Qualidade de Energia - UDESC · • Maior eficiência da rede industrial –Redução de perdas na...

Qualidade de Energia

Jonathan Dômini Sperb, Eng. Msc.

Prof. Marcello Mezaroba

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Qualidade de Energia:

• Aumento da utilização do termo Qualidade de Energia

– Pela concessionária (geração, transmissão e distribuição)

– Pelos consumidores (indústrias)

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Justificativa:

• Aumento da Produtividade

– Fabricar mais

– Máquinas mais eficientes

– Equipamentos parados = prejuízo

• Uso equipamentos e processos mais sensíveis

– Microprocessadores

– Dispositivos eletrônicos

– “Cargas críticas”

• A busca de uma maior eficiência nos equipamentos

– Desenvolvimento contínuo

– Aumento no rendimento

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Justificativa:

• Maior eficiência da rede industrial

– Redução de perdas na Instalação Elétrica

• Maior compreensão dos usuários finais com a qualidade de energia elétrica

– Interrupções, afundamentos de tensão, transitórios de chaveamento

– Resultado =>Pressão sobre as concessionárias

• Interconexão de vários dispositivos

– Uma falha na rede elétrica pode gerar problemas maiores

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Justificativa:

• As concessionárias buscam maior eficiência

– Melhora no rendimento da geração, transmissão e distribuição

– Aumento do fornecimento com a mesma estrutura

• Pressão dos consumidores

– Desejo por um produto de maior qualidade

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Pontos de Vista:

• Concessionárias:

– Proximidade com o caso ideal

• Estabilidade no fornecimento

• Baixa distorção da Forma de onda

• Baixa variação de Freqüência

– confiabilidade do sistema

• Baseada em Dados estatísticos

• Indicadores (DEC, FEC, DIC e FIC)

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Pontos de Vista:

• Consumidores:

– Perfeito funcionamento dos equipamentos

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Apresentação de soluções:

• Modernização das cargas

– Aumento da eficiência

– Redução das interferências geradas

• Aplicação de filtros passivos

• Aplicação de filtros ativos

• Aplicação de filtros híbridos

• Estabelecimento de normas

Fatores econômicos: CUSTO x BENEFÍCIO

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Definições:

• Comitê Coordenador de Normas 22 do Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE SCC22)

• Comissão Internacional de Eletrotécnica (IEC)

– Apresentar definições aos vários tipos de distúrbios

– Padronizar termos

– Normalizar estas informações.

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Principais fenômenos causadores de distúrbios eletromagnéticos classificados segundo a IEC:

Fonte: R. C. DUNGAN, M. F. McGranaghan and H. W. Beaty. Electrical Power Systems Quality. 1. Ed. New York: McGraw-Hill, 1996. p. 1-260.

Fenômenos Conduzidos

Baixa Freqüência Alta Freqüência

Harmônicos e Interharmônicos Formas de onda de tensão e corrente induzidas

Sinais Portadores Transientes unidirecionais

Flutuação de Tensão Transientes oscilatórios

Afundamentos de Tensão e interrupções

Desequilíbrio de Tensão

Variações de Freqüência

Indução de Tensões em baixa freqüência

Componentes CC em rede CA

Fenômenos Irradiados

Campos Magnéticos Campos Magnéticos

Campos Elétricos Campos Elétricos

Campos Eletromagnéticos

Formas de ondas Continuas

Transientes

Fenômenos de descargas eletrostáticas (ESD)

Pulso eletromagnético nuclear (NEMP)

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Características de estudo dos fenômenos:

Fenômenos de Regime Permanente

Fenômenos de Ocorrência Transitória

Amplitude Amplitude

Freqüência Freqüência

Espectro Espectro

Modulação Duração

Impedância da Fonte Taxa de Avanço

Área do Entalhe (notch ) Impedância da Fonte

Profundidade do Entalhe Taxa de Ocorrência


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Categorias e características típicas de fenômenos eletromagnéticos em sistemas de potência:

Categorias Conteúdo Espectral Duração Típica Magnitude

1 – Transitórios

1.1 – Impulso

1.1.1 – Nanosegundo Acima de 5 ns < 50 ns

1.1.2 – Microsegundo Acima de 1 s 50 ns – 1 ms

1.1.3 – Milisegundo Acima de 100 s > 1ms

1.2 – Oscilação

1.2.1 – Baixa freqüência < 5 kHz 0,3 – 50 ns 0 – 4 pu

1.2.2 – Média freqüência 5 – 500 kHz 20 s 0 – 8 pu

1.2.3 – Alta freqüência 0,5 – 5 MHz 5 s 0 – 4 pu


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2 – Variações de curta duração

2.1 – Instantâneas

2.1.1 – Interrupção 0,5 – 30 ciclos < 1 pu

2.1.2 – Afundamentos (Sag ) 0,5 – 30 ciclos 0,1 – 0,9 pu

2.1.3 – Elevações (Swell ) 0,5 – 30 ciclos 1,1 – 1,8 pu

2.2 – Momentânea

2.2.1 – Interrupção 30 ciclos – 3 s < 1 pu

2.2.2 – Afundamentos (Sag ) 30 ciclos – 3 s 0,1 – 0,9 pu

2.2.3 – Elevações (Swell ) 30 ciclos – 3 s 1,1 – 1,8 pu


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2 – Variações de curta duração

2.3 – Temporária

2.3.1 – Interrupção 3 s – 1 min < 1 pu

2.3.2 – Afundamentos (Sag ) 3 s – 1 min 0,1 – 0,9 pu

2.3.3 – Elevações (Swell ) 3 s – 1 min 1,1 – 1,8 pu

3 – Variações de longa duração

3.1 – Interrupção sustentada > 1 min < 0,0 pu

3.2 – Subtensão > 1 min 0,8 – 0,9 pu

3.3 – Sobretensão > 1 min 1,1 – 1,2 pu


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4 – Desequilíbrio de Tensão Regime Permanente 0,5 – 2%

5 – Distorção de Forma de Onda

5.1 – Offset CC Regime Permanente 0 – 0,1 %

5.2 – Harmônicos 0 – 100ª Harmonica Regime Permanente 0 – 20 %

5.3 – Interharmônicos 0 – 6 kHz Regime Permanente 0 – 2 %

5.4 – Entalhe (notch ) Regime Permanente

5.5 – Ruído Elétrico Banda Ampla Regime Permanente 0 – 1 %

6 – Flutuação de Tensão 5 – 500 kHz Intermitente 0,1 – 7%

7 – Variações em Freqüência < 25 Hz < 10s


16

Definições:

1 - Transitórios:

• Variação abrupta das condições nominais

• Natureza momentânea e indesejável.

• Tipos:

– Impulso Transitório

– Oscilação Transitória

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1.1 - Impulso Transitório: • Mudança abrupta em corrente e/ou tensão • curto período de tempo (ordem de microsegundos)

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1.2 - Oscilação Transitória: • Variação súbita em magnitude • Alternância de modo cíclico em sentido e polaridade • Freqüência acima da freqüência nominal de operação

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Definições:

2 - Variações de Tensão de Curta Duração

• Permanência menor que um minuto.

• Duração:

– instantâneas,

– momentâneas,

– temporárias

• Tipos:

– Interrupções

– Afundamento de Tensão (sags ou dips)

– Elevação de Tensão (swell)

20

Exemplo de uma interrupção de

tensão de 100%

2.1 - Interrupções: • Valor menor que 0,1 p.u. • Duração menor que um minuto

21

Exemplo de um afundamento de tensão em 15%

2.2 - Afundamentos de Tensão (Sags): • Ordem de 10 a 90% do valor nominal • Duração de 0,5 ciclos até 1 minuto • Sags (América do Norte) ou Dips (Europa).

22

Exemplo de uma elevação na

tensão de 15%

2.3 - Elevações de Tensão (Swell ): • Aumento de 10 a 80% • Duração de 0,5 ciclos a 1 minuto

23

Definições:

3 - Variações de Tensão de Longa Duração

• Duração maior que um minuto

• Tipos:

– Sobretensão

– Subtensão

– Interrupções sustentadas

24

Exemplo de uma sobretensão de

20%

0s 0.2s 0.4s 0.6s 0.8s 1.0s 1.2s 1.4s 1.6s 1.8s 2.0s-400V

-200V

0V

200V

400V

3.1 - Sobretensão: • Incremento no valor rms maior que 10% • Duração maior que um minuto

25 0s 0.2s 0.4s 0.6s 0.8s 1.0s 1.2s 1.4s 1.6s 1.8s 2.0s

-400V

-200V

0V

200V

400V

Exemplo de uma subtensão de

20%

3.2 - Subtensão: • Diminuição no valor rms maior que 10 % • Duração maior que um minuto.

26 0s 0.2s 0.4s 0.6s 0.8s 1.0s 1.2s 1.4s 1.6s 1.8s 2.0s

-400V

-200V

0V

200V

400V

Exemplo de uma Interrupção Sustentada

3.3 - Interrupções Sustentadas: • Tensão cai a zero • Duração maior que um minuto

27

Definições:

0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms 45ms 50ms-400V

-200V

0V

200V

400V

Exemplo de Desequilíbrio de

tensão

4 - Desequilíbrio de tensão

É o maior desvio em relação à média, dividido pela média das tensões. Normalmente é expressada em percentual.

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Definições:

5 - Distorções na Forma de onda:

• Desvio de uma forma de onda em relação à ideal

• É caracterizada principalmente pelo conteúdo espectral

• Tipos:

– Offset CC

– Harmônicos

– Interharmônicos;

– Entalhe ou corte (Notch);

– Ruído elétrico.

29

Exemplo de offset CC de 10%


-200V

0V

200V

400V

5.1 - Offset CC: • Presença de tensão ou corrente CC em um sistema CA

30

5.2 - Harmônicos: • São sinais de freqüências inteiras e múltiplas à nominal • Podem ser decompostos pela Série de Fourier • Podem ser quantizados através da TDH

31

300V@60Hz + 90V@210Hz + 60V@325Hz


0V

500V

5.3 - Interharmônicos: • Não são múltiplos inteiros da freqüência fundamental. • Sinais de freqüência entre dois valores inteiros.

32

0s 5.00ms 10.00ms 15.00ms 20.00ms 25.00ms 30.00ms

-400V

-200V

0V

200V

400V

5.4 - Entalhe ou Corte (notch): • Deformação periódica • Semelhante a um pequeno corte na forma de onda

33

5.5 - Ruído Elétrico: • Distorção que não seja harmônica ou transiente • Apresentam amplo conteúdo espectral (< 200 kHz)

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Definições:

6 - Flutuações de Tensão:

• Variações contínuas ou mudanças ao acaso.

35

Definições:

7 - Variações de Freqüência:

• Variações no valor freqüência fundamental

36

Definições:

Interferência Eletromagnética:

• Distúrbios com banda de 10 kHz e 1 GHz

• Amplitudes que variam de 100 µV a 100 V.

– Interferência Conduzida

• Interferência de Modo Comum

• Interferencia de Modo Diferencial

– Interferência Irradiada

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Definições:

( ) 2 sen( )efv t V t

2 sen( t+ )efi I

cos( )FD

Fator de Deslocamento:

• Deslocamento da fundamental de corrente em relação à tensão

0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400

-200

0

200

400

0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400

-200

0

200

400

FD = Fator de Potência?

38

Definições:

PFP

S

1

2

cos( )

1FP

TDH

Fator de Potência:

• Razão entre a potência ativa, em W, com relação à potência aparente, em VA:

• Com a ajuda do fator de potência de deslocamento e da distorção harmônica total:

39

Definições:

2

2

1

nef

n

ef

I

TDHI

Taxa de Distorção Harmônica:

• Relaciona o valor eficaz das componentes harmônicas pelo valor eficaz da fundamental.

0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400A

-200A

0A

200A

400A

I1(rms) = 100A

I1(pk) = 141A

TDH1 = 0%

I2(rms) = 100A

I2(pk) = 250A

TDH2 100%

40

Definições:

pk

ef

VFC

V

Fator de Crista:

• Relação entre o valor de pico pelo valor eficaz

0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400A

-200A

0A

200A

400A

I1(rms) = 100A

I1(pk) = 141A

FC1 = 1,41A

I2(rms) = 100A

I2(pk) = 250A

FC2 = 2,5A

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Normas Regulamentadoras:

IEC 61000-3-2

Estabelece limites para a emissão de harmônicas em equipamentos com correntes eficazes inferiores a 16 A por fase (monofásicos ou trifásicos)

IEC 61000-3-4

Estabelece limites para a emissão de harmônicas em equipamentos com correntes eficazes maiores que 16 A por fase.

IEEE 519

Recomendação que descreve os fenômenos causadores de distorções e apresenta métodos de medida destas distorções e limites para as mesmas.

IEC 61000-4-7

Compõe um guia geral para medidas de harmônicos e interharmônicos e instrumentação aplicada a sistemas de fornecimento energético .

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PRODIST (Procedimentos de distribuição de

energia elétrica no sistema elétrico nacional):

Ano 2000 Resolução 24 ANEEL

• Disposições relativas à continuidade do fornecimento;

Duração e frequência das interrupções.

Ano 2001

Resolução 505 ANEEL

• Estabelece critérios de Qualidade do Produto

Limites em Regime Permanente (Precários e críticos)

Critérios para Medição e Registro

Prazos para regularização

Compensação ao consumidor (ressarcimento)

Ano 2008

Resolução 345 ANEEL

• Criação do PRODIST

• Módulo 8 -> Qualidade de energia.

Fator de potência

Harmônicos

Desequilíbrios de tensão

Flutuações

Variações de curta duração

Variações de frequência

Indicadores de continuidade

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Como avaliar dispositivos e equipamentos alimentados por redes de baixa qualidade?

• Simuladores de redes não senoidais

• Geradores programáveis de distúrbios

• Fontes de corrente não seinoidais

• Simuladores de cargas não lineares

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Simuladores de redes não senoidais

São dispositivos capazes de gerar tensões não senoidais (com conteúdo harmônico).

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Geradores Programáveis de Distúrbios

São dispositivos capazes de gerar tensões que simulam distúrbios na alimentação (sags e swells)

0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400V

-200V

0V

200V

400V

0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms-400V

-200V

0V

200V

400V

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Fontes de Corrente não Senoidais

São dispositivos capazes de gerar correntes não senoidais (com conteúdo harmônico).

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Simuladores de Cargas Não Lineares

• Utilizados para testar dispositivos com característica de fonte de tensão

• Podem ser dissipativos ou regenerativos

0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400

-200

0

200

400

REDECARGA

ELETRÔNICA

REDE

0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400

-200

0

200

400

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Como desenvolver dispositivos que não provoquem uma baixa qualidade de energia?

• Pré reguladores

M

M

Pré Regulador

0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400

-200

0

200

400

0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400

-200

0

200

400

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Como melhorar a qualidade da energia que recebemos?

• Compensadores de reativos passivos;

• Compensadores de reativos ativos;

• Compensadores de reativos híbridos;

• Filtros de harmônicos passivos;

• Filtros de harmônicos ativos;

– Filtro Paralelo

– Filtro Série

– Filtro Universal (UPQC)

• Filtros de harmônicos híbridos;

• Restauradores dinâmicos de tensão

• Fontes ininterruptas de energia

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Compensadores de Reativos:

• Compensadores Passivos.

Fonte: CONTROLADORES FACTS: Conceitos Básicos. Prof. Domingo Ruiz Caballero

Banco de

Vref

PT

Controle

Banco de capacitores indutores

Transformador de

Acoplamento

Linha de transmissao

Barra

Estabelecimento de

Parametros

CC L L

51

Compensadores de Reativos:

• Compensadores Ativos.

Fonte: CONTROLADORES FACTS: Conceitos Básicos Prof. Domingo Ruiz Caballero

Transformador de

Acoplamento

Linha de transmissao Barramento

C+

-

Lc

Lc

Lc

ControleTensoes TrifasicasAmostra de

VDC

VDCref VABCref

ABC

X

Y

T1

L

T2

C

SVC – Impedância variável STATCOM – Compensador Síncrono Estático

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Filtros Harmônicos:

• Filtros Sintonizados

Fonte: José Antenor Pomilio. Harmônicos e Fator de Potência: um Curso de Extensão. Capítulo 5 - Filtros passivos.

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• Filtro Ativo Paralelo

PCC

Ccc LvVcc

Ih

Filtro paralelo,

configuração VSI

Fonte

CA

Sistema Alimentador

Zs Carga

Utilizado para corrigir a corrente de carga: • presença de harmônicos • cargas desequilibradas • corrente de neutro

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• Filtro Ativo Série

Vcc

Filtro série,

configuração VSI

PCC

Ccc

Lv

Vh

Cv

Fonte

CA

Sistema Alimentador

Zs Carga

Utilizado para corrigir a corrente de carga: • desequilíbrio de tensão • sags • swells, • minimização de harmônicos

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• Filtro Ativo Universal ou (UPQC)

– Utilizado para corrigir a tensão e a corrente de carga simultaneamente

Fonte

CA

Sistema Alimentador

PCCZs

Filtro Ativo

Paralelo

Carga

Barramento

CC Filtro Ativo

Série

Ih

Vh

Vs Is Vo Io

56

Restaurador Dinâmico de Tensão:

• Utilizado para corrigir variações de curta duração ou desequilibrios entre fases.

Carga Fonte

Inversor Energia

armazenada

Carga Fonte

Inversor Retificador

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Fontes de Alimentação Ininterruptas (UPS):

• Alimentação de cargas críticas

• Associação à grupo-geradores à diesel.

~

= ~

=Rede

Retificador

Baterias

Inversor

Carga

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