umprocessamento de sinais de forma off-line e não somente em tempo real. Neste trabalhocargas como computadores, motores, cargas resistivas e inversores foram ligados e seusefeitos em operação avaliados, a analise feitas em situações de diferentes cargas ligadasao sistema é importante para que se possa avaliar como é se realiza a interação dessascargas e validar os algoritmos criados neste trabalho.

Capítulo 1. Introdução 2

1.1 Relevância

Uma concessionária de energia elétrica necessita fornecer esta energia com umaqualidade que seja compatível com as necessidades do consumidor. Essa qualidade deenergia é medida por alguns parâmetros principais e idealmente seriam compostas poruma tensão puramente senoidal, com frequência e amplitude constantes. Entretanto,constatam-se na prática desvios daquilo que seria o ideal essas distorções do padrãosão definidas em [1] e [3] até certo ponto como sendo aceitáveis. Neste trabalho serealizou a construção de um equipamento que realiza as medições dos sinais de tensãoe corrente da rede, sendo capaz de realizar cálculos de parâmetros no domínio dotempo e no domínio da frequência, portanto com este equipamento pode-se coletarsinais do sistema elétrico por meio de instalações elétricas residenciais, comerciais eindustriais e com isto obter importantes parâmetros da energia entregue pelo SEP. Esteinstrumento possui grande utilidade para análise de resultados em laboratórios dediversas disciplinas, tendo em vista que a análise da qualidade de energia elétrica éinteressante para um grande número de áreas da Engenharia Elétrica.

1.2 Objetivos

O objetivo geral deste trabalho é implementar um sistema para medir a Qua-lidade de Energia Elétrica (QEE) utilizando métodos de calculo de parâmetros paraanalises de alguns fenômenos da energia elétrica, como distorções harmônicas, flutua-ções de tensão, variações de tensão de curta duração, desequilíbrio de sistemas trifásicose transitórios rápidos.

São objetivos específicos deste trabalho:

• Projetar e construir um sistema para medição da qualidade de energia.

• Criar algoritmos computacionais no Labview para a aquisição e analise os sinaisno domínio do tempo e da frequência utilizando de algoritmos com transformadasde Fourier aplicados aos sinais de energia elétrica coletadas;

• Analisar o que ocorre com a QEE devido a diferentes cargas ligadas como compu-tadores, carregadores de celular e motores por serem candidatos muito utilizadosna rede elétrica.

• Validar algoritmos de classificação de distúrbios comparando-os com equipamen-tos analisadores de energia comerciais.

Capítulo 1. Introdução 3

1.3 Organização do Trabalho

Este trabalho está organizado em seis capítulos, incluindo este capítulo introdu-tório.

No Capítulo 2 apresenta-se as definições e classificação dos fenômenos presentesna Qualidade de Energia Elétrica segundo as normas específicas .

No Capítulo 3 apresenta-se os parâmetros da Qualidade de Enegia Elétrica esuas principais funções.

No Capítulo 4 são apresentados os analisadores de qualidade de energia comer-ciais e a normas que eles atendem para que façam o monitoramento dos Fenômenosassociados à QEE, além da exposição de quais fenômenos de medição estes porventuranão façam a medição. Além disto a forma em que é construído o condicionamento desinais realizado neste trabalho e fazer uma introdução sobre a placa de aquisição de da-dos MyRio utilizada neste trabalho. Busca-se esclarecer a forma de isolar eletricamenteos sinais de potência a serem medidos daqueles de entrada da placa de aquisição.

Finalmente o Capitulo 5 apresenta as conclusões obtidas neste trabalho e apre-sentação de possíveis trabalhos futuros.

4

2 Fenômenos na Qualidade de Energia Elétrica

Segundo o documento da ANEEL [4] dentre os diversos problemas relacionadosà qualidade do produto, observam-se os relativos aos níveis de tensão que se refletemnas variações de tensão de curta duração (VTCD) que possuem duração inferior atrês minutos e variações de tensão de longa duração (VTLD) que possuem duraçãosuperior a este tempo. As magnitudes e frequências destes problemas são utilizadospara classificá-los de acordo com o estudo de [5] também presente neste capítulo.

2.1 Variação de Tensão de Curta Duração

As variações de tensão de curta duração podem ser caracterizadas por alteraçõesinstantâneas (0,5 a 30 ciclos), momentâneas(30 ciclos a 3 segundos) ou temporárias (3segundos a 1 minuto) dependendo da duração do fenômeno, importante ressaltar quepara Dugan em [5] a caracterização de uma VTCD é de apenas 1 minuto no máximodiferente da orientação da ANEEL que admite uma VTCD com base de tempo deaté 3 minutos. As variações de tensão são, comumente, causadas por condições defaltas, energização de grandes cargas que necessitem de altas correntes de partida,ou perda intermitente de conexões nos cabos no sistema. Dependendo da localizaçãoe da condição do sistema, a falta pode causar um afundamento, uma elevação ou ainterrupção total da tensão.

2.1.1 Afundamento de tensão:

Caracterizado por uma rápida redução no valor eficaz de tensão, igual ou su-perior a 10% e inferior a 90%. Os afundamentos são causados em geral por faltas eenergização de grandes cargas ou grandes motores e pela corrente de magnetizaçãodos transformadores. Os afundamentos também podem ser classificados em categoriasdependendo da sua duração. Estes tempos de duração normalmente correspondem aotempo de operação dos dispositivos de proteção das concessionárias [3][5] e [6]. Umexemplo deste fenômeno pode ser observado conforme a figura 1, em que ocorre umafundamento este o tempo de 40 ms e 90 ms e na figura 2 em que ao partir um motorpode-se ocasionar novamente este afundamento.

2.1.2 Elevação de tensão:

Caracterizada por um aumento superior a 10% e inferior a 80% no valor eficaz datensão (na frequência fundamental do sistema). Assim como os afundamentos de tensão

Capítulo 2. Fenômenos na Qualidade de Energia Elétrica 5

Figura 1 – Afundamento de tensão causada por uma falta fase-terra.

Figura 2 – Afundamento de tensão ocorrido pela partida de um motor.

as elevações também são associadas às condições de faltas no sistema, principalmenteno que diz respeito a curto-circuito fase terras, visto que nesta situação, as outras fasesdo sistemas experimentam uma elevação de tensão. Este fenômeno também pode serocasionado pela saída de grandes cargas e energização de grandes bancos de capacitores,porém o mais comum são elevações devido as faltas fase-terra nas redes de transmissãoe distribuição de energia [5] e [6]. Este fenomeno pode ser observado na figura 3 emque durante o intervalo de tempo de 0,08s e 0,11s ocorreu uma elevação de tensão.


Figura 3 – Elevação de tensão devido a uma falta fase-terra.

2.1.3 Interrupção de tensão:

Definida quando a tensão eficaz do sistema na frequência de operação do sistemadecresce para um valor inferior a 10% pelo período de até 1 minuto . Normalmente écausada por faltas no sistema de energia, falhas nos equipamentos e mau funcionamentodos sistemas de controle. A duração da interrupção é determinada pelo tempo de opera-ção dos dispositivos de proteção e religamento os quais dependem da filosofia adotada[5] e [6]. Na figura 4 pode-se observar esta interrupção causada pelo desligamento docircuito devido a um curto-circuito.

Figura 4 – Interrupção momentânea devido a um curto-circuito.


2.2 Variação de Tensão de Longa Duração

Segundo [5] as variações de tensão de longa duração são desvios que ocorremno valor eficaz da tensão ou na frequência do sistema, com duração superior a 1 minutoou superiores a 3 minutos segundo a ANEEL em [4]. Estas variações de tensão podemdenotar uma situação de interrupção sustentada, sobretensão ou subtensão. Todas estasvariações sobretensão ou subtensão[3].

2.2.1 Subtensão:

Caracterizado por uma rápida redução no valor eficaz de tensão, inferior a90% por um intervalo de tempo superior a 1 minuto. As subtensões são ocasionadas,principalmente, pelo aumento excessivo de cargas nos circuitos alimentadores. Foraisto, a saída de banco de capacitores e a conexão de grandes cargas no sistema elétricotambém podem causar subtensão [5] e [6].

2.2.2 Sobretensão:

Caracterizada por um aumento superior a 10% da tensão eficaz da tensão porum período superior a 1 minuto. As sobretensões podem ser ocasionadas devido à saídade grandes cargas ou energização de capacitores. Além disso, transformadores comtaps ligados de forma incorreta causam sobretensões [5] e [7].

2.2.3 Interrupção sustentada:

Definida quando a tensão eficaz na frequência de operação do sistema decrescepara zero pelo período de superior a 1 minuto. Normalmente as interrupções susten-tadas são de caráter permanente e há necessidade de intervenção da concessionáriapara reparar o sistema e restaurar o fornecimento de energiaa consequência de umainterrupção sustentada é o desligamento dos equipamentos elétricos exceto os queestejam protegidos por No-Breas ou ligados a baterias. [5] e [8].

2.3 Transitórios

Segundo [8] os fenômenos transitórios ocorrem no sistema elétrico em funçãode diversas condições. Muitos transitórios são decorrentes de variações instantâneasna corrente, as quais interagem com a impedância do sistema, resultando em elevadastensões instantâneas. Os transitórios podem decorrer em consequência de cargas comoperação de dispositivos semicondutores e problemas nos condutores. A duração deum transitório é pequena, porém de grande importância, uma vez que os equipamentos


presentes nos sistemas elétricos estarão submetidos a grandes solicitações de tensãoe corrente. Fenômenos transitórios podem ser classificados em dois grupos listados aseguir[5]:

2.3.1 Transitórios Impulsivos:

Os transitórios impulsivos são decorrentes de descargas atmosféricas. Segundo[5] e [8] sua definição pode ser formulada como uma alteração repentina nas condiçõesde regime permanente da tensão, corrente ou ambas, caracterizando-se por apresentarimpulsos unidirecionais em polaridade (positivo ou negativo) e com altas frequências,porém curta duração. Devido à alta frequência, este transitório é amortecido rapida-mente em decorrência das características do sistema elétrico, não se propagando assimmuito além do seu ponto de geração. Na figura 5 pode-se observar este fenômeno emum circuito ao ser atingido por uma descarga atmosférica.

Figura 5 – Corrente transitória impulsiva oriunda de uma descarga atmosférica.

2.3.2 Transitórios Oscilatórios:

Os transitórios oscilatórios são causados por diversos eventos. O mais frequenteé a energização e chaveamento de bancos de capacitores, o qual geralmente resulta emoscilações de tensão com frequência de 300 e 900 Hz, com magnitude máxima de 2,0 p.u.,


sendo os valores típicos de 1,3 a 1,5 p.u., com duração entre 0,5 a 3 ciclos dependendodas características de amortecimento do sistema[8]. Na figura 6 pode-se observar umtransitório oscilatório causado pelo chaveamento de banco de capacitores.

Figura 6 – Transitório proveniente do chaveamento de um banco de capacitores.

2.4 Distorções da Forma de Onda

A distorção da forma de onda é definida como um desvio, em regime permanente,da forma de uma onda puramente senoidal, na frequência fundamental e é caracterizadaprincipalmente pelo seu conteúdo espectral. Existem alguns tipos principais na formade onda[5].

2.4.1 Nível CC:

A presença de tensão ou corrente CC em um sistema elétrico CA pode levar àsaturação de transformadores, resultado em perdas adicionais e redução da vida útil doequipamento. Pode também causar corrosão eletrolítica dos eletrodos de aterramentoe de outros conectores. O nível CC em redes CA pode ocorrer como o resultado daoperação ideal de retificadores de meia-onda [5] e [7] .


2.4.2 Harmônicos:

Harmônicas são tensões ou correntes senoidais de frequências múltiplas inteirasda frequência fundamental na qual opera o sistema de energia elétrica. Estes harmônicosdistorcem as formas de onda da tensão e corrente e são oriundos de equipamentos ecargas com características não lineares instalados no sistema de energia [5]e [7]. Nafigura 7 tem-se um sinal de tensão com a presença de harmônicas de 3a e 5a.

Figura 7 – Forma de onda com distorções harmônicas de 3a e 5a ordem.

2.4.3 Interharmônicos:

Interharmônicos são componentes de frequência, em tensão ou corrente, quenão são múltiplos inteiros da frequência fundamental da rede. Estes podem aparecercomo frequências discretas ou como uma larga faixa espectral. Os interharmônicospodem ser encontrados em redes de diferentes classes de tensão. As suas principaisfontes são conversores estáticos de potência cicloconversores, motores de indução eequipamento a arco. Sinais carrier(sinal superposto ao sinal de tensão utilizado para


transmissão de informações) em linhas de potência também podem ser consideradoscomo interharmônicos[5].

2.4.4 Notching:

Notching é um distúrbio de tensão causado pela operação normal de equipa-mentos de eletrônica de potência quando a corrente é comutada de uma fase paraoutra. Este fenômeno pode ser detectado por meio do conteúdo harmônico da tensãoafetada. As componentes de frequência associadas com os notchings são de alto valore, desta forma, não podem ser medidas pelos equipamentos normalmente utilizadospara análise harmônica[5] e [7] . A figura 8 apresenta um sinal com a presença destedistúrbio.

Figura 8 – Tensão de alimentação de um conversor CC/CA.

2.4.5 Ruido:

De acordo com [5], [7] e [9], ruído é definido como um sinal elétrico indesejado,contendo uma larga faixa espectral com frequências menores que 200kHz, as quaissão sobrepostas às tensões e correntes de fase, ou encontradas no condutor neutro. Osruídos podem ser causados por circuitos de controle, fontes chaveadas, equipamentos


eletrônicos, equipamentos a arco, retificadores a estado sólido e fontes chaveadas enormalmente estão associados com aterramentos impróprios.

2.5 Flutuações ou Oscilações de Tensão

As flutuações de tensão correspondem a variações sistemáticas dos valoreseficazes da tensão de suprimento dentro da faixa compreendida entre 0,95 e 1,05pu.Tais flutuações são geralmente causadas por cargas industriais e manifestando-se dediferentes formas[5] e [7].

2.5.1 Flutuações Aleatórias:

As principais fontes destas flutuações são os fornos a arco, onde as amplitudesdas oscilações dependem do estado de fusão do material, bem como do nível de curto-circuito da instalação.

2.5.2 Flutuações Repetitivas:

Dentre outras fontes geradoras de flutuações desta natureza têm-se, Máquinasde solda; Laminadores; Elevadores de minas e Ferrovias.

2.5.3 Flutuações Esporádicas:

A principal fonte causadora destas oscilações é a partida direta de grandesmotores.

Os principais efeitos nos sistemas elétricos, resultados das oscilações causadaspelo equipamento mencionados anteriormente são de acordo com [7]:

XOscilações de potência e torque das máquinas elétricas;

XQueda de rendimento dos equipamentos elétricos;

XInterferência nos sistemas de proteção;

XEfeito flicker(cintilação luminosa).

13

3 Parâmetros da Qualidade de Energia Elétrica

De acordo com [11] o termo qualidade de energia elétrica (QEE), tem sido usadona academia para expressar as mais variadas características da energia elétrica entreguepelas concessionárias aos consumidores. Uma definição mais abrangente seria definirQEE como características qualitativa da energia utilizada pelos consumidores. Essascaracterísticas seriam de continuidade de suprimento e de conformidade com certosparâmetros considerados desejáveis para a operação segura, tanto do SEP como dascargas elétrica[12] [13] e [14].Entre os parâmetros a considerar tem-se:

XFlutuações de tensão;

XVariações de tensão de curta duração;

XDesequilíbrio de sistemas trifásicos;

XTransitórios rápidos.

XDistorções harmônicas;

A preocupação com a QEE é decorrente em parte da reformulação que o setorelétrico vem experimentando, para viabilizar a implantação de um mercado consumidor,no qual o produto comercializado passa a ser a própria energia elétrica. Os clientesdas concessionarias pagam por uma energia e esperam os melhores parâmetros dequalidade. Nesse contexto, as operadoras de sistemas elétricos são estimuladas, tantopelas agências reguladoras (ANEEL) como pelo próprio mercado, a prestar informaçõessobre as condições de operação ou fornecer detalhes acerca de eventos ocorridos e queafetaram os consumidores. Esse é um dos papéis do monitoramento e da análise daqualidade de energia elétrica [11].

3.1 Parâmetros para um Sinal Senoidal

As formas de onda com sinais puramente senoidais, ou seja sem a presençade harmônicos ou algum distúrbio são muito interessantes de serem medidos, poiscom eles pode-se calcular parâmetros que permitem uma análise da qualidade do sinalrecebido da concessionaria ou para análise de cargas em laboratórios, industrias ouresidencias.

Capítulo 3. Parâmetros da Qualidade de Energia Elétrica 14

3.1.1 Valor RMS

Para uma forma de onda puramente senoidal pode-se encontrar facilmentealguns parâmetros por meio de simples fatores como fator de pico e fator de forma,conforme mostrado na figura 9.

Figura 9 – Forma de onda senoidal e análise dos seus valores.

Os instrumentos tradicionais são projetados para senoides de 60/50 Hz e comisto mesmo instrumentos que indiquem a leitura de valor eficaz podem apresentar errossignificativos quando a corrente e tensão estão deformadas. Mais a frente é apresentadao conceito de TRUE RMS e com isto a forma de evitar estes erros.

Para efetuar o valor eficaz é necessário que seja aplicado a seguinte equação.

U =:

√1

T

∫ T

0

U2dt (1)

3.1.2 Sinal Senoidal

Uma fonte com forma de onda senoidal. Dada pela seguinte equação:

v = V sen(ωt) (2)

Ao suprir uma carga linear produz uma corrente puramente senoidal dada pelaequação:

i = Isen(ωt− θ) (3)


onde,

V é o valor de pico de tensão (V); I é o valor de pico de corrente (A); ω é afrequencia angular 2πf (rad/s); f é a frquencia do sinal (Hz); θ é a diferença de fase entrea corrente e tensão (rad); t é o tempo (s).

3.1.3 Potência instantânea(W)

A potência instantânea(p) é dada por

p(t) = v(t)i(t) = pa(t) + pq(t) (4)

onde, pa é relativa a potência ativa e pq a potência reativa. No domínio dafrequência tem-se que:

pa = P = V I cos(θ)(1− cos(2ωt)) = P (1− cos(2ωt)) = P = V Icos(θ) (5)

pq = Q = −V Isinθsin(2ωt) = −Qsin(2ωt) = V Isinθ (6)

3.1.4 Potência Ativa Fundamental(W)

A potência ativa pa dada pela equação acima na seção 3.1.3 é também chamadade potência real e é dada pela média da potência instantânea em um dado intervalo.[16]Dessa equação pode-se tirar que a potência ativa P pode ser dada por:

P = V ∗ I ∗ cos(θ) (7)

3.1.5 Potência Reativa Fundamental(VAr)

O valor da potência reativa Q se equivale a amplitude da oscilação instantâneapq dada pela equação acima na seção 3.1.3.

Dessa equação pode-se tirar que a potência reativa Q pode ser dada por:

Q = V Isinθ (8)

3.1.6 Potência Aparente Fundamental(VA)

A potência aparente S:S = V I (9)


S =√P 2 +Q2 (10)

3.1.7 Fator de Potência Fundamental

Fator de potência é definido como a relação entre a potência ativa e a potênciaaparente consumidas por um dispositivo ou equipamento, independentemente dasformas que as ondas de tensão e corrente apresentem. Os sinais variantes no tempodevem ser periódicos e de mesma frequência. Este fator de potência é igual a relaçãoentre a potência ativa P e a potência aparente S.[16]

FP =P

S(11)

3.2 Parâmetros com Presença de Harmônicos

As definições para potências ativas, reativas e aparentes são atualmente baseadasem conhecimentos desenvolvidos a partir de 1930. Essas definições servem bem aosestudos acadêmicos e a industria, desde que a forma de onda seja próxima a umaonda senoidal, porém com algumas das evoluções nas últimas décadas estas definiçõesprecisaram ser revistas.

Das mudanças ocorridas nos últimas décadas se destacam equipamentos basea-dos em eletrônica de potência, como drives controladores de velocidades, retificadorescontrolados, reatores eletrônicos de lampadas, ciclo conversores, fornos a arcos e reato-res de computadores representam as maiores cargas não lineares e continuam a crescernos meios industriais e comerciais.

Tais cargas tem um grande potencial em criar distúrbios na rede elétrica em quese encontram. O problema principal está no fluxo não-ativo de energia causado pelosharmônicos de tensão e corrente [15]. As formas de calcular estas harmônicas estãopresentes neste trabalho segundo o IEEE Std 1459-2010[16].

3.2.1 Valor TRUE RMS

Os instrumento de valor eficaz verdadeiros também chamados de TRUE RMS,surgiram como consequência da necessidade de se medir o valor eficaz de sinais quenão eram senoidais, ou seja, que continham harmônicas, pois com essas harmônicasnão permitem encontrar simples relações matemáticas para valor médio, valor depico e valor eficaz devido a existência de diferentes valores para as componentesharmônicas[15]. Conforme exemplo da figura 10.


Figura 10 – Forma de onda com presença de harmônicos.

Para o calculo do valor TRUE RMS no domínio da frequência é necessárioanalisar os valores para uma gama de frequências e só se obtém os valores de tensão ecorrente a partir da análise das seguintes equações.

V 2 = V 21 + V 2

H (12)

V 2H = V 2

0 +∞∑h=2

(Uh)2 (13)

I2 = I21 + I2H (14)

I2H = I20 +∞∑h=2

(Ih)2 (15)

Sendo que:

V= Valor eficaz de tensão; V1 = Valor eficaz da componente fundamental; V0=Valor eficaz da componente contínua; VH = Valor eficaz da tensão harmônica; I= Valoreficaz de corrente; I1= Valor eficaz da componente fundamental; V0= Valor eficaz dacomponente contínua; IH = Valor eficaz da corrente harmônica.

3.2.2 Taxa de distorção Harmônica

THD corresponde à Total Harmonic Distortion (taxa de distorção harmônica glo-bal).A taxa de distorção harmônica é uma notação muito utilizada para definir a impor-


tância do conteúdo harmônico de um sinal alternado.

Quando se conhece o valor eficaz total tem-se a seguinte formula:

THD1 =

√(yeffy1

)2 − 1 (16)

3.2.2.1 O THD em tensão:

Caracteriza a deformação da onda de tensão.Valor do THDu medido e fenôme-nos absorvidos em uma instalação:Um valor de THDu inferior à 5% é considerado comonormal. Nenhum mal funcionamento é temido. Um valor de THDu compreendido entre5% e 8% revela uma poluição harmônica significativa. Quaisquer mal funcionamentossão possíveis. Um valor de THDu superior a 8% revela uma poluição harmônica consi-derável. Mal funcionamentos são prováveis. Uma análise aprofundada e a colocação dedispositivos de atenuação são necessários.

THDV =

√(V

V1)2 − 1 =

VHV1

(17)

3.2.2.2 O THD em corrente:

Caracteriza a deformação de onde de corrente.A procura do poluidor se efetuamedindo o THD em corrente na entrada e em cada uma das saídas de diferentescircuitos, afim de se orientar em direção ao perturbador. Valor do THDi medido efenômenos absorvidos em uma instalação.

Um valor de THDi inferior a 10% é considerado como normal. Nenhum malfuncionamento não é temido. Um valor de THDi compreendido entre 10% e 50% revelauma poluição harmônica significativa. Existe risco de aquecimento, este que implica osobredimensionamento dos cabos e das fontes. Um valor de THDi superior a 50% revelauma poluição harmônica considerável. Maus funcionamentos são prováveis. Umaanálise aprofundada e a colocação de dispositivos de atenuação são necessários.[15]

THDI =

√(I

I1)2 − 1 =

IHI1

(18)

3.2.3 Potência Ativa(W)

A potência ativa P de um sinal comportando harmônicas é a soma das potênciasativas causadas por tensões e correntes de mesma ordem. A decomposição da tensão eda corrente em suas componentes harmônicas fornece a defasagem entre a tensão e acorrente harmônica de ordem h. [16]

P = P1 + PH (19)


PH = P0 +∞∑h=2

VhIh cos(ϕh) (20)

Sendo que:

P= Potência Ativa total; P1 = Potência Ativa da fundamental; PH = Potência Ativadas componentes Harmônicas; P0= Potência Ativa referente a componente contínua.

3.2.4 Potência Reativa(VAr)

A potência reativa é definida somente para a fundamental:

Q = U1I1 sin(ϕ1) (21)

3.2.5 Potência Aparente

A potência aparente fundamental pode continuar sendo calculada da mesmaforma da forma mostrada pela equação 10, porém com a presença de harmônicos outrotermo aparece na equação do calculo da potencia aparente a potência aparente nãofundamental.

S2 = (V I)2 = (V 21 +V 2

H)∗(I21 +I2H) = (V 21 I

21 )+(V 2

1 I2H)+(V 2

HI21 )+(V 2

HI2H) = S2

1 +S2N (22)

S2N = S2 − S2

1 (23)

Sendo que:

S = Potência aparente(VA); S1 = Potência aparente fundamental(VA); SN =Potência aparente não fundamental(VA).

Essa potência aparente não fundamental pode ser divida em outras três compo-nentes:

S2N = D2

V + S2H +D2

I (24)

3.2.5.1 Distorção de Potência de tensão(VAr)

DV = VH ∗ I1 = S1 ∗ THDV (25)


3.2.5.2 Distorção de Potência de corrente(VAr)

DI = V1 ∗ IH = S1 ∗ THDI (26)

3.2.5.3 Potência Aparente Harmônica(VA)

SH = VH ∗ IH = S1 ∗ THDI ∗ THDV (27)

3.2.5.4 Distorção de Potência Harmônica(VAr)

DH =√S2H − P 2

H (28)

Tipicamente tem-se que DI > DV > SH > PH

3.2.6 Potência não Ativa(VAr)

Essa potência carrega as componentes não ativas tanto da componente funda-mental quanto das componentes harmônicas e não deve ser confundida com Q1.

N =√S2 − P 2 (29)

3.2.7 Fator de Potência

Uma primeira indicação da presença significativa de harmônicas pode ser umfator de potência FP medido inferior ao cosθ devido a distorção causada pelas harmôni-cas.

3.2.7.1 Fator de potência fundamental

FP1 =P1

S1

= cosθ1 (30)

3.2.7.2 Fator de potência não fundamental

FP =P

S=

P1 + PH√S21 + S2

N

=1 + (PH/P1)FP1√

1 + THD2I + THD2

V + (THDITHDV )2(31)

21

4 Sistemas de Medição de Qualidade de Energia

Esta seção apresenta as bases do monitoramento de QEE, assim como a estruturado sistema de medição elaborado por este trabalho, além disto possui exemplos deequipamentos comerciais que são utilizados como base de comparação.

4.1 Analisadores de Energia Elétrica

O monitoramento da QEE é o processo de coleta, análise e interpretação dasmedições de corrente e tensão em um determinado ponto do sistema elétrico. A formamais abrangente de monitoramento é através de sistemas permanentemente instalados,capazes de reunir sem a necessidade contínua de um operador as informações a respeitoda qualidade e consumo de energia [5] e [17]. Para fins de pesquisa o conhecimentoda QEE é algo motivador porém diversos autores sempre demonstram a importânciade uma energia elétrica de qualidade e os prejuízos econômicos que acarretam deum serviço de má qualidade desde um elevamento de tensão até uma interrupçãosustentada. Devido a isto existem hoje no mercado algumas opções de analisadores deenergia que são utilizadas não somente por universidades[5] e [9].

4.1.1 Importância do Monitoramento da QEE

O monitoramento permanente ou semipermanente da QEE possibilita segundo[9] e [17]:

• Reunir informações estatísticas do desempenho do fornecimento de energia emum determinado ponto da rede ou de um equipamento específico;

• Monitorar a rede como um todo, ao invés de monitorá-la apenas na interface como consumidor, possibilitando, por exemplo, avaliar o desempenho da proteçãodo sistema e evitar a ocorrência de afundamentos e interrupções de tensão combase nos dados e não somente no tempo de operação (“manutenção preditiva daQEE”);

• Utilizar as medições coletadas para encontrar a causa de um problema de QEE ouanalisar os eventos que provocaram uma interrupção ou “apagão”.

De acordo com [5], a existência de uma vasta gama de fenômenos relacionadosà QEE provoca grande dificuldade para a elaboração de procedimentos e equipamen-tos padronizados de medição de QEE. Um grande número de instrumentos pode ser

Capítulo 4. Sistemas de Medição de Qualidade de Energia 22

utilizado para medir as variáveis de interesse do sistema (e.g. multímetros, oscilos-cópios, analisadores de distúrbios e harmônicos, etc). A seleção do instrumento a serutilizado está relacionada com a natureza do fenômeno investigado e com os objetivosda monitoração. Os monitores de QEE modernos são equipados com sistemas inteli-gentes, tornando-os capazes de, sozinhos, analisar, interpretar e transmitir ao usuárioo resultado das medições coletadas. Segundo [2] os monitores de classe A, devem sercapazes por exemplo de processar o mesmo sinal e devem portanto chegar aos mesmosresultados [17].

4.1.2 Monitores de QEE

Leborgne[18] Apresenta o diagrama esquemático com a estrutura geral de ummonitor de QEE:

Figura 11 – Esquemático de construção de um monitor de QEE.

No bloco M1, os sinais provenientes do barramento(ou de TPs e TCs para o casode monitoramento em sistemas de média e alta tensão). A amostragem e digitalizaçãodos sinais é representada pelo bloco M2. A taxa de amostragem é comumente espe-cificada em amostras por ciclo da frequência fundamental, sendo, preferencialmente,configurável pelo usuário. Os blocos M3 e M4 representam a conversão das grandezasamostradas em formas adequadas para a detecção de cada fenômeno de QEE (e.g.espectro de frequência, valor RMS, valor de pico, etc).

A estrutura geral de um monitor de QEE contém ainda o controle de disparo(M6), responsável pela detecção dos pontos iniciais e finais dos eventos de QEE, ocontrole de registro (M7), que realiza o armazenamento dos dados de acordo com otipo de problema de QEE investigado, e os bloco M8 e M9 que gerenciam a exibiçãodos resultados e a comunicação com outros dispositivos. O bloco M5 representa, entre


outras, a possibilidade de escolha do método de detecção, dos critérios de disparo earmazenamento de dados[17].

4.1.3 Monitores Comerciais

A norma [2] caracteriza os fenômenos de QEE de acordo por meio da analise desus duração e amplitudes com isso algumas outras analises interessantes deixam deser feitas. O CEFET-MG possui em seus laboratórios um medidor que se enquadra nospadrões desta norma o Fluke 434, além do monitor da Embrasul RE6000/PT ambossão considerados medidores de classe A, ou seja, atendem plenamente a norma, sendoassim os mais recomendados para realizar comparações entre diferentes modelos demedidores, o equipamento de classe B possuem metodologias definidas pelo fabricantee por isso são recomendados para verificações menos importantes. Segundo [17] outrosmedidores como o Hioki PW3198, QNA 413, SIEMOS PQ e Dranetz 4400 são exemplosde monitores que seguem a mesma norma e podem ser encontrados no mercado. Asfiguras 12 e 13 apresentam os analisadores comerciais citados acima.

Figura 12 – Analisadores de QEE comercial Embrasul RE6000

O RE6000 e o Fluke 434 são dotados de entradas trifásicas de tensão e corrente,o que os permite a análise de tensões, correntes, potências ativas, reativas e aparentes,fator de potência, desbalanceamentos, distorções harmônicas totais de tensão e decorrente, frequência, consumo, demandas e interrupções.

O RE6000 pode vir com o módulo H que permite analise de Harmônica e indica amedição delas na rede. Este modelo é utilizado para aplicação em sistemas elétricos ondese pretende medir os níveis e as características das distorções harmônicas presentes


Figura 13 – Analisadores de QEE comerciais. Da esquerda para a direta e de cima prabaixo: Hioki PW3198, QNA 413, SIEMOS PQ, Dranetz 4400 e Fluke 434.

no circuito. A medição pode ser feita até a 50a ordem, analisando harmônicas deordens pares e ímpares o que permite conforme recomendado por [5] uma avaliaçãocompleta do sistema medido. Métodos de medição utilizados: IEC IEC 61000-4-30 epara harmônicos: IEC 61000-4-7.

O Fluke 434 é capaz de realizar medições corriqueiras como a tensão, corrente epotência consumida por uma carga e também de detectar fenômenos relacionados aQEE, como os harmônicos e flicker. Este equipamento possui um modo Dips and Swellsque permite a verificação de VTCDs, fornecendo em uma tabela os instantes iniciais efinais dos eventos, bem como, suas magnitudes e classifica-os de acordo com as defini-ções da norma IEC 61000-4-30. O Fluke 434 não é capaz de armazenar a oscilografia doseventos ocorridos [17].


4.1.4 Métodos de Cálculo de Parâmetros

A norma [2] indica o padrão em que os parâmetros da qualidade devem sercalculados, por meio das medições realizadas. Os medidores de classe A atendemplenamente a esta norma e conforme pode-se verificar em [2] e [19] tem-se os seguintesmétodos a serem seguidos.

4.1.4.1 Agregação de dados

A forma de agregação dos dados de protocolos de medição de parâmetros dequalidade não possuía uma formatação definida antes da norma [2]. Esta norma padro-niza a estrutura de agregação dos dados adquiridos para seu posterior processamentode sinais, com isto evita que fabricantes criem equipamentos que não façam a agregaçãosobre todos os dados, ou utilizem leituras espaçadas no tempo de valores diferentes eperdendo assim vários ciclos de informação. A norma indica que os dados devem seragrupados em 3 tempos diferentes:

X180 ciclos para 60Hz ou 150 ciclos para 50Hz;

X10 minutos;

X2 horas.

A norma [2] diz que o primeiro nível de agregação se dá por 15 grupos de 10ciclos quando em 50Hz ou 12 ciclos quando em 60Hz. Veja que a primeira agregaçãonão se dá por tempo, mas por ciclos. A razão é que a duração dos ciclos se referem afrequência real medida e não ao período de tempo de 1/60 ou 1/50 segundo. O inicio dacontagem dos 10/12 ciclos se dá após a passagem pela virada do período de 10 minutose o sincronismo é refeito no início do próximo período. Na figura 14 pode-se visualizaro esquema para a agregação de dados na frequência de 60 Hz.

4.1.4.2 Marcação de dados

A marcação de dados somente ocorre por fenômenos de VTCD e interrupção, eindica que os outros parâmetros (frequência, por exemplo) irão apresentar valores nãoconfiáveis. O conceito de marcação de dados serve justamente para informar que umvalor agregado pode ser sido influenciado por um fenômeno diferente do que se planejaverificar. Por exemplo, durante um afundamento, ser apresentada uma variação deharmônicas também, que neste caso foi criada em função do próprio afundamento e nãoda característica de harmônicas do sistema. A informação marcada deve ser armazenadanormalmente, somente sendo informada da marcação.


Figura 14 – Agregação de dados na frequência de 60 Hz

4.1.4.3 Frequência

A frequência deve ser calculada a cada 10 segundos. O seu cálculo se dá pelacontagem do número de ciclos inteiros dividido pela duração dos 10 ciclos inteiros noperíodo de 10 segundos. O período de 10 segundos deve ser um dos períodos de 10segundos do minuto do tempo. Outras formas de cálculos são aceitas, porém devemapresenta os mesmos resultados que esta forma.

4.1.4.4 Magnitude de tensão

O valor deve ser o RMS sobre 10 ciclos em 50 Hz ou 12 ciclos em 60 Hz, sendoque não deve haver sobreposição de períodos de 10/12 ciclos adjacentes.

4.1.4.5 Flicker

O flicker deve ser calculado de acordo com a norma IEC 61000-4-15 e os dadosagregados devem ser marcados conforme o conceito da norma IEC 61000-4-30.


4.1.4.6 Afundamentos e sobretensões

Os valores utilizados para a comparação do valor eficaz com o valor definidocomo trigger é medido como a tensão RMS entre o período de 3 passagens por zerode no ciclo. Este período é, portanto, dependente da frequência medida da tensão ea norma sugere que seja usada a última medição de frequência não marcada para adefinição do período do ciclo. O valor é calculado a cada meio ciclo.

4.1.4.7 Afundamento de Tensão

O Afundamento de Tensão inicia quando a primeira tensão cai abaixo do valordefinido de trigger e somente termina quando retornam todas as tensões que baixaramao valor do trigger acrescido do valor de histerese. Para avaliação, a tensão residual é amenor tensão medida no período em qualquer sinal do sistema trifásico. O afundamentoé a diferença entre o valor de referencia e a tensão residual expressa em valor percentualem relação a tensão de referencia.

4.1.5 Elevação de Tensão

A elevação se inicia quando a primeira tensão sobe acima do valor definido detrigger e somente termina quando retornam todas as tensões que subiram, ao valordo trigger decrescido do valor de histerese. A sobretensão é o maior valor medido nosistema trifásico.

4.1.5.1 Interrupção

Uma interrupção ocorre quando todas as tensões de um sistema ficam abaixo dovalor de trigger e termina quando qualquer uma delas sobe acima deste valor mais ovalor de histerese.

4.1.5.2 Harmônicas e Interharmônicas

A norma define que as harmônicas de tensão devem ser calculadas conforme anorma IEC 61000-4-7:2002 classe 1, e que deve ser determinado um período de 10/12ciclos, sem gaps. A agregação segue o conceito da 61000-4-30.

4.1.5.3 Ruídos de tensão

Os ruídos são sinais repetitivos de alta frequência (até 3 kHz) e devem serapresentados como o valor RMS e sua frequência ou aproximado pelos 4 valores maispróximos. Por exemplo, um sinal de 316,67 Hz pode ser aproximado pelos valores RMSde 310, 315, 320 e 325 Hz. O início de uma emissão de um ruído deve ser detectado


através de um trigger para a frequência desejada. O armazenamento do registro deveser feito por um período definido pelo usuário que pode ser de até 120 segundos. Nãoexiste agregação para este parâmetro.

4.1.5.4 VTCD

Uma variação rápida de tensão é caracterizada como uma mudança de nívelde tensão de um estado para outro. Para que seja caracterizada como uma variaçãorápida de tensão, os níveis não devem sensibilizar VTCD. Os parâmetros que devemser configurados para este protocolo de medição são:

XTaxa de variação;

XTempo mínimo de duração do estado;

XMínima diferença de tensão entre estados;

XEstabilidade do nível.

4.2 Analisador de Energia

O projeto do analisador de energia é composto de um circuito condicionador desinais, uma placa de aquisição e o software de processamento de sinais. Todos eles sãoexpostos neste trabalho. Na figura 15 tem-se o esquemático típico de um sistema decondicionamento e aquisição de sinais.

4.2.1 Condicionamento de Sinais

O projeto de condicionamento de sinais visa isolar e converter eletricamente atensão e corrente de alta potência e ajustá-los para níveis de baixa potência. O condicio-nador é baseado no circuito projetado em [20] onde o circuito de condicionamento detensão e corrente convertem os sinais para entradas da placa de aquisição de sinais comtensão alternada de até (±20VPP ).

4.2.2 Condicionamento de Tensão

A PCI responsável pelo condicionamento de tensão deve receber sinais queequivalem a tensão de pico a pico do sinal que se deseja medir, portanto ±360V , essesinal deve ser condicionado para valores compatíveis com as entradas analógicas daplaca de aquisição. Primeiramente isto é feito utilizando um divisor resistivo, logo apósacoplado opticamente a um amplificador de instrumentação para ajustar o ganho eo nível CC gerado pelo sensor. Conforme descrito em [20] "Por fim, o sinal deve ser


Figura 15 – Esquemático do circuito condicionador de sinais e da aquisição de sinais

submetido a um filtro anti-aliasing compatível com a frequência de amostragem da placade aquisição de dados conforme o teorema de Nyquist".

Conforme mostrado na figura 16 o condicionamento de tensão é feito por meiode 4 estágios.

XRedução do Sinal;

XIsolação Elétrica;

XTratamento dos Sinais;

XFiltro Anti-Aliasing.

Figura 16 – Diagrama de blocos para o condicionamento de tensão


4.2.2.1 Estágio 1 e 2

Para a redução do sinal de tensão utiliza-se um divisor de tensão para a reduçãodo sinal, conforme indicado na figura 17:

Figura 17 – Circuito contendo o estágio 1

Os resistores R1 e R2 são responsáveis pelo divisor de tensão, portanto a tensãosobre o resistor R2 precisa ser compatível com a entrada do próximo estágio. A isolaçãodo circuito é feita por meio do isolador óptico HPCL7840 que se encontra na figura 18,este isolador possui no lado de maior potência entradas de alimentação de 5V e doisterminais Vi+ e Vi- que suportam uma tensão de até 300mVpp, portanto a saída dodivisor resistivo deve fornecer sinais compatíveis com estes níveis de sinais, além distona entrada é necessário que o terra da fonte de alimentação e do sinal sejam interligados.Na saída do isolador óptico tem-se terminais para outra fonte de 5V e dois terminaisVout+ e Vout- que possuem sinais proporcionais a seus pares na entrada, porém estessinais já são isolados da fonte de sinais e possuem um ganho típico de G=8, fornecidopelo HPCL7840. Após essas considerações sobre o isolador óptico pode-se obter que aequação do divisor de tensão deve ser:

VR2 = V1R2

R1 +R2

(32)

V1 = 360VPP ; VR2 = ±0, 25VPP ; ao invés de se utilizar os valores máximos deentrada do HCPL7840 de 0,3V, usou-se um valor em VR2 menor para permitir a aquisiçãode sinais de até V1=150VRMS , o que pode ocorrer, por exemplo, em uma sobretensão.

Ao se escolher o valor de R1 = 330 kΩ, encontra-se R2 = 220Ω. O valor de correnteque circula em cada resistor foi limitado com a escolha de um resistor R1 com uma alta


Figura 18 – Circuito de montagem típica para o isolador óptico HCPL-7840 usado noestágio 2

resistência e procurando obedecer os valores comercialmente disponíveis de forma queao fim chegou-se a:

R2 = (220 ± 5 %) kΩ 14W

Ri = (330 ± 5%) kΩ 1 W

4.2.2.2 Estágio 3

Neste estágio utilizou-se um amplificador de instrumentação INA126 que realizaa diferença entre as tensões em seus terminais de entrada de sinais e aplica um ganhodeterminado pela seguinte equação:

G = 5 +80k

RG

(33)

Sendo RG a resistência inserida entre nos terminais de ganho do amplificador(1 e 8).No caso deste trabalho não houve resistência inserida e utilizando-se assim o ganho deG=5. O terminal de referência do amplificador foi ligado ao terminal variável de umtrimpot para que se pudesse eliminar o valor de componente CC gerado pelos estágiosanteriores ainda na placa de condicionamento.

4.2.2.3 Estágio 4

A placa de aquisição de sinais fornece no máximo 2 canais de entrada analógica,como ela placa possui uma taxa de amostragem de 500 kS/s, tem-se que cada canalpossui taxa de amostragem de no mínimo 62 KS/s. O Teorema de Nyquist exige que:

fAMOSTRAGEM > 2fCORTE (34)

Portanto, o filtro deve possuir frequência de corte de 31 kHz. O filtro escolhidofoi o de Butterworth de 2a ordem com ganho G=1 pela sua fácil implementação, banda


de passagem sem muitas oscilações e alta taxa de atenuação -40 dB/dec. garantindoque, na frequência de corte, a amplitude do sinal de saída seja atenuada em cerca de25%. As condições necessárias para o projeto do filtro são:

R1 = R2 = R (35)

RF = R1 +R2 (36)

C1 =0.7072

2πfcR(37)

C2 = 2C1 (38)

Respeitando as condições citadas, escolheu-se:R1 = R2 = (10 ± 1%) kΩ 1

4W

RF = (20.5 ± 1%) kΩ 14W

C1 = 47 pF 50VC2 = 22 pF 50V

Com isto obtém-se que para uma sinal de entrada nominal de V1=127VRMS osinal de saída do circuito de condicionamento de tensão na etapa final tem um valor :

V out = VR2 ∗ VGestagio2 ∗ VGestagio3 ∗ VGestagio4 = 10VPP (39)

Onde; VR2=250mVpp ,VGestagio2 é dado pelo ganho do HCPL7840 que tipicamenteé G=8, VGestagio3 que é o ganho dado pelo INA126 que é de G=5 e o VGestagio4 que foi umfiltro projetado para apresentar ganho unitário.

4.2.3 Condicionamento de Corrente

A PCI destinada ao condicionamento de corrente deve receber os sinais decorrente e transformá-los em equivalentes de sinais de tensão. Isto é feito primeiramentepor meio de um sensor de efeito hall com capacidade de converter uma corrente de 0 a30A para uma tensão equivalente de até 0 a 5V, logo após foi utilizado um amplificadorde instrumentação para ajustar o ganho e o nível CC gerado pelo sensor. Assim comono condicionamento de tensão é necessário um filtro anti-aliasing.

Diferentemente do que ocorre no condicionamento de tensão o circuito de condi-cionamento de corrente possui 3 estágios:

XSensor de efeito Hall;

XTratamento do Sinal

XFiltro Anti-Aliasing


4.2.3.1 Estágio 1

Neste estágio utilizou-se o sensor ACS712, este sensor utiliza o principio doefeito Hall que esta relacionado ao surgimento de uma diferença de potencial em umcondutor elétrico proporcional ao fluxo de corrente e um campo magnético, sendo assimeste sensor isola eletricamente o sinal medido do sistema de aquisição. O componenteutilizado permite a passagem de uma corrente de até 30A entre seus terminais IN+ eIN-(1 e 2) e no terminal de saída Vout+ (7) deste sensor tem-se uma tensão proporcionala corrente de entrada em relação ao seu terminal GND (5). O sensor é alimentado poruma fonte de 5V e sua saída é limitada por esta alimentação,com isso obtêm-se a relaçãode tensão de saída pela corrente de entrada .

VOUT

IIN=

5V

30A=

0, 166mV

A(40)

A figura 19 indica as ligações tipicas do sensor ACS 712.

Figura 19 – Diagrama interna do sensor de efeito Hall utilizado no estágio 1 do condici-onamento de corrente

4.2.3.2 Estágio 2

Assim como no estágio 3 do circuito de condicionamento de tensão foi utilizadoneste estágio de condicionamento de corrente um amplificador de instrumentação INA126. Novamente o ganho escolhido foi G=5 e foi utilizada a estratégia de se ligar umtrimpot no terminal de referência do amplificador para corrigir a tensão CC do circuito.


4.2.3.3 Estágio 3

O estágio 3 será composto por um filtro igual ao utilizado no circuito condicio-nador de tensão.

Com isto obtém-se que para um valor máximo de 30A o sinal de tensão final nasaída do circuito de condicionamento de corrente possui um valor igual a:

V out = VACS712 ∗ VGestagio2 ∗ VGestagio3 = 12, 5VPP (41)

Onde; VACS712=2,5Vpp para uma corrente de 30A,VGestagio2 é dado pelo ganho doINA126 que tipicamente é G=5 e VGestagio3 que foi um filtro projetado para apresentarganho unitário.

V out = 5V ∗GINA126 = 12, 5VPP (42)

Todo o circuito de condicionamento de tensão e corrente foi projetado no soft-ware Proteus e o esquemático com o projeto do circuito, a placa PCB com a disposiçãodos componentes em sua vista planificada e 3D se encontram respectivamente nasfiguras 20 à 22.

Figura 20 – Esquemático completo do circuito de condicionamento de tensão e corrente


Figura 21 – PCB completo do circuito de condicionamento de tensão e corrente

Figura 22 – PCB 3D completo do circuito de condicionamento de tensão e corrente


4.2.4 Placa de Aquisição de Sinais

A placa de aquisição de sinais que este trabalho utiliza é uma placa da NationalInstruments (NI) NI myRIO. Está placa possui dois processadores Xilinx Z-7010 quepossuem dois núcleos cada e velocidade de 667MHz. Um núcleo é exclusivo para oprocessamento da estrutura FPGA da placa. O MyRIO possui 12 portas de EntradaAnalógicas. Neste trabalho foram utilizadas as entradas analógicas diferenciais quepossuem tensão máxima de entrada de ±10V e resolução de 12 bits. Essas portassão multiplexadas para um único conversor analógico para digital ADC, com isso ataxa de amostragem para as entradas analógicas de 500 KS/s de forma que na figura23 a estrutura das entradas analógicas pode ser visualizada. Segundo [2] e [18] osequipamentos de aquisição necessitam da taxa de amostragem de pelo menos duasvezes o valor da 50a Harmônica da rede analisada, portanto esta placa é capaz deatender o requisito de taxa de amostragem.

De acordo com a figura 23 pode-se analisar o diagrama de blocos desta placa deaquisição.

Figura 23 – Diagrama de blocos do NI myrio

As entradas analógicas usadas são diferenciais o que significa que os sinais Vin+


e Vin- estão flutuando em relação ao terra analógico(AGND) o que faz que este tipode entrada tem alta rejeição a ruídos de modo comum. Neste trabalho a entrada Vin-foi aterrada ao AGND tanto na medição de tensão quanto na corrente. As figuras 24e 25 demonstram o diagrama das entradas analógicas da placa e um esquemático dasentradas diferenciais.

Figura 24 – Diagrama das entradas analógicas no NI MyRIO

4.2.5 Software de Aquisição e Processamento

Para a aquisição de dados utilizou-se um software para a programação da placade aquisição de dados, esta programação foi feita no Labview 2014. O Labview é umaplataforma para aplicações em engenharia da National Instruments, esta plataformapermite uma programação simples com sintaxe de gráfica em estruturas de blocos, istoagiliza a criação do código final e torna o seu entendimento mais didático.

A programação feita se focou em dois pontos, o primeiro foi feito pela estruturaFPGA do MyRIO que basicamente foi responsável pela aquisição dos dados. A segundaparte foi feita pelo sistema de processamento em tempo real, nele foi feita toda aparte de processamento dos sinais e transferência dos dados brutos adquiridos para ocomputador, criando um banco de dados do sistema.


Figura 25 – Diagrama das entradas analógicas no NI MyRIO

4.2.5.1 Estrutura FPGA

O chip FPGA é composta de um número finito de recursos predefinidos cominterconexões programáveis para implementar um circuito digital reconfigurável. Essecircuito contém blocos de entradas e saídas para permitir que o circuito de acesso aomundo exterior.

A programação inicial do sistema foi feito no Labview 2013, porém com estaversão não foi possível a aquisição de dados com uma frequência maior do que 1KHzno sistema de processamento de tempo real. Com isto foi instalado a versão 2014 dosoftware que permitiu a compilação do FPGA da placa, de forma que a aquisição dedados foi feita com uma maior frequência possível, visto que a aquisição foi otimizadapara adquirir somente os dados das entradas analógicas utilizadas.

Com a compilação pôde-se utilizar melhor o poder do processador do sistemaFPGA da placa para o nosso sistema. A taxa de aquisição de dados aumentou para100KHz, o que é cerca de 30 vezes maior do que a taxa necessária para analise do 50a

Harmônico. Esta taxa elevada é importante, pois como o sistema de aquisição utilizaum multiplexador na entrada do ADC tem-se então que a aquisição dos canais não ésimultânea o que pode gerar um defasamento entre os ângulos de tensão e corrente aoserem analisados. Na figura 26 tem-se a estrutura da programação feita no FPGA.


Figura 26 – Código de programação do sistema FPGA do NI MyRIO

4.2.5.2 Sistema de Processamento Real-Time

A programação do sistema de processamento Real-Time foi responsável pelaimplementação dos algoritmos para os cálculos dos parâmetros e detecção de algunseventos no sinais. O primeiro passo foi a transformação dos sinais analógicos queestavam em palavras binárias de 12 bits para valores de -10V a 10V, logo -2047=-10V e2048=10V.

Como os sinais medidos foram condicionados para os valores das entradas ana-lógicas, ou seja, de 360Vp e 30A para ±10V , todo o processamento deve ser calibradopara os seus valores originais de tensão e corrente, devido aos cálculos feitos no condi-cionamento tinha-se os valores nominais das relações de tensões e correntes medidose tensões de saída da PCI, ainda assim utilizou-se um multímetro Fluke 179 para acalibração.

Para a calibração de tensão utilizou-se um multímetro e mediu-se a tensão TRUERMS da fonte, no sistema de processamento também foi calculado o valor TRUE RMS dosinal, sendo assim o valor do sinal processado foi calibrado por meio da multiplicaçãoda relação entre o sinal medido no multímetro na função de medição de tensão e o sinalcalculado no sistema. Analogamente o mesmo foi feito para a corrente ao se ajustar


a corrente para 1A sobre um resistor, com isto pôde-se novamente obter a relação domultímetro na função de medição de corrente e do sinal calculado pelo sistema e calibraro sinal processado.

Os parâmetros de tensões V e correntes I além de potências, S, P e Q foramcalculados via algoritmo implementado neste programa em que a cada 12 ciclos detensão e corrente são efetuados os cálculos de seus valores TRUE RMS seguindo assimas recomendações da norma [2]. Além destes parâmetros foi feita uma análise completapara os harmônicos contidos nos sinais seguindo as orientações da norma [16]. Portanto,foram calculados os parâmetros de tensões V, V1 e VH , de acordo com as equações(12) e (13) além dos parâmetros de corrente I, I1 e IH , de acordo com as equações (14)e(15). Com isto pôde-se calcular os parâmetros como THDv e THDi, conforme equações(17) e (18) e analisar as potências relacionadas somente as ondas fundamentais P1,S1 e Q1, com equações obtidas em (19), (21) e (22) respectivamente. Por fim analisarquantitativamente as distorções causadas pelas harmônicas obtendo assim PH SN , DV ,DI , SH , DH e N , todos estes parâmetros obtidos das equações em (19), (22), (23), (24),(25), (26), (27), (28) e (29). Obteve-se também o valor do fator de potência que leva emconsideração os efeitos das harmônicas conforme equação (31).

Nas figuras 27, 28 ,29, 30 e 31 encontram-se respectivamente o código criadopara o processamento em tempo real, as telas dos sinais adquiridos, analise do espectrodos sinais , analise dos parâmetros de Harmônicos e analise das fases.

Além desta análise o sistema ainda salva os dados brutos adquiridos de tensãoe corrente. Os arquivos gerados tem um formato .lvm que é o formato de escrita eleitura de banco de dados do Labview. O sistema final aquisição de e processamentode dados da QEE manipula esses arquivos em pastas dentro do diretório principal dearmazenamento criando um novo arquivo a cada 60 segundos, dispostos da seguinteforma: C : \SAQEE \ < DATA >.lvm Este tipo de estrutura permite uma posterioranalise de arquivos de forma Off-Line.


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Figura 27 – Código de programação do sistema Real-Time do NI MyRIO

Figura 28 – Tela com os gráfico com sinais de tensão e corrente e gráfico de potênciainstantânea


Figura 29 – Tela com os gráficos de espectro de tensão e corrente.

Figura 30 – Tela com os parâmetros de analise harmônica


Figura 31 – Tela com os gráficos de angulo entre fase de tensão e corrente até a 15a

Harmônica

44

5 Análise de Resultados

Após a implementação do sistema de condicionamento de sinais, do estudo daplaca de aquisição e da construção do código para o processamento de sinais precisouse realizar testes para validar o sistema de análise de QEE, que daqui para a frenteserá representado pela sigla (SAQEE), e para estes testes foram propostos ensaios comdiferentes cargas disponíveis nos laboratórios do CEFET-MG. A comparação entre osresultados do SAQEE foi feita com a utilização de um analisador de qualidade deenergia comercial, o Fluke 434, com isto pôde-se comparar a maioria dos parâmetroscalculados neste trabalho.

5.1 Estudo de Caso

O primeiro teste realizado foi com o um ventilador do laboratório, este ventiladorpossui uma potência nominal de 200W e apresenta uma eletrônica de controle develocidade feita via um Triac (Triode for alternative Current). Este componente permitecontrolar a velocidade do motor, pois ele é capaz de bloquear de forma controlável partedos semiciclos positivos e negativos da onda, com isto o valor RMS sobre o motor doventilador cai e ele gira de forma mais lenta, assim como pode ser ajustado para permitirque grande parte da tensão atue sobre o motor fazendo-o girar de forma mais rápida.As ligações do Fluke434 e SAQEE foram ligados e forneceram os dados presentes nafigura 32, que mostra a bancada em que os testes foram realizados e na figura 33 quemostra a forma de onda no computador.

Neste primeiro momento a velocidade do ventilador foi ajustada para o mínimovalor possível e os resultados adquiridos foram fotografados tanto no Fluke 434 tantono SAQEE, porém os resultados serão apresentados na tabela 1 para maior facilidadede visualização.

Na tabela 1 o "*"mostrado significa que fator de forma não foi calculado noprograma, mas sim por uma divisão posterior do valor pico pelo RMS.

Nas figuras 33 e 34 estão demonstradas os espectros de frequência calculadopelo Fluke 434 e pelo SAQEE respectivamente.

Pôde-se observar que o TRIAC operando o motor a baixa velocidade tivemosuma alta taxa de distorção harmônica de corrente, THDi, isto é devido as interrupçõesnos semi-ciclos positivo e negativo, conforme bem visível nas figuras 32 e 33. A THDvfoi bem menor devido ao fato da carga ligada não ser muito relevante para o barramento.Caso a carga fosse maior haveriam correntes passando pelo neutro o que causaria uma

Capítulo 5. Análise de Resultados 45

Figura 32 – Bancada com Analisador de QEE Fluke 434 e do SAQEE

Figura 33 – Tela do SAQEE com a forma de onda de tensão e corrente para o ventiladorligado a baixas velocidades

distorção na tensão. Os resultados na tabela 1 mostram certas diferenças nos valoresde potencias, apesar de os valores de tensão e corrente calculados serem próximos,como o SAQEE é capaz de calcular o P1, S1 e Q1 (fundamental)em separado de P,S eN (fundamental+harmônicas)pôde-se identificar que os valores mostrado pelo Fluke434 são mais próximos das potências fundamentais indicadas SAQEE. Esta análise,


Tabela 1 – Comparação entre Fluke 434 e SAQEE

Parâmetro Fluke 434 SAQEEVRMS 127,7 V 126,71 VVP 177,7 V 177,8 V

CFv 1,40 1,40*ARMS 1,0 A 0,96 AAP 2,3 A 1,91 A

CFa 2,2 1,99*S 130VA 174,70P 90W 134WQ 100VAr 84,0 VAr

PF 0,66 0,77DPF 0,81 —

S1 — 132,49 VAP1 — 102,31 WN — 111,37 VAr

THDv 2,2% 2,0%THDi 71,5% 60%

Figura 34 – Espectro de Frequencia do sinal de corrente calculado pelo Fluke 434

apesar de, não conclusiva indica que existe a possibilidade de o Fluke 434 não mostraros valores com as harmônicas, em seu catálogo há uma indicação de que este calculosegue a norma [2], mas não especifica quais potências são mostradas.

Após da medição dos sinais para o ventilador com baixa velocidade refizemosas medições para o ventilador com sua velocidade máxima.


Figura 35 – Tela do SAQEE com o espectro de frequencia do sinal.

Tabela 2 – Comparação entre Fluke 434 e SAQEE Ventilador Full Power

Parâmetro Fluke 434 SAQEEVRMS 125,7 V 125,76 VVP 176,0 V 176,19 V

CFv 1,40 1,41*ARMS 1,2 A 1,20 AAP 2,6 A 1,82 A

CFa 2,2 1,52S 150 VA 171,86 VAP 140 W 160,45 WQ 60 VAr 60,0 VAr

PF 0,92 0,93DPF 0,95 —

S1 — 167,86 VAP1 — 156,43 WN — 61,65 VAr

THDv 2,2% 2,3%THDi 23% 20%

Na tabela 2 o "*"mostrado significa que fator de forma não foi calculado noprograma, mas sim por uma divisão posterior do valor pico pelo RMS.

Com este resultado tem-se que que os efeitos causados pelas harmônicas sãoamenizadas e conseguiu-se verificar que os valores do SAQEE foram mais próximosaos verificados pelo Fluke 434, inclusive com um fator de potência com erros próximos


Tabela 3 – Comparação entre Fluke 434 e SAQEE Resistor corrente de 0,5 A

Parâmetro Fluke 434 SAQEEVRMS 126,3 V 125,9 VARMS 0,5 A 0,48 A

S 60 VA 60,77 VAP 60 W 60,73 WQ 10 VAr 2,01 VAr

PF 0,98 1,00DPF 1,00 —

S1 — VA 60,50 VAP1 — W 60,27 WN — VAr 2,03 VAr

Tabela 4 – Comparação entre Fluke 434 e SAQEE Resistor corrente de 1,0A

Parâmetro Fluke 434 SAQEEVRMS 126,1 V 125,5 VARMS 1,1 A 1,14 A

S 140 VA 143,68 VAP 140 W 143,63 WQ 10 VAr 3,76 VAr

PF 1,00 1,00DPF 1,00 —

S1 — VA 142,89 VAP1 — W 142,7 WN — VAr 3,76 VAr

a 1% iguais.

Após este ensaio com o ventilador, foi feito um ensaio com um resistor deresistência variável, com isto fizemos sua resistência variar para obter uma situação comuma corrente de circulação de 0,5A e outra com 1,0A. Neste ensaio tentou-se avaliarsomente os cálculos para os valores fundamentais, visto que uma resistência é umacarga linear que não gera harmônicos. Igualmente ao caso do ventilador os valorescontidos nas fotografias se encontram nas tabelas 3 e 4, respectivamente as correntes de0,5 A e 1,0 A

Nestes ensaios pôde-se verificar que os resultados nos dois analisadores forampróximos e conclui-se que os valores indicados pelo SAQEE são próximos aos calculadospelo Fluke 434. Com isto uma série de outros ensaios foram realizados com a mediçãosomente no SAQEE, visto a limitação de tempo para o acesso ao Fluke 434.

Esses ensaios foram realizados com cargas escolhidas devido a sua normalpresença em ambientes domésticos, essas cargas foram: 1 celular sendo carregado e 1notebook. Conforme visto nas figuras 28, 29, 30 e 31 o SAQEE apresenta 4 telas paradiferentes analises. Serão mostradas nas figuras 35, 36, 37 e 38 as telas para a analise do


celular ao ser carregado e nas figuras 39, 40, 41 e 42 as telas para a analise do notebookao ser carregado.

Figura 36 – Tela da aquisição do sinal de tensão e corrente para a recarga do celular noSAQEE

Figura 37 – Tela do espectro de frequência do sinal de tensão e corrente para a recargado celular no SAQEE

Estas duas cargas são cargas não-lineares que são extremamente comuns nosdias de hoje e apesar de exigirem uma baixa correntem pode-se observar que possuemelevadas THDi, próximas a 85%. Outra observação foi a presença de um angulo negativo


Figura 38 – Tela dos parâmetros de tensão, corrente e potencias para a recarga do celularno SAQEE

Figura 39 – Tela do angulo entre as fases de tensão e corrente para a recarga do celularno SAQEE

para a fase da fundamental, o que indica uma característica capacitiva para ambas ascargas.

Em um momento posterior ligaram-se todas as cargas (celular, notebook, resistorcom corrente de 0,5A e ventilador) deste trabalho em conjunto para simular o que ocorreem uma instalação, porém foi verificado uma forte atenuação da forma de onda dacorrente no semiciclo negativo, ao verificar identificou-se na saída do sensor de efeito


Figura 40 – Tela da aquisição do sinal de tensão e corrente para a recarga do notebookno SAQEE

Figura 41 – Tela do espectro de frequência do sinal de tensão e corrente para a recargado notebook no SAQEE

Hall ACS712 o problema. Apesar, de a corrente nominal do sensor ser de 30 A paracorrentes próximas a 1,5A este problema se apresentava. Com isto a figura 40 mostracomo foi a forma de onda detectada pelo SAQEE, com esta forte atenuação as analisesforam corrompidas.

Por fim as análises de eventos foram criadas ao se analisar os resultados possíveisno Fluke 434. Com isto obteve-se mais uma tela no SAQEE e as medições são mostradas


Figura 42 – Tela dos parâmetros de tensão, corrente e potencias para a recarga do note-book no SAQEE

Figura 43 – Tela do angulo entre as fases de tensão e corrente para a recarga do notebookno SAQEE

nas figuras 41 e 42. Teoricamente uma grande carga poderia nos fazer avaliar mais estamedição, porém devido ao problema da atenuação no sensor de efeito Hall citada acima,este tipo de medição não foi capaz de ser feita.


Figura 44 – Tela da aquisição do sinal de tensão e corrente para as diversas cargas noSAQEE

Figura 45 – Tela de analise de Eventos no Fluke 434

Figura 46 – Tela de analise de Eventos no SAQEE

54

6 Conclusão

Este capítulo apresenta as considerações finais deste trabalho. São apresentadas,também, algumas propostas de continuidade.

6.1 Considerações finais

Neste trabalho foram apresentadas as revisões bibliográficas necessárias parao entendimento dos problemas da QEE e elaboração de algoritmos para detecção defenômenos e analise harmônica da QEE.

O circuito condicionador foi completamente apresentado devido a sua grandeimportância para este trabalho e para possíveis reproduções em trabalhos de outrosalunos.

A placa de aquisição descrita foi a forma utilizada para adquirir os dados, porémexistem outras formas dentro do próprio CEFET-MG que podem realizar o mesmoprocesso, o programa feito no software Labview pode ser também utilizado, basta queas configurações de entrada sejam modificadas.

As analises feitas no analisador de qualidade de energia construído neste traba-lho indicaram resultados compatíveis com os resultados efetuados com um analisadorcomercial Fluke 434 com preço de até U$6.000,00. Com isto a construção de um sistemasimilar com a análise das 3 fases tem neste campo uma grande motivação.

6.2 Trabalhos futuros

Este trabalho tem como proposta de continuidade:

• Implementar de um circuito condicionador de energia monofásica e trifásica paraas redes de 127V,220V e 380V

• Utilizar os softwares Labview e Matlab para a criação de algoritmos computa-cionais para o processamento de sinais provenientes do circuito condicionadoranalisando assim a QEE

• Estudar sobre transformadas STFT e Wavelets para a implementação de umprocessamento de tempo-frequência.

• Propor circuitos simples e que possam realizar ser desenvolvidos para trabalhosde outros colegas de aula para outros trabalhos CEFET-MG

55

Referências

[1] GARCIA, F.R. Harmônicos em Sistemas Elétricos de Potência disponivelem www.iesa.com.br/ . Acesso em 12 dez. 2014

[2]NBR IEC 61000-4-30 – Técnicas de medição e ensaio – Métodos de medi-ção de qualidade da energia, Compatibilidade Eletromagnética, ABNT, 67p., Rio deJaneiro, 2011.

[3] IEEE Std 1159 Recommended Practice for Monitoring Electric Power Qua-lity: IEEE Standards Coordinating Committee 22 on Power Quality,1995

[4]ANEEL, Revisão da Regulamentação sobre a Qualidade do Produto no Sis-tema de Distribuição de Energia Elétrica

[5] DUGAN, R. C. et al. Electrical Power Systems Quality. 2nd Edition. ed. NewYork: McGraw-Hill, 2004.

[6] RODRIGUES, L.C.P Técnicas para Detecção, Classificação e Localização noTempo das Variações de Tensão de Curta e Longa Duração.

[7] ARRUDA, E.F. Análise de Distúrbios Relacionados com a Qualidade daEnergia Elétrica Utilizando a Transformada Wavelet.

[8]DELMONT FILHO, O. Utilização da Transformada Wavelet para Caracteri-zação de Distúrbios na Qualidade de Energia Elétrica.

[9] BOLLEN, M. H. J. Understanding Power Quality Problems. 1st Edition. ed.New York: IEEE Press, 2000.

[10] OLIVEIRA, J.C.D Projeto SIDAQEE - Capítulo II Qualidadede EnergiaElétrica: Definição e Análise dos Itens de Qualidade. Universidade Federal de Uber-lândia.

[11]DECKMANN S.M et POMILIO J.A. Avaliação da Qualidade da EnergiaElétrica: Universidade Estadual de Campinas

[12] CSPE Qualidade do Fornecimento de Energia Elétrica - Indicadores, Pa-drões e Penalidades. Documento Preliminar para Discussão. Versão 2, Jul. 1997.

[13] RIBEIRO, P.F. Qualidade de Energia Elétrica em Sistemas Elétricos. Workshopno SBQEE- Seminário Brasileiro de Qualidade de Energia Elétrica, Uberlândia, Jun. 1996.

[14] Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS. Padrões de Desempenhoda Rede Básica – Submódulo 2.2, versão aprovada pelo Conselho Administrativo emout. 2000.

Referências 56

[15] OLIVEIRA, B.C. Harmônicas nas Instalações Elétricas: Causas, Efeitos eSoluções: Universidade Federal do Espírito Santo.

[16]IEEE Std 1459-2010, IEEE Standard Definitions for the Measurement ofElectric Power Quantities Under Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced, or Unbalan-ced Conditions.

[17] [RIBEIRO, B.M.G. Desenvolvimento de um Aplicativo de Detecção deVariações de Tensão de Curta Duração Baseado na Instrumentação Virtual. Belo Ho-rizonte, abril 2013. 80pag]

[18] LEBORGNE, R. C. Uma Contribuição à Caracterização da Sensibilidadede Processos Industriais Frente a Afundamentos de Tensão. [S.l.]: [s.n.], 2003.

[19]ZIMATH, S.L et VIEIRA, G.R IEC61000-4-30: A Norma Definitiva para Me-dição de Parâmetros de Qualidade

[20] SOUZA, G.P Unidade de condicionamento de sinais aplicada à plata-forma PC104 focada ao desenvolvimento e execução de funções de proteção em sis-temas elétricos, Universidade Federal de São Carlos

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