Qualidade de Energia Aspectos Gerais Básicos
Universidade Federal do Maranhão - UFMA
Centro de Ciências Exatas e Tecnologia - CCET
Depto. de Engenharia de Eletricidade – DE.EE
São Luis - Junho /2007
Prof. Fernando Diniz Penha
Qualidade de Energia Aspectos Gerais Básicos
Visão Geral do Setor Elétrico (aspectos de Qualidade)
Conceitos Básicos de Energia Elétrica;
Fenômenos relacionados com a Qualidade de energia
Visão geral sobre Harmônicos em sistemas elétricos
Impactos técnico-econômicos da Qualidade de Energia
EMENTA GERAL RESUMIDA
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia)
A Qualidade da Energia Elétrica(QEE) constitui na atualidade um fator crucial para a competitividade de praticamente todos os setores industriais e dos serviços (setores comerciais).
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia)
SERVIÇOPRODUTO
ATENDIMENTO COMERCIAL
Q
QUALIDADE DE ENERGIA – ENFOQUES PRINCIPAIS
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia)
Momento Atual
ANEEL
EMPRESAS
E.E
CLIENTES
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia)
Instrumentos de Avaliação da Qualidade
Órgão Regulador
AUDITORIAS
Pesquisas
de
Satisfação
Reclamações
Indicadores
e Padrões
Relatórios
Específicos
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia)
QUALIDADE DE ENERGIA
CONFIABILIDADE DO SISTEMA
QUALIDADE DA TENSÃO
Interrupções de longa duração
SegurançaContinuidade
Interrupções de curta duração
Desvios de frequência
FlutuaçõesDesequilíbrio
sTransitóriosHarmônicos
VISÃO GERAL DA Q.E.E
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia)
Operação Ideal da Rede Elétrica
Tensões e correntes senoidais; Freqüência Constante 60 ± 0,5 Hz; Tensão Constante (em seu valor
nominal); Tensões trifásicas balanceadas; Fator de potência unitário.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia)
Porque se preocupar com a Q.E.E ?
Crescente utilização de cargas ou equipamentos muito sensíveis à variações de parâmetros da rede elétrica (equipamentos eletrônicos).
Crescente interesse pela racionalização e conservação de energia, com vistas a otimização da utilização.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Porque se preocupar com a Q.E.E ?
Conscientização ou conhecimento básico dos consumidores em relação aos fenômenos associados à Q.E.E, tais como: interrupções, subtensões, transitórios, exigindo da concessionárias a melhoria da qualidade de energia fornecida.
Conseqüências dos fenômenos relacionados com a Q.E.E na vida útil dos equipamentos do sistema elétrico.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
A energia elétrica, deixa as usinas geradoras a cada instante de tempo do dia e é transportada por uma complexa rede de linhas aéreas e ou de cabos subterrâneos até alcançar seus centros consumidores.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Gerenciar a energia elétrica:
controlar a demanda fator de potência administração de
contratos
Supervisão de grandezas:
tensões correntes potências distorções
harmônicas transitórios
METAS
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Tais metas dependem da definição apropriada de indicadores que representem o desempenho dos serviços prestados pelas concessionárias envolvidas. São os chamados INDICADORES DE QUALIDADE.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Para avaliar o quanto um sistema está operando dentro de padrões de qualidade aceitáveis, duas grandezas elétricas básicas podem ser empregadas: a tensão e a freqüência.
Em relação a tensão, três aspectos principais devem ser observados:
forma de onda (senoidal pura ou não) simetria entre as fases magnitudes das tensões dentro de limites
aceitáveis.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
O Perfil da Tensão:
Um destaque no contexto geral da Qualidade da Energia, refere-se ao controle do perfil da magnitude da tensão de suprimento. Dentro deste enfoque, encontra-se um grupo de fenômenos que em conjunto ou isoladamente provocam a deterioração do suprimento energético.
Sob o ponto de vista técnico da operação do sistema, é de extrema importância que o consumidor seja suprido com uma “Tensão”, na qual seus equipamentos possam operar de maneira satisfatória.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Padrões de Níveis de tensão : Média Tensão
Classificação Faixa
Adequada 0.95 Vn ≤ V ≤ 1.05 Vn
Precária 0.93 Vn ≤ V ≤ 0.95 Vn
Crítica V < 0.93Vn ou V > 1.05 Vn
V = tensão medidaV n= tensão nominal
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Padrões de Níveis de tensão : Baixa Tensão
Classificação Faixa
Adequada 0.91 Vn ≤ V ≤ 1.04 Vn
Precária 0.86Vn ≤ V < 0.91 Vn
1.04Vn ≤ V <1.06Vn
Crítica V < 0.86Vn ou V > 1.05 Vn
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
A rede elétrica está sujeita ao surgimento de fenômenos de natureza aleatória ou intrínsecos. (Distúrbios ou Perturbações)
Ex.: Afundamentos e elevações de tensões, interrupções de curta duração, distorções harmônicas, flutuações de tensão, oscilações, ruídos, sobretensões, subtensões, etc.
Perfil da
TENSÃO
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Para o consumidor residencial, o que ele tem em mente como baixa qualidade da energia elétrica é realmente a falta de energia.
Principais Conseqüências
Transtornos domésticos / perda de qualidade de vida
Queima de equipamentos
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Origem dos problemas de Qualidade de EnergiaVisão do Consumidor
Aconteceu algum
problema ! ?
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Para o consumidor industrial, no entanto, se faltar energia durante segundos, a fábrica pára e o processo industrial tem que ser reiniciado, o que causa grandes prejuízos financeiros.
Principais Conseqüências
Parada de produção
Lucro afetado
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Desta forma, uma das principais razões para os estudos relacionados a Q.E.E é a questão financeira.
Todos os fenômenos associados à Q.E.E acarretam em impactos econômicos nas companhias de energia, consumidores e fornecedores de equipamentos.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Qualidade de Energia
Aumento da
Produtividade
ConcessionáriasDe
Eletricidade
Redução de Investimentos
em ampliações de
Linhas, Subestações,
Geração
Incentivos
visando a:
Riscos
Diminuição da produtividade
Ocorrências de distúrbios
Divulgação de
metodologias e
soluções adequadas
para os problemas relacionados com a
QEE
Questões financeira
s
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Distúrbios na Rede Elétrica
Enormes prejuízos
financeiros
Interrupção de curta-duração
Presença de harmônicos
Elementos envolvidos
concessionária
consumidor
Fabricante de equipamentos
Elevado numero de equipamentos
instaladosDesconhece/ou
ignora os fenômenos elétricos
Ex:
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Origem dos problemas de Qualidade de EnergiaVisão dos Especialistas e Acadêmicos
Possuem algum conhecimento sobre os fenômenos que afetam a QUALIDADE
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
O que é QUALIDADE DE ENERGIA ??
Assunto relacionado a qualquer problema manifestado na tensão, corrente ou desvio de freqüência, que resulta em falha ou má operação da instalação de consumidores ou no sistema supridor da concessionária.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Causas de alterações na Rede Elétrica
perda de linha de transmissão ou distribuição;
Perdas de transformadores;saída de unidades geradoras;chaveamentos de bancos de
capacitores;curto-circuito nos sistemas elétricos;operação de cargas com
características não-lineares.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Objetivo de uma análise e diagnóstico da Q.E.E Identificar o surgimento e determinar as causas e as conseqüências dos distúrbios no sistema elétrico e, posteriormente apresentar medidas técnicas e economicamente viáveis para diminuir e/ou eliminar tais distúrbios.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
A qualidade do setor elétrico de distribuição, em específico, caracteriza-se no desempenho das concessionárias no fornecimento de energia elétrica, quanto a três aspectos:
Conformidade; Atendimento ao
consumidor; Continuidade de serviço.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
A Conformidade está relacionada com os fenômenos associados à forma de onda de tensão, tais como: flutuações de tensão, distorções harmônicas, interrupções de curta duração, etc.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
O atendimento abrange a relação comercial existente entre as concessionárias e o consumidor, considera a cortesia, o tempo de atendimento, às solicitações de serviços, o grau de presteza e o respeito aos direitos do consumidor.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
A continuidade corresponde ao grau de disponibilidade de energia elétrica ao consumidor.
Dentre os parâmetros de qualidade em RD´s, podemos considerar àqueles relacionados com a continuidade de serviço como sendo de grande importância.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica)
Promover a qualidade da energia; Regulamentar os padrões e garantir o
atendimento aos mesmos; Estimular melhorias; Zelar direta e indiretamente pela
observância da legislação; Punir as empresas concessionárias, quando
necessário; Definir os indicadores para
acompanhamento do desempenho das concessionárias.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Dentre os índices de continuidade adotados pela ANEEL têm-se:
Coletivos: particularmente úteis à agência reguladora para atender suas necessidades de avaliação das concessionárias.
DEC: Duração equivalente de interrupção por unidade consumidora.
FEC: Freqüência equivalente de interrupção por unidade consumidora.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
DEC:Indica o número de horas, em média, que um consumidor fica sem energia elétrica durante um período, geralmente mensal.
c
n
ia
C
itiCDEC
1
)(*)( i = índice de interrupção;N = nº total de interrupções;Ca(i) = nº de consumidores afetados pela interrupção i;t(i) = tempo da interrupção i;Cc = nº total de consumidores do conjunto considerado
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
FEC:Indica quantas vezes, em média, houve interrupção na unidade consumidora (residência, comércio, indústria, etc).
c
n
ia
C
iCFEC
1
)(
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Individuais : servem mais especificamente ao interesse dos consumidores para avaliar o seu atendimento pela distribuidora; são apresentados,desde Jan/2005, na fatura do consumidor.
DIC: Duração de interrupção individual por unidade consumidora;
FIC: Freqüência de interrupção individual por unidade consumidora ;
DMIC: Duração máxima de interrupção contínua por unidade consumidora
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
DIC:Indica quanto tempo (em horas) um consumidor ficou sem energia elétrica durante um período considerado.
n
i
itDIC1
)(
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
FIC:
Indica o numero de vezes que um consumidor ficou sem energia elétrica durante um período considerado.
nFIC
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
DMIC:
É um indicador que limita o tempo máximo de cada interrupção, impedindo que a concessionária deixe o consumidor sem energia elétrica durante um período muito longo.
max)(itDMIC Controle a
partir de 2003
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Exemplo de Cálculo de DEC e FEC
Concessionária : 60.000 consumidores
Período : 1 trimestre
Interrupções > 3 minutos
Histórico das Interrupções
5 interrupções de 140min (2,33 horas) : 7800 con.
2 interrupções de 100min (1,66 horas) : 6300 con.
3 interrupções de 40min (0,66 horas) : 9850 con.
6 interrupções de 180min (3 horas) : 12700 con.
8 interrupções de 150min (2,50 horas) : 19000 con.
5 interrupções de 120min (2,0 horas) : 17500 con.
DEC:
DEC = 15,24 horas
FEC
FEC = 6,61 interrupções / consumidor
60000
2*17500*55,2*19000*83*12700*666,0*9850*366,1*6300*233,2*7800*5 DEC
60000
17500*519000*812700*69850*36300*27800*5 DEC
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
DEC e FEC no Brasil Fonte: ABRADEE
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
DEC e FEC / Cemar:
Ano FEC DEC
1997 44,03 24,14
1998 49,25 18,74
1999 36,86 30,62
2000 38,67 29,03
2001 67,54 40,62
2002 66,78 40,35
2003 67,94 37,28
2004 63,45 39,31
Fonte: ABRADEE
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Metas de Índices de Continuidade de Serviço
Maranhão : 217 municípios na área de concessão da CEMAR
RESOLUÇÃO: Nº 514, DE
7/12/2000.
CELPE
CEMAR
DIC : 22,0 horasFIC : 18,0 int.DEC : 9,0 horasFEC : 9,0 int.DMIC : 11,0 horas
SÃO LUIS
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Fatores que contribuem para maus Índices de Continuidade (DEC, FEC, DIC, FIC)
Falta de investimentos na conservação e melhoria das redes de distribuição;
Redução do quadro de pessoal encarregado de manutenção, canalizando investimentos apenas em tecnologia;
Ligações clandestinas
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia)
Algumas ações para a melhoria dos Índices:
Elevação do nível de isolamento nas linhas e redes localizadas nas regiões mais sujeitas à incidência de raios;
Instalação e/ou substituição de pára-raios; substituição chaves elétricas simples por chaves
repetidoras de múltiplo estágio; poda de árvores; serviços de roçada e limpeza de área localizada sob
linhas elétricas. Combate ao vandalismo
Fonte: COPEL
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Observações Importantes:
A apuração dos dados de interrupção para os indicadores são realizados com periodicidade mensal, trimestral e anual.
Foram introduzidos novos critérios de formação de grupo de consumidores de características semelhantes e contíguos, geralmente pertencentes a uma determinada área de uma concessionária, que possibilitou o atendimento homogêneo.
Esses conjuntos foram propostos pelas concessionárias à
ANEEL, que após análise e aprovação, gerou uma resolução específica para cada concessionária com dados validados.
Visão Geral do Setor Elétrico(Qualidade de Energia
Observações Importantes:
Nas apurações dos indicadores mencionados, todas as concessionárias devem considerar interrupções iguais ou maiores que 3 (três) minutos.
Distúrbios Relacionados aos Problemas de Qualidade da
Energia Classificação dos Distúrbios
Variações transitórias de Tensão de Curta Duração Interrupção Afundamento de tensão (voltage SAG) Elevação de tensão (voltage SWELL)
Variações transitórias de Tensão de Longa Duração Sobretensão Subtensão Interrupção sustentada
Transitórios Impulsivos Oscilatórios
Harmônicos (*)
Variações Transitórias de curta duração
Duração:
instantâneas; momentâneas e/ ou temporárias.
São causadas por:
condições de faltas; energização de grandes cargas ou perda intermitente de conexões nos cabos dos
sistemas.
Variações Transitórias de curta duração
Dependendo da localização da falta e das condições do sistema, a falta pode ou causar um afundamento da tensão (sag) ou uma elevação da tensão (swell), ou ainda, a completa perda da tensão(interrupção).
A condição de falta pode estar próxima ou longe do ponto de interesse.
Variações Transitórias de curta duração
Interrupção:
Uma interrupção ocorre quando o fornecimento de tensão ou corrente de carga decresce para um valor menor do que 0,1 p.u por um período de tempo que não excede 1 min.
Podem ser resultantes de faltas no sistema de energia, falhas nos equipamentos e mal funcionamento de sistemas de controle.
Variações Transitórias de curta duração
Interrupção
Variações Transitórias de curta duração
Interrupção:
A maior parte dos consumidores (principalmente os residenciais) não sentirá os efeitos da interrupção. Porém, algumas cargas mais sensíveis (ex: computadores e outras cargas eletrônicas) estarão sujeitas a tais efeitos, a menos que a instalação seja dotada de unidades UPS (no-breaks), que evitarão maiores conseqüências na operação destes equipamentos.
Variações Transitórias de curta duração
Afundamento de tensão (SAG)
Fenômeno caracterizada por uma redução no valor eficaz da tensão, entre 0,1 e 0,9 pu, na freqüência fundamental, com duração entre 0,5 ciclo e 1 minuto.
Variações Transitórias de curta duração
Afundamentos de tensão são usualmente associados a:
faltas no sistema; energização de grandes
cargas; partida de grandes motores
e corrente de “inrush”
(transformador).
Variações Transitórias de curta duração
Afundamento causado por falta fase-terra
Variações Transitórias de curta duração
Afundamento causado por partida de Motor
Variações Transitórias de curta duração
Efeitos do SAG:
Má operação de equipamentos eletrônicos, em especial computadores.
Tarefa Difícil:
Determinar os níveis de sensibilidade de tais equipamentos, devido ao grande número de medições necessárias para a coleta de dados.
Variações Transitórias de curta duração
Elevação de tensão (SWELL)
Fenômeno caracterizado por um aumento no valor eficaz da tensão do sistema (10-80%), com duração de meio ciclo a 1 min.
Variações Transitórias de curta duração
Usualmente, o SWELL está associado à:
condições de faltas no sistema;
saída de grandes blocos de cargas ou
energização de grandes bancos de capacitores.
Variações Transitórias de curta duração
Elevação de tensão numa fase sã causado por falta fase-terra em outra fase.
Variações Transitórias de curta duração
Conseqüência das elevações de tensão:
Falhas dos equipamentos eletrônicos, dependendo da freqüência de ocorrência do distúrbio.(ASD's, computadores e controladores eletrônicos);
Redução da vida útil de transformadores, cabos, barramentos, dispositivos de chaveamento, TPs, TCs e máquinas rotativas;
Má operação de alguns tipos de relés; Queima de capacitores.
Variações transitórias de tensão de longa duração
Período superior a 1 min.
Podem ser caracterizadas como desvios que ocorrem no valor eficaz da tensão, na freqüência do sistema.
Estas variações podem estar associadas a sobre ou subtensões e geralmente não resultam em falhas imediatas do sistema
Variações transitórias de tensão de longa duração
Principais causas :
Variações na carga
Operações de chaveamento
Variações transitórias de tensão de longa duração
Sobretensão
Aumento no valor eficaz da tensão CA, maior do que 110% (valores típicos entre 1,1 a 1,2 p.u), considerando-se a freqüência do sistema, por uma duração maior do que 1 min.
Causas de Sobretensão
desligamento de grandes cargas;
energização de bancos de capacitores;
tap´s dos transformadores conectados de forma incorreta.
Sobretensões
Conseqüências:
Redução da vida útil dos principais equipamentos; Falha em relés de proteção; Potência reativa de capacitores aumenta com o
quadrado da tensão
Soluções: Troca de bancos de capacitores fixos por bancos
automáticos.(concessionária e indústria) instalação de compensadores estáticos de reativos.
Subtensão
Decréscimo no valor eficaz da tensão CA, para menos de 90% na freqüência do sistema com uma duração superior a 1 min.
Causas:
carregamento excessivo de circuitos alimentadores;
desligamento de bancos de capacitores; excesso de reativo transportado pelos
circuitos de distribuição.
Subtensão
Conseqüências:
redução da potência reativa fornecida por bancos de capacitores ao sistema;
possível interrupção da operação de equipamentos eletrônicos;
redução do índice de iluminamento para os circuitos de iluminação incandescente;
elevação do tempo de partida das máquinas de indução e
sobre-aquecimento de máquinas.
Variações transitórias de tensão de longa duração
Interrupção Sustentada
Quando o fornecimento de tensão permanece em zero por um período de tempo que excede 1 min.
São geralmente permanentes e requerem intervenção humana para reparar e retornar o sistema à operação normal no fornecimento de energia.
Podem ocorrer de forma inesperada ou de forma planejada.
Variações transitórias de tensão de longa duração
A maioria das interrupções sustentadas ocorre de forma inesperada devido a:
a falhas nos disjuntores;
queima de fusíveis;
falha de componentes do circuito alimentador.
Variações transitórias de tensão de longa duração
Tratando-se das interrupções planejadas, são feitas para executar serviços de manutenção das redes.
Seja a interrupção inesperada ou planejada, o sistema elétrico deve ser projetado e operado de forma a garantir que:
o número de interrupções seja mínimo; uma interrupção dure o mínimo possível; o número de consumidores afetados seja
pequeno
Transitórios
Evento que é indesejável, mas momentâneo, em sua natureza.
Manifestações ou respostas elétricas locais ou nas adjacências, oriundas de alterações súbitas nas condições operacionais de um sistema de energia elétrica.
Apesar da duração de um transitório ser muito pequena, têm relevada importância, uma vez que submetem equipamentos a grandes solicitações de tensão e/ou corrente
Transitórios
Identificação de um Transitório
Transitórios
Transitórios Impulsivos
Causados principalmente pelos fenômenos das descargas atmosféricas.
A frequência é bem diferente daquela da rede elétrica (60 Hz)
Transitórios
Transitórios Impulsivos:
Em sistemas de distribuição o caminho mais provável para as descargas atmosféricas é através de um condutor fase, no primário ou no secundário, causando altas sobretensões no sistema.
Transitórios
Transitórios Impulsivos / Conseqüências:
Elevação do potencial do terra local, em relação a outros terras, em vários kV. Equipamentos eletrônicos conectados entre duas referências de terra, tais como computadores conectados a modems, podem ser danificados quando submetidos a altos níveis de tensão.
Indução de altas tensões nos condutores fase, quando as correntes passam pelos cabos a caminho do terra.
Transitórios Oscilatórios
É caracterizado por uma alteração repentina nas condições de regime permanente da tensão e/ou corrente possuindo valores de polaridade positiva e negativa.
Trasitórios
Transitórios Oscilatórios
Causados por operações de chaveamento.
Energização de linhas Chaveamento de
capacitores e transformadores
Chaveamento de Bancos de Capacitores
Transitórios Oscilatórios
São caracterizados pelo seu conteúdo espectral (freqüência), duração e magnitude da tensão.Transitório
decorrente da eliminação de
uma falta
Transitórios Oscilatórios
Classificação:
Baixa freqüência: componentes de freqüência menor do que 5 kHz (0,3 a 50 ms).
Média freqüência: componentes de freqüência entre 5 e 500 kHz
Alta freqüência: componente de freqüência maior do que 500 kHz
Transitórios Oscilatórios
Perigo !
A amplificação das tensões transitórias, podem atingir níveis
de 3 a 4 p.u.
Desequilíbrios de tensão
Desequilíbrio de tensão é muitas vezes definido como o desvio máximo dos valores médios das tensões ou correntes trifásicas, dividido pela média dos mesmos valores, expresso em percentagem.
Desequilíbrios de tensão
Causas dos desequilíbrios de tensão:
Têm origem nos sistemas de distribuição, os quais possuem cargas monofásicas distribuídas inadequadamente.
Consumidores alimentados de forma trifásica possuem uma má distribuição de carga em seus circuitos internos, impondo correntes desequilibradas (amplitudes diferentes e assimetrias nas fases) no circuito da concessionária.
Desequilíbrios de tensão
Conseqüências dos desequilíbrios:
Problemas indesejáveis na operação de equipamentos, tais como: Motores de Indução, máquinas síncronas,retificadores.
Desequilíbrio de tensão
Identificação de um desequilíbrio de tensão:
Flutuações ou Oscilações de tensão
As flutuações ou oscilações de tensão correspondem a variações sistemáticas dos valores eficazes da tensão de suprimento dentro da faixa compreendida entre 0,95 e 1,05 pu.
Estas flutuações são geralmente causadas por cargas industriais e manifestam-se de diferentes formas, a destacar:
Flutuações ou Oscilações de tensão
Fontes de Oscilações de tensão:
Fornos a Arco : flutuação oscilatória
Máquinas de Solda, Elevadores de minas e ferrovias : flutuação repetitiva
Partida direta de grandes motores de indução
Flutuações ou Oscilações de tensão
Efeitos das Oscilações de tensão:
oscilações de potência e torque das máquinas elétricas;
queda de rendimento dos equipamentos elétricos;
interferência nos sistemas de proteção;
Efeito "flicker" ou cintilação luminosa.
Flutuações ou Oscilações de tensão
Identificação de um problema de Oscilação de tensão – Efeito Fliker
Flutuações ou Oscilações de tensão
Na freqüência de 8,8 Hz o olho humano apresenta sua máxima sensibilidade, sendo capaz de identificar variações na tensão de 0,1%.
Distorções da forma de Onda Harmônicos
Distorção da Forma de Onda
Distorção da forma de onda é definida como um desvio, em regime permanente, da forma de onda puramente senoidal, na freqüência fundamental (60 Hz), e é caracterizada principalmente pelo seu conteúdo espectral.
Dentre os 5 tipos principais de distorções da forma de onda, destaca-se, como indicador de qualidade de energia, a distorção harmônica
Distorção Harmônica
Identificação de uma onda distorcida:
Distorção Harmônica
Conceitos:Harmônicas são ondas senoidais, de tensão ou de corrente, cujas freqüências são múltiplas inteiras da frequência fundamental.As ondas distorcidas podem ser decompostas em uma soma de ondas senoidais de freqüências diversas, múltiplas da fundamental.
COMPONENTE FUNDAMENTAL (60 Hz)
COMPONENTE EM 180 Hz
COMPONENTE EM 300 Hz
fn = n*60
Distorção Harmônica
Forma de Onda Distorcida devido a presença de harmônicos
Distorção Harmônica
As correntes harmônicas são geradas pelas cargas não-lineares conectadas à rede. A circulação das correntes harmônicas geram tensões harmônicas através das impedâncias da rede, e então produzem uma deformação (distorção) da tensão de alimentação.
A distorção harmônica vem contra os objetivos da qualidade do suprimento promovido por uma concessionária de energia elétrica, a qual deve fornecer aos seus consumidores uma tensão puramente senoidal, com amplitude e freqüência constantes.
Distorção Harmônica
Carga Não-Linear : relação (v x i)
TipoTipo principal
CARGAS ELETRÔNIC
AS
Distorção Harmônica
Evolução das Cargas Eletrônicas no Brasil
Distorção Harmônica
13.8 kV Cargas harmônicasOu cargas não-
lineares
13.8 kV/380 V
in
in
in
Corrente de uma carga não-linear
Distorção Harmônica
A tensão harmônica é causada pela circulação da corrente harmônica nas impedâncias dos circuitos de alimentação da rede
Distorção Harmônica
Circulação de correntes harmônicas em uma rede
Distorção Harmônica
O fornecimento de energia a determinados consumidores que causam distorções no sistema supridor, prejudicam não apenas o consumidor responsável pelo distorção, mas também outros conectados à mesma rede elétrica.
Distorção Harmônica
Formas de Representação de Harmônicos:
Gráfico da Forma de Onda (tensão ou corrente)
Espectro Harmônico : gráfico que mostra, sob a forma de “barras”, a amplitude da grandeza (tensão ou corrente) em função da frequência harmônica ou da ordem harmônica (“n” ou “h”)
Distorção Harmônica
Forma de Onda Distorcida / Corrente
Distorção Harmônica
Espectro Harmônico
fn = n*60n = fn / 60
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Ordem Harm ônica (n)
Am
plitu
de d
a H
arm
ônic
a (%
)
Como quantificar Harmônicos ?
Distorção harmônica Individual:
Distorção harmônica total:
1
100V
VD n
H 1
100I
ID n
H
1
2
2
V
V
DHT
NH
nn
V
1
2
2
I
I
DHT
NH
nn
I
V1 ,I1 = tensão(corrente) em 60 Hz (fundamental)NH = ordem da máxima harmônica presente
Como quantificar Harmônicos ?
Valor RMS Verdadeiro
21
1
2 1 DHTVVTrueRMSNH
nn
Este é o valor indicado pelos medidores modernos ou
analisadores de qualidade
FLUKE 1735
Normas para níveis de Harmônicos
Tensões inferiores 69 KVTensões superiores 69 KV
Impares Pares Impares Pares
Ordem % Ordem % Ordem % Ordem %
3, 5, 7 5
2, 4, 6 2
3, 5, 7 2
2, 4, 6 19, 11, 13 3 9, 11, 13 1.5
15 a 25 2
>8 1
15 a 25 1
8 0.5>27 1 >27 0.5
DHT = 6 % DHT = 3 %
IEEE 519: Recomenda as práticas e requisitos para o controlede harmônicos em sistemas elétricos de potênciaLimites de distorção harmônica de tensão total (DHTv)
Normas para níveis de Harmônicos
Limites de distorção harmônica de tensão por consumidor
Tensões inferiores a 69 kV Tensões superiores a 69 kV
Ímpares Pares Ímpares Pares
Ordem % Ordem % Ordem % Ordem %
3 a 25 1.5
Todas 0.6
3 a 25 0.6
Todas 0.327 1 27 0.4
DHT = 3 % DHT = 1.5 %
Normas para níveis de Harmônicos
Limites de Distorção harmônica de corrente total (DHTi)
• Depende do fator “R” (Relação de curto-circuito da instalação no “PAC”). R=ISC /IL onde:ISC = máxima corrente de curto-circuito no “PAC”IL = máxima demanda de corrente fundamental das cargas lineares e não lineares.
ordem < 11 1-17 17-21 23-33...R ≤20 4% 2% 1,5% 0,6%...R < 50 7% 3,5% 2,5% 1%...
Aprovação de Projetos com Cargas geradoras de Harmônicos
Concessionária
Carga Industr
ial
Cargas Não-
lineares
Cargas Linear
es
É viável tecnicamente aprovar a instalação da industria na rede da concessionária ??
PAC
Limites para aprovação de projetos que inclui cargas geradoras de harmônicas
105 20 50 100 200 5000,1
0,2
0,4
0,8
1,0
MTBT
Scc / Dt
Dn
l / D
t Região de Aprovação
Região de não
Aprovação
Aprovação de Projetos com Cargas geradoras de Harmônicos
Concessionária
Carga Industr
ial
Cargas Não-
lineares
Cargas Linear
esIcc,3ѳ = 3,2 kA
Exemplo13,8 kV
Carga
Linear : Motores + Iluminação = 540 kW ; f.D = 0,8
Não-Linear: Retificador + Conversor de frequencia + laminador = 400 kW ; f.D = 0,60
f.pm = 0.85
Solução:
Demanda Total Prevista = 540 * 0.8 + 400 * 0.60 = 672 kW
Demanda Prevista (C.N.L)= 400 * 0.60 = 240 kW
Para um f.p = 0.85, tem-se:
Dt = 672 / 0.85 = 790 kVA
Dnl = 240 / 0.85
Potência de Curto-Circuito no P.A.C
Scc = √3 * V * I = √3* 13,8 * 3200 = 76.487 kVA
Scc / Dt = 76487 / 790 = 96
Dnl / Dt = 282 / 790 = 0.35
105 20 50 100 200 5000,1
0,2
0,4
0,8
1,0
MT
BT
Scc / Dt
Dn
l / D
t
Região de Aprovação
Região de não
Aprovação
96
0.35
Base para Aprovação:
Características do Sistema Supridor
Ponto de Entrega de energia (Ponto de Acoplamento Comum – PAC)
Demanda Prevista
Cargas Geradoras de Harmônicos
Atualmente, cerca de 60% das cargas conectadas aos sistemas elétricos e potência são geradoras de harmônicas. São as chamadas cargas elétricas especiais, ou não-lineares.Exemplo:
Lâmpadas fluorescentes;Televisores;Microcomputadores;Fornos a arco elétrico;Conversores estáticos;
Variadores de frequência;Dimmers;
Nobreak´s;Reatores eletrônicos para lâmpadas
fluorescentes;Chuveiros com controle eletrônico de
temperatura;Outros.
Carg
as
não-
lin
eare
s
Cargas Geradoras de Harmônicos
Fornos a Arco
Cargas Geradoras de Harmônicos
Forno a Arco – tensão RMS fase-neutro
Período de fusão Período de
refino
Cargas Geradoras de Harmônicos
Conversores Estáticos
CA CC
CA CC
RETIFICADOR
INVERSOR
RECORTADORTRANSFORMADOR,CICLOCONVERSOR
Cargas Geradoras de Harmônicos
Conversores : Retificador / Inversor
Cargas Geradoras de Harmônicos
Inversores de Frequência
Cargas Geradoras de Harmônicos
Lâmpadas Fluorescentes CompactasA partir do período de racionamento vivido pelo Brasil, com a escassez da oferta de energia e as medidas adotadas pelo governo federal, observou-se uma grande procura pelas lâmpadas fluorescentes compactas objetivando-se a redução e o uso racional da energia elétrica
Baixo consumo de energia elétrica em perda de
luminosidade, quando comparada a lâmpadas incandescentes;Baixo fator de potência;
Geração de correntes harmônicas.
Cargas Geradora de Harmônicas
Lâmpadas Fluorescentes Compactas
Tensão RMS = 128 VoltsCorrente RMS = 0,42 AmperesPotência Ativa = 27 WattsPotência Reativa = 46,3 VAr
DHTi (%) = 165,75 %DHTv (%) = 0,69 %
Cargas Geradoras de Harmônicos
Computadores
Tensão RMS = 127 VoltsCorrente RMS = 0,74 AmperesPotência Ativa = 49 WattsPotência Reativa = 85 VAr
DHTi (%) = 167,7 %DHTv (%) = 0,62 %
Cargas Geradoras de Harmônicos
Forno de Microondas
Tensão RMS = 127 VoltsCorrente RMS = 9,54 AmperesPotência Ativa = 1.120 WattsPotência Reativa = 461 VAr
DHTi (%) = 30,75 %DHTv (%) = 0,82 %
Cargas Geradoras de Harmônicas
Aparelho de Televisão
Tensão RMS = 127 VoltsCorrente RMS = 0,79 AmperesPotência Ativa = 76 WattsPotência Reativa = 65 VAr
DHTi (%) = 84 %DHTv (%) = 0,69 %
Cargas Geradoras de Harmônicos
Dimmer para lâmpadas incandescentes
V = 100% de Vnominal
V = 30% de Vnominal
DHTi = 4,74%RMS = 0,87A
DHTi = 134,89%RMS = 0,43 A
Cargas Geradoras de Harmônicos Soft-Starter
Forma de onda da corrente de alimentação 0,5 seg após a partida
Forma de onda da corrente de alimentação 1,5 seg após a partida
No-break´s
Cargas Geradoras de Harmônicos
LÂMPADAS INCADESCENTES DE MESMA POTÊNCIA
Carga e tensão de suprimento equilibradas
In
Ia
Ib
Ic
Cargas Geradoras de Harmônicos
LÂMPADAS COMPACTAS DE MESMA POTÊNCIA
Carga e tensão de suprimento equilibradas
Ib
Ia
Ic
In
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Três categorias:
Efeito sobre o próprio sistema elétrico;
Efeito sobre o consumidor;
Efeito sobre circuitos de comunicação
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Componentes afetados:
Cabos de Alimentação
Transformadores
Bancos de Capacitores
Relés de proteção e fusíveis
Aparelhos de Medição
Equipamentos Eletrônicos
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Sobrecarga das rede de distribuição por aumento da corrente eficaz (RMS);
Aumento das perdas elétricas em cabos e equipamentos;
Redução do fator de potência;
Aumento da queda de tensão;
Sobrecarga dos condutores de neutro em razão da soma das harmônicas de ordem 3 geradas pelas cargas monofásicas.
Sobrecarga, vibrações e envelhecimento dos geradores, transformadores, motores;
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Sobrecarga e envelhecimento dos capacitores de compensação de energia reativa;
Deformação da tensão de alimentação podem perturbar cargas sensíveis;
Tensão Elevada entre neutro e terra;
Erro de leitura em equipamentos de medição;
Operação indevida de equipamentos de proteção;
Perturbação das redes de comunicação ou das linhas telefônicas.
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Cabos de Alimentação:
Elevam valores eficazes da corrente que resultam em aumento das perdas nos condutores;
Efeito pelicular (Efeito Skin) : que restringe a secção condutora para componentes de freqüência elevada. (diminuição da capacidade de condução de corrente)
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Efeito Pelicular : acumulação desordenada de cargas elétricas na superfície do condutor, com o aumento da frequência,acarretando no aumento da resistência C.A
Frequência (Hz)
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Efeito Pelicular (Efeito Skin)
Frequência (Hz) Relação RCA / RCC
601,01
3001,21
4201,35
6601,65
realcc S
lR *
aparentecA S
lR *
Sreal = ∏*R2 Saparente = ∏*R2 - ∏*r2
Cobre 300 MCM
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Área de seção e diâmetro de fio de cobre que deve ser usado em função da freqüência da corrente para que o aumento da resistência seja menor que 1%.
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Efeito Pelicular:
Observar que para 3kHz o máximo diâmetro aconselhável é aproximadamente 1 ordem de grandeza menor do que para 50Hz. Ou seja, para freqüências acima de 3 kHz um condutor com diâmetro maior do que 2,5 mm já começa a ser significativo em termos de eleito pelicular.
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Transformadores: Aumento das perdas
(ferro e no cobre) Situação se agrava
quando ocorre ressonâncias;
Presença de componentes harmônicos ímpares e múltiplas de 3 pelo neutro, causando sobreaquecimento;
Redução da vida útil.
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Transformadores:Trafo em condições normais de operação
Não há geração
harmônica
Trafo operando na região de
saturação ou a vazio
Corrente não varia
linearmente com a tensão
Surgimento de Correntes
Harmônicas
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Transformador operando em vazio
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Correntes na fases de um trafo submetido a harmônicas
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Relés de Proteção e Fusíveis
Sobreaquecimento devido às altas correntes;
Característica t X i é alterada;
Operam mais lentamente ou com correntes mais altas;
Inoperância
Vida útil reduzida.
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Aparelhos de Medição de Energia
Medidores Eletromagnético: erros de tensão e corrente que podem ser positivos ou negativos, dependendo do espectro harmônico.
Medidores Eletrônicos : incorporam os harmônicos na medição
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Medidores Eletromagnéticos ( Disco)
Quando o medidor é submetido a tensões e correntes distorcidas, estas criam conjugados que fazem com que o disco acelere ou desacelere, ocasionando erros de medição.
O limite de distorção harmônica de tensão permitido abaixo do qual não acarretará erros grosseiros na medição é da ordem de 20%
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Trabalho realizado pela UnB e CEBconsumidor THD
tensão(%)
THD corrente
(%
Erros (%) **
kWh kW(ponta)
kW(fora.p)
kVArh
Ind. Cimento
1,77 15,9 -0.03 -0.76 -0.08 -27.65
Autarquia Militar
2,7 15,4 -0.27 0.89 0.18 -18.48
Universidade
3,0 5,6 -0.37 -1.17 -0.42 -17.28
Edifício Inteligent
e
8,10 72,40 -0.05 0.4 0.12 -15.85
Serviços de
Informática
12,50 14,0 -0.17 -0.10 -0.09 11.29**Erros do medidor eletromagnético em relação às medições realizadas em medidoreletrônico que considera as harmônicas
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Conclusões do trabalho:
As diferenças na tarifação de energia ativa foram bastante pequenas, sendo bem menores do que as classes de exatidão dos instrumentos.
Das grandezas medidas e apresentadas no artigo (energia ativa, demanda ativa em ponta e fora de ponta, energia reativa), a única que teve diferença foi a energia reativa, sendo que o medidor eletrônico apresentava valores maiores.
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Por que das diferenças de medição ?
Estas diferenças ocorrem pois as definições de potência ativa, reativa e aparente em ambientes com distorções de tensão e corrente(registradas pelo medidor eletrônico) são diferentes da definições utilizadas admitindo formas de onda senoidal tanto para tensão como para a corrente (registradas pelo medidor eletromagnético)
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Bancos de Capacitores
Um capacitor constitui-se um caminho de baixa impedância para as correntes harmônicas, estando, portanto, constantemente sobrecarregado, sujeito a sobreaquecimento excessivo, podendo até ocorrer uma atuação da proteção, sobretudo dos relés térmicos.
Variação da reatância com a frequência
fCCX c 2
11
cX f
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Ressonância paralela:
fr XL = Xc
CL
Lc
XX
XXZ
* Sobrecorrentes e
Sobretensões
Vn = Zn * In
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Situação PERIGOSA !!
Ressonância paralela entre o Banco de Capacitores e o Transformador de Alimentação da instalação
Em situação de ressonância, a tensão do barramento na frequência de ressonância é muito elevada,caracterizando SOBRETENSÃO .
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Bancos de Capacitores
Originam condições de ressonância, caracterizando uma sobretensão nos terminais das unidades capacitivas.
Com isso, tem-se uma degradação do isolamento das unidades capacitivas, e em casos extremos, uma completa danificação dos capacitores
Redução da vida útil
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Banco de Capacitores:
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Redução do Fator de Potência
R = 1 Ω ; XL1 = 1ΩP = R*I12 = 1 * 11,22 = 125 WQ = XL1 *I12 = 1 * 11,2 = 125 Vartg Φ1 = Q / P = 125/125 = 1.0Φ 1 = arctg (1.0) = 45ºf.P = cos Φ1 = 0.71
R Xl1
I1 = 11,2 A
Circuito sem harmônicos
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Com 3ª harmônica
R Xl1
R Xl1
I1 = 10 A
I3 = 5 A
+
R = 1 Ω ; XL1 = 1ΩP = R*I12 = 1 * 102 = 100 WQ = XL1 *I12 = 1 * 102 = 100 Vartg Φ1 = Q / P = 100/100 = 1.0Φ 1 = arctg (1.0) = 45ºf.P = cos Φ1 = 0.71
R = 1 Ω ; XL1 = 3ΩP = R*I12 = 1 * 52 = 25 WQ = XL1 *I12 = 3 * 52 = 75 Vartg Φ1 = Q / P = 75/25 = 3.0Φ 1 = arctg (3.0) = 45ºf.P = cos Φ1 = 0.32
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
cos
*
cos**.
IV
IV
S
Ppf
Fator de potência em condições senoidais
Fator de potência em condições não senoidais
1 1
22
1
*
cos**.
n nnn
nnnn
IV
IV
S
Ppf
2222
222
DQPS
QPS
222 QPSD Potência de Distorção
Definição de Potência de Distorção
Fator de potência x conteúdo harmônico
Ptotal = 100 + 25 = 125 WQtotal = 100 + 75 = 175 Var
tgΦ = Qtotal / Ptotal = 175/125 = 1,4Φ = arct tg (1.4) = 54.46º
Logo : f.p = cos Φ = 0.58
Como pode se ver, apenas com a 3ª harmônica, houve uma redução considerável do fator de potência do circuito. (de 0.71 para 0.58)
Redução do Fator de Potência
Efeitos das Harmônicas no Sistema Elétrico
Aumento da Queda de Tensão
R Xl1
R Xl1
R Xl1
I1 = 11,2 A
I1 = 10 A
I3 = 5 A
+
Z = √(12 + 12 ) = 1.4 Ω∆V = 1.4 * 11,2 = 16 V
Z = √(12 + 12 ) = 1.4 Ω∆V = 1.4 * 1o = 14 V
Z = √(12 + 32 ) = 3.2 Ω∆V = 3.2 * 5 = 16 V
∆Vtotal = √142 + 162 = 21 V
Impactos Econômicos das Harmônicas
O envelhecimento precoce do material leva a substituí-lo mais tarde, a menos que seja sobredimensionado.
As sobrecargas da rede obrigam a aumentar a potência necessária, e implicam, a menos que haja um sobredimensionamento das instalações, perdas suplementares;
As deformações da corrente provocam disparos intempestivos e a parada das instalações da
produção.
Impactos Econômicos das Harmônicas
Estes custos de material, perdas energéticas e perda de produtividade ocasionam uma baixa competitividade das empresas.
As harmônicas são tanto mais difíceis para combater que os equipamentos vitais para a empresa são freqüentes responsáveis pela geração das perturbações
Soluções para os Harmônicos
Redimensionamento de Capacitores
Instalação de reatores série com capacitores
Instalação de transformadores isoladores
Remanejamento de cargas
Instalação de filtros harmônicos(passivos ou ativos)
Utilização de conversores 12- pulsos
Soluções para o problema dos Harmônicos
Dimensionamento de Capacitores:
Evitar a ocorrência de ressonâncias
Dimensionamento Recomendado
• Tensão : Subtensionar o banco de capacitores : Q V2
• Corrente : corrente nominal = soma quadrática
• Mudança da frequência de ressonância• Instalação de indutor em série com capacitor :
porém não elimina todos os harmônicos existentes
Soluções para o problema dos Harmônicos
Instalação de Filtros de Harmônicos
Passivos Sintonizados Amortecidos Ativos Instalados próximos às principais
cargas geradoras de harmônicos É uma solução cara, mas
necessária. Análise custo x benefício deve ser
criteriosa.
Soluções para o problema dos Harmônicos
Exemplo de Aplicação Incorreta
Barramento poluído por harmônicosCargas sensíveis no mesmo barramento de conversores
Soluções para o problema dos Harmônicos
Exemplo de Aplicação Correta
• Distribuição dos Conversores em Transformadores de acordo o limite de THD permissível para os conversores;
• Transformador dedicado para Cargas sensíveis;
• Cargas monofásicas alimentadas por transformador isolador com alimentação fase-fase no primário
Soluções para o problema dos Harmônicos
Correção do FP em Sistemas com a Presença de HarmônicosCapacitores Reforçados para Suportabilidade dos Componentes Harmônicos de Tensão e Corrente:
Substituir por
Tecnologia PPMDHV máx = 3%DHI máx = 12%
Tecnologia All Film(Impregnado á Oleo)DHV máx = 6 %DHI máx = 31 %
Na prática, quais harmônicas medir e combater?
As harmônicas freqüentemente encontradas nos casos de redes trifásicas, na prática as mais incômodas, são as harmônicas de ordens ímpares.
Além da ordem 50, as correntes harmônicas são desprezíveis e sua medição não é mais significativa.
Assim, uma boa precisão da medição é obtida considerando as harmônicas até a ordem 30.
As distribuidoras de energia supervisionam as harmônicas de ordem 3, 5, 7, 11 e 13.
Assim, a compensação das harmônicas até a ordem 13 é imperativa, uma boa compensação leva igualmente em conta as harmônicas até a ordem 25.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Corrente Elétrica:
Resultado da aplicação de um tensão entre dois pontos, continuamente ou durante um certo tempo.
Unidade : ampére; símbolo (A) múltiplo: kA = 103 A
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Corrente Contínua:
É constante com o tempo.
Ex.: pilhas, adaptadores CC, baterias, circuitos
eletrônicos , etc.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Corrente Alternada (C.A)
É aquela que varia com o tempo; Tem forma senoidal,repetindo-se 60 ciclos/s
(60Hz) Exemplos: transformadores,motores,
geradores, retificadores CA, equipamentos domésticos, etc.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Correntes Alternadas Trifásicas
A geração e distribuição de energia elétrica para consumo público é sempre feita em corrente alternada senoidal. Isto significa que a tensão e a corrente variam ao longo do tempo em forma de uma função senoidal e a variação por unidade de tempo, isto é, a freqüência, é constante. No Brasil foi adotada a freqüência padrão de 60 Hz. Alguns países usam o padrão de 50 Hz.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Correntes Alternadas Trifásicas
Além disso, por razões de eficiência, a geração é sempre feita em forma trifásica. Significa que os condutores não serão dois mas sim três, cujas tensões ou correntes estão igualmente deslocadas entre si em relação ao tempo.
Desde que um período completo equivale a 360°, o deslocamento ou diferença de fases entre cada será de 360/3 = 120°.
É comum designar os condutores pelas letras r, s, t (ou L1, L2, L3). E são genericamente chamados fases.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica Energia e Potência Elétrica:
Energia : Capacidade de um sistema em realizar trabalho
Potência : É a energia recebida, fornecida ou gasta por unidade de tempo. É a quantidade de
energia elétrica solicitada por um equipamento. A unidade padrão é o Watt, símbolo (W). outras : HP (horse power) cv (cavalo vapor)
Múltiplos : kW = 103 W MW = 106 W = 103 kW
1 HP = 746 W1 cv = 735 W
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Suponhamos que, num certo intervalo de tempo Δt , um aparelho receba (ou forneça) uma energia E. A potência média recebida (ou fornecida) nesse intervalo de tempo é:
Pm = E/Δt (Watt)
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Potência e Energia
Δt
t
P (W)
Energia
Área sob a curva
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Potência Instalada:
É a soma das potências nominais dos aparelhos, equipamentos e dispositivos a serem utilizados na instalação consumidora. Inclui tomadas (previsão de cargas de eletrodomésticos, TV, som, etc.), lâmpadas, chuveiros elétricos, aparelhos de ar-condicionado, motores, etc.;
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Indicadores (Parâmetros) da Energia:
Consumo Demanda Fator de Demanda Fator de Carga Fator de Potência
Consumo: É a energia consumida num intervalo de tempo, ou seja o produto da potência (kW) da carga, pelo número de horas (h) que a mesma foi ligada.
Informações sobre o Consumo de Energia Elétrica por Segmento
45% 25
% 13%
13% 4%
Industrial
Comercial
Residencial
Público/Rural Outro
s
Fonte : Balanço Energético :2000
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
O que é Demanda ?
É a média das potências elétricas ativas ou reativas, solicitadas ao sistema elétrico pela parcela da carga instalada em operação na unidade consumidora, durante um intervalo de tempo especificado (hora, dia, mês).
Este parâmetro indica a soma de vários aparelhos elétricos utilizados em um intervalo de tempo determinado (p.ex: 15 minutos)
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
CONCEITO DE DEMANDA
O aparelho medidor faz uma varredura a cada 15 minutos e pesquisa com qual potência sua instalação está trabalhando.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Demanda Ativa
É o valor médio da potência ativa durante um intervalo de 15min. Para faturamento de energia pela concessionária, se utilizam intervalos de integração de 15 minutos. Assim, a demanda ativa (medida em kW), é igual a energia consumida, a cada 15 minutos, medido em kWh, dividido por 1/4 (15 minutos é igual a 1/4 de hora). Em um mês, ocorrem quase 3000 intervalos de quinze minutos . Assim, a demanda será medida quase 3000 vezes ao longo do mês, e a concessionária de energia elétrica irá faturar o valor mais alto, medida em cada período de tarifação (ponta e fora de ponta)
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Demanda Ativa e Reativa:
Melhor Representação : Curvas D x t
tempo
kWhconsumidaenergiaDkW
)(_
tempo
kVArhconsumidaenergiaDkVAr
)(_
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Curva de Demanda
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
DEMANDA REGISTRADA
Maior demanda de potência ativa ou reativa verificada por medição, integralizada no intervalo de 15 (quinze) minutos durante o período de faturamento, expressa em quilowatts (kW) ou (kVAr).
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
DEMANDA FATURADA
Maior dentre as demanda de potência ativa registrada no período e demanda contratada.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
DEMANDA CONTRATADA
Demanda de potência ativa a ser obrigatória e continuamente disponibilizada pela concessionária, no ponto de entrega, conforme valor e período de vigência fixados no contrato de fornecimento e que deverá ser integralmente paga, seja ou não utilizada durante o período de faturamento, expressa em quilowatts (kW).
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
CONCEITO DE DEMANDA
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
CONCEITO DE DEMANDA Demanda Faturada
Conta de Energia
Maior valor ENTRE A DEM. registrado no período E A
CONTRATADA
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Horário de Ponta e Horário Fora de Ponta
Período definido pela concessionária e composto por 3 (três) horas diárias consecutivas, compreendido geralmente entre 17h e 22h,exceção feita aos sábados, domingos e feriados nacionais, esse horário é determinado levando-se em conta as características do sistema elétrico local.
Ponta :
Fora de Ponta :Período composto pelas 21 horas diárias complementares ao horário de Ponta. Sábados e domingos são considerados horários Fora de Ponta.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
FATOR DE DEMANDAO Fator de Demanda é a relação entre a demanda máxima do sistema e a carga total conectada a ele, durante um intervalo de tempo considerado. A carga conectada é soma das potências nominais contínuas dos aparelhos consumidores de energia elétrica (POTÊNCIA INSTALADA)
0.1. max instP
DDF
Seu valor somente é unitário se a carga conectada total for ligada simultaneamente por um período suficientemente grande, tanto quanto o intervalo de demanda.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
FATOR DE CARGA
O Fator de Carga é um índice que permite verificar o quanto que a energia elétrica é utilizada de forma racional. É a razão entre a demanda média, durante um determinado intervalo de tempo, e a demanda máxima registrada no mesmo período. Expressa o grau de utilização da demanda máxima de potência.
0.1.max
D
DcF med
O fator de carga varia de 0 a 1, e, quanto maior este índice, mais adequado e racional é o uso da eletricidade.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Um fator baixo de carga indica que houve concentração no consumo de energia elétrica em um período curto de tempo, isto é, se a empresa ligar quase todas as máquinas, luminárias e demais aparelhos por um pequeno intervalo de tempo, o fator de carga será baixo. O ideal é trabalhar com a menor demanda (kW) no maior intervalo de tempo.
FATOR DE CARGA
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Quanto mais alto for o fator de carga, menor será o preço médio da energia elétrica. O custo da energia elétrica decresce exponencialmente em relação ao crescimento do fator de carga.
QUAL A IMPORTÂNCIA DO FATOR DE CARGA ?
F.cC
usto
(R
$)
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
FATOR DE CARGA
0.1_º*
. horasnkW
kWhcF
Dentre as práticas que merecem mais atenção no gerenciamento de contas de energia elétrica está a melhoria do fator de carga, que pode, simplificadamente ser resumida em conservar o consumo e reduzir a demanda ou aumentar o consumo e manter a demanda.
consumo
demanda
Mensal-convecional : 730 horas
Mensal-ponta : 65 horas
Mensal fora de ponta: 665horas
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Redução da Demanda limitando-a ao mínimo necessário.
Isto é possível através do deslocamento da operação de cartas cargas para outros intervalos de baixo consumo na curva de carga.
Otimização dos sistemas de Iluminação e Refrigeração da rede elétrica, reduzindo o consumo não operacional ou reativo.
Evitando a ligação simultânea de cargas de grande porte.
COMO MELHORAR O FATOR DE CARGA ?
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Rendimento: Aparelhos elétricos como, por exemplo,
um ventilador transformam energia elétrica em energia cinética. A energia elétrica penetra no motor do aparelho, através do fio que está ligado a uma tomada. Dentro do motor essa energia elétrica é transformada em energia cinética das pás do ventilador. Porém essa transformação nunca é total. Uma parte da energia elétrica é transformada em calor. Isso pode ser percebido colocando a mão na carcaça que envolve o motor. Ao fazermos isso, perceberemos que o motor está quente.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Num caso como esse, a energia elétrica recebida através do fio é chamada de energia total (Et). A energia transformada em calor é chamada de energia dissipada (Ed) e a energia transformada em energia cinética é chamada de energia útil (Eu) pois é a energia que será realmente utilizada.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Devemos ter: Et = Eu + Ed
Dividindo os termos dessa equação por Δt , temos:
t
E
t
E
t
E udt
Pt
Pd
Pu
Et Eu
Ed
Pt = potencia totalPu = Potencia útilPd = Potência dissipada
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
O rendimento (n) do motor é definido por:
(%)100*t
u
P
P
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Exemplo: Um motor elétrico consome 4000 W de potência elétrica, dissipando 1000 W.
Calcule: a) a potência útil b) o rendimento do
motor
Pt = 4000 W
Pd= 1000 W
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Resolução:
a) Pt = Pu + Pd
4000 = Pu + 1000 Pu = 3000 W
b) n = Pu / Pt = 3000 / 4000 = 0.75 ou 75%
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Potência Aparente, Ativa e Reativa
VA, Watt, Var são as unidades para estas potências
Cálculos em circuitos CA são realizados com estas unidades.
Expressam, fisicamente a existência de resistência, indutância e capacitância de um circuito.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Um circuito elétrico C.A pode conter resistências (R), indutâncias (L) e capacitâncias (C).
A unidade de indutância é o henry (símbolo H)
A unidade de capacitância é o farad (símbolo F)
Teoricamente, os indutores e capacitores são dispositivos que não dissipam energia, mas a armazenam e a fornecem.
A função deles no circuito elétrico é trocar energia com a fonte que os alimenta, um instante armazenando energia e num outro instante, fornecendo energia.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Quando uma corrente alternada (CA) senoidal flui por um indutor, uma tensão alternada senoidal (ou força eletromotriz, Fem) é induzida no mesmo. A amplitude da Fem está relacionada com a amplitude da corrente e com a freqüência da corrente senoidal pela seguinte equação: LIU *
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
onde ω é a freqüência angular da tensão ou corrente senoidal definida em termos da freqüência f por:
A reatância indutiva é definida por:
f 2
fLLX L 2*
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
onde XL é a reatância indutiva medida em Ohms (medida de resistência), ω é a freqüência angular, f é a freqüência em Hertz, e L é a indutância.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Já quando uma tensão(AC) é aplicada a uma capacitor de capacitância C, a cada mudança de polaridade desta tensão ocasiona carga ou descarga do capacitor, permitindo desta forma que a corrente flua. A quantidade de "resistência" de um capacitor, sob regime AC, é conhecida como reatância capacitiva, e a mesma varia conforme varia a frequência do sinal AC.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
A reatância capacitiva é calculada por:
Onde:XC = reatância capacitiva, medida em
ohmsf = freqüência do sinal AC, em Hertz - HzC = capacitância medida em Farads F
fCCX c 2
11
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Em circuitos AC, a composição da resistência (ohms) e da reatância (indutiva ou capacitiva),(0hms) é denominada impedância (em ohms), símbolo Z.
Esta impedância é matematicamente representada por uma notação complexa, da seguinte forma:jXRZ
Conceitos Básicos de Energia Elétrica Onde:
X pode ser a reatância indutiva XL = 2∏fL (X>0)
ou a reatância capacitiva Xc = 1./(2∏fC)(X<0)
j = é um numero imaginário = √-1
Assim, temos:
capacitorresitorjXRZ
indutorresistorjXRZ
C
L
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Representação gráfica da Impedância
φ
j
Eixo real
Eix
o
imag
inári
o
Z = R + j X |Z|2 = R2 + X2
|Z|
R
X
Φ = arctg (X/R)
22 XRZ
X
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Defasagem entre tensão e corrente: Circuito alimenta o conjunto resistência-reatância
Ѳ = Ângulo de defasagem entre
a tensão e a corrente
Lei de OHMV=Z*I
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Potência em Circuito R - X
R
X
Fonte C.A
I(t)V(t) = Vmax *sen(2∏f*t)I(t) = Imáx *sen(2∏f*t ±ѳ)f = frequência da rede = 60 Hzt = instante de tempo em s
+
-
V(t)
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Sejam: V(t) = Vmax *sen(2∏f*t)
I(t) = Imáx *sen(2∏f*t -ѳ)
f = frequência da rede = 60 Hz t = instante de tempo em s
P(t)=V(t)*I(t)= Vmax *sen(2∏f*t)* Imáx *sen(2∏f*t -ѳ)
P(t) = (Vmax * Imáx)/2 * [cos φ – cos(2wt – φ)]
Valor Eficaz:
2
2
max
max
II
VV
e
e
P(t) = |Ve|*|Ie|* cos φ – |Ve|*|Ie|* cos(2wt – φ)]
P(t) = |Ve|*|Ie|*cosφ(1-cos2wt) - |Ve|*|Ie|*senφ*sen2wt
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Potência Ativa:
Ve = valor eficaz ou RMS da tensão aplicada (V)
Ie = valor eficaz ou RMS da corrente aplicada(A)
φ = ângulo de fase ou defasagem entre tensão e corrente
Unidade : Watt (W)
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Potência Ativa:
Como se observa, a potência ativa está relacionada com a presença de elementos resistivos.
2*cos**)*(cos** eeeee IRIIZIVP
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Significado da Potência Ativa:
Representa a potência que é efetivamente produz trabalho útil;
Seu valor quantitativo é dependente do fator de potência da carga da instalação, (cos φ).
A integralização desta potência em um período de tempo especificado, é igual a energia ativa neste período, dada em Watt-hora.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Potência Reativa:
Ve = valor eficaz ou RMS da tensão aplicada (V)
Ie = valor eficaz ou RMS da corrente aplicada(A)
φ = ângulo de fase ou defasagem entre tensão e corrente.
Unidade : VAr (volt-ampére-reativo)
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Significado da Potência Reativa:
Seu valor médio é NULO, ou seja, é uma potência que não realiza nenhum trabalho útil.
Esta energia armazenada nos elementos reativos (indutor ou capacitor) é retornada à fonte durante cada ciclo da corrente e não realiza trabalho.
Tal potência deve ser mantida em valores mínimos, o que é conseguido quando mantemos o cos φ(fator de potência) em valores máximos.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Significado da Potência Reativa:
Esta é a potência responsável pela formação do campo magnético necessário para o funcionamento de máquinas girantes, tais como motores de indução e transformadores.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Potência Aparente:
Esta potência é a total fornecida ou recebida por um equipamento ou circuito.
Sua unidade é o Volt-Ampere (VA) É com base no valor desta potência que se
realizam os dimensionamento dos cabos e equipamentos que formam a rede.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
O c0-seno do ângulo ѳ é denominado de FATOR DE POTÊNCIA do circuito.
Cos ѳ = fator de potência
Se não existe a defasagem entre a tensão e a corrente (ondas em fase), diz-se que o circuito alimenta uma resistência pura e,neste caso, o fator de potência é unitário.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Ondas de tensão e corrente em fase: Circuito alimenta um resistor puro
Cosѳ = 1.0
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Quando cargas reativas estão presentes: indutores ou capacitores, o armazenamento de energia nestas cargas resulta num defasamento entre as ondas de tensão e corrente
Esta energia retorna para a fonte e não produz trabalho útil.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Relações entre Potência Ativa, Reativa e Aparente
Potência Complexa: Triângulo de Potências
S = P + jQ
potencia reativa (Var)
|S|2 = P2 + Q2 potencia
ativa (W)
P = V*I*cosφ=S*cosφ
Q = V*I*senφ=S*senφ
|S|
φ
cosφ= P/S
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Fator de Potência
O que é ? Por que preocupar-se com fator de
potência? Principais causas do baixo fator de
potência O que fazer para melhorar o fator de
potência ? Benefícios do alto fator de potência Cálculo do fator de potência Métodos de Correção do baixo fator de
potência
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Entenda o fator de potência
Fator de Potência é um índice que mostra a relação entre a potência ativa e a potência aparente. Indica portanto a eficiência do uso da energia. Um alto fator de potência indica uma eficiência alta; um baixo índice indica baixa eficiência energética.
É uma grandeza adimensional e está sempre entre 0 e 1. (0-100%)
φ
Cos Φ = kW/kVA
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Entenda o fator de potência
Podemos comparar a energia reativa com a quantidade de espuma de um copo de chope e a energia ativa com a quantidade de líquido do copo. Quando compramos um copo de chope, pagamos pelas duas partes pouco importa se o nível de espuma esteja muito alto e o nível de líquido, baixo. O fator de potência indica quanto da potência total fornecida (kVA) é utilizada
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Entenda o FATOR DE POTÊNCIAPara se aumentar a quantidade de líquido (kW), para o mesmo copo de chopp, deve-se reduzir a quantidade de espuma (kVAr), ou seja, quanto menos espuma, haverá mais cerveja.
Nessa analogia, o aumento da quantidade de líquido, para o mesmo copo de chopp (transformador, condutores, etc), está associado a entrada de novas cargas elétricas, sem necessidade de alteração da capacidade desse copo.
rVAW
W
VA
Wpf
.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Na prática, o fator de potência é um indicativo que mostra se a EMPRESA CONSOME ENERGIA ELÉTRICA DE FORMA ADEQUADA OU NÃO.
De acordo com a resolução ANEEL 456/200, o fator de potência deve ser mantido o mais próximo possível da unidade (1), mas permite um valor mínimo de 0.92 (92%)
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Entenda o Fator de Potência
Pode ser CAPACITIVO ou INDUTIVO dependendo se o consumo de energia reativa é indutivo ou capacitivo.
Para faturamento de energia, o fator de potência é registrado de hora em hora, através do uso de equipamentos específicos de medição.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Um baixo fator de potência indica que sua instalação não está utilizando plenamente a energia ofertada, além de representar uma sobrecarga para todo o sistema elétrico.
Ex.:
Se o fator de potência está em 80% , sua rede está aproveitando 80% da energia fornecida pela concessionária. Isto quer dizer que 20% do que você paga é desperdiçado.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Fórmulas para Cálculo do fator de potência
3
*2
1
1. 2
kWhkQhkVArh
kWhkVArh
pf
kQh = leitura obtida em medidores que “enxergam” a energia reativa capacitiva
Causas do baixo FATOR DE POTÊNCIA ?
Transformadores operando em vazio ou com pouca carga durante longos períodos de tempo;
Motores operando em regime de baixo carregamento; Utilização de grande numero de motores de pequena
potência operando durante longo tempo; Grande numero de reatores de baixo fator de potência
suprindo lâmpadas de descarga (fluorescentes, de vapor de mercúrio e de vapor de sódio)
Capacitores ligados nas instalações de unidades consumidoras horosazonais no período da madrugada (carga leve)
Nível de tensão acima do valor nominal provocando um aumento de consumo de energia reativa.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Conseqüências do baixo fator de potência
Acréscimo na conta de energia elétrica por estar operando com baixo fator de potência;
Limitação da capacidade dos transformadores de alimentação;
Quedas e flutuações de tensão nos circuitos der distribuição;
Sobrecarga nos equipamentos de manobra limitando sua vida útil;
Aumento das perdas elétricas na linha de distribuição pelo efeito Joule;
Necessidade de aumento do diâmetro dos condutores;
Necessidade de aumento da capacidade dos equipamentos de manobra e proteção.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Perdas na Instalação
As perdas de energia elétrica ocorrem em forma de calor e são proporcionais ao quadrado da corrente total. Como essa corrente cresce com o excesso de energia reativa, estabelece-se uma relação entre o incremento das perdas e o baixo fator de potência, provocando o aumento do aquecimento de condutores e equipamentos.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Quedas de Tensão
O aumento da corrente devido ao excesso de potência reativa leva a quedas de tensão acentuadas, podendo ocasionar a interrupção do fornecimento de energia elétrica e a sobrecarga em certos elementos da rede. Esse risco é, sobretudo acentuado durante os períodos nos quais a rede é fortemente solicitada. As quedas de tensão podem provocar ainda, a diminuição da intensidade luminosa das lâmpadas e aumento da corrente nos motores.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Capacidade Instalada
A energia reativa, ao sobrecarregar uma instalação elétrica, inviabiliza sua plena utilização, condicionando a instalação de novas cargas e investimentos que seriam evitados se o fator de potência apresentasse valores bem mais altos. O "espaço" ocupado pela energia reativa poderia ser então utilizado para o atendimento de novas cargas.
Os investimentos em aplicação das instalações estão relacionados principalmente aos transformadores e condutores necessários. O transformador a ser instalado deve atender à potência total dos equipamentos utilizados, mas devido à presença de potência reativa, a sua capacidade deve ser calculada com base na potência aparente das instalações
A tabela abaixo mostra a potência total que deve ter o transformador, para atender uma carga útil de 1000 KW para fatores de potência crescentes.
VARIAÇÃO DA POTÊNCIA DO TRAFO EM FUNÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA
Potência útil absorvida (1000 kW)
Fator de Potência
Potência do Trafo
0,50 2000
1000 0,80 1250
1,00 1000
Da mesma forma, para transportar a mesma potência ativa sem o aumento de perdas, a seção dos condutores deve aumentar à medida que o fator de potência diminui.
VARIAÇÃO DA SEÇÃO DO CABO EM FUNÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA
Seção Relativa Fator de potência
1,00 1,00
1,23 0,90
1,56 0,80
2,04 0,70
2,78 0,60
4,00 0,50
6,25 0,40
11,10 0,30
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Vamos analisar dois sistemas A e B mostrados na Figura abaixo, para verificar a influência do fator de potência nas grandezas elétricas de um sistema elétrico.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
A Tabela mostra as grandezas elétricas calculadas para ambos os sistemas.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
O que fazer para melhorar o fator de potência ?
A melhoria é feita através da adição de capacitores de potência ao longo do sistema de distribuição.Quando a potência aparente (KVA) é maior que a potência ativa (KW), a concessionária precisa fornecer além da corrente útil (Ativa), uma corrente reativa. Os capacitores atuam como geradores de corrente reativa, reduzem a corrente que seu sistema retira da rede da concessionária.
Efeito do Capacitor em Derivação:
Conceitos Básicos de Energia Elétrica Benefícios da Correção do Fator de
Potência
Redução significativa do custo de energia elétrica;
Aumento da eficiência energética da empresa;
Melhoria da tensão, é um benefício adicional da instalação de capacitores;
Aumento da capacidade dos equipamentos de manobra;
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Benefícios da Correção do Fator de Potência
Aumento da vida útil das instalações e equipamentos;
Liberação da capacidade do sistema; Redução nas perdas, resultando em lucro
financeiro anual, da ordem de 15% do valor do investimento feito com a instalação dos capacitores.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica Legislação sobre o Fator de Potência
A nova legislação pertinente, estabelecida pela ANEEL (resolução 456/200), introduz uma nova forma de abordagem do ajuste, pelo baixo fator de potência, com os seguintes aspectos relevantes:
aumento do limite mínimo do fator de potência de
0,85 para 0,92, independentemente do sistema tarifário.
faturamento de energia reativa capacitiva excedente;
redução do período de avaliação do fator de potência, de mensal para horário, a partir de 1996.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
O controle mais apurado do uso de energia reativa é mais uma medida adotada pela ANEEL, visando estimular o consumidor, através da redução de perdas e melhor desempenho de suas instalações, como também para o setor elétrico nacional, pela melhoria das condições operacionais e a liberação do sistema para atendimento a novas cargas com investimentos menores.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
De acordo com a nova legislação, tanto a energia reativa indutiva quanto a energia reativa capacitivas serão medidas e faturadas.
O tradicional ajuste por baixo fator de potência deixou de existir, sendo substituído pelo faturamento do excedente de energia reativa indutiva consumido pela instalação e do excedente de energia reativa capacitiva fornecido à rede da concessionária pela unidade consumidora.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
A avaliação do fator de potência será feita durante as 24 horas de acordo com os tempos definidos a seguir:
O kVArh indutivo será medido no período das 6 às 24 hs a intervalos de 1 hora.
O kVArh capacitivo será medido no período de 0(zero) às 6 hs, também em intervalos de 1 hora
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
PERÍODO PARA MEDIÇÃO DE ENERGIA REATIVA
Conceitos Básicos de Energia Elétrica Avaliação da Curva de Carga Reativa
horas
4
6 11
13
20
24
kV
Ar
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
0-4 hs : kVArh capacitivo excedente : pagamento para f.p < 0.92
4 – 6 hs : kVArh indutivo excedente : valores não pagos
6-11 hs : kVArh indutivo excedente : valores pagos para f.p < 0.92
11 – 13 hs : kVArh capacitivo excedente: não há pagamento para qualquer f.p
13-20 hs : kVArh indutivo excedente: pagamento para f.p < 0.92 indutivo
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
NOTA IMPORTANTE:
O consumidor tem direito de utilizar, sem acréscimo no faturamento da conta de energia elétrica, até 0,425 kvarh(ENERGIA REATIVA) por cada kwh(ENERGIA ATIVA) que consome, sendo-lhe cobrado o que exceder tal valor.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Fator de Potência Horário:
kV
Arh
kWh
Φ
f.p = cos Φ
tg Φ = kVArh / kWh Φ = arc tg (kVArh/ kWh)
f.p = cos [arc tg (kVArh/ kWh)]
kVA
h
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Faturamento da Energia Reativa Excedente
Faturamento da Demanda Reativa Excedente
Faturamento do Consumo Reativo Excedente
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Para faturamento da Demanda de kVAr excedente, deve-se conhecer:
Fatores de potência a cada hora; Demanda de potência ativa a cada hora,
em kW Demanda de potência ativa faturada, em
kW Tarifa de demanda de potência em R$/kW
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Fórmula de cálculo:
onde: Dat,med = demanda ativa medida por hora
Dat, fat = demanda ativa faturada
Tad = Tarifa de demanda ativa
n = numero de intervalos de 1 hora por dia f.p = fator de potência horário
dafatatmedat
n
texecdr TD
pfDF *
.
92.0* ,,
1, max
Para faturamento do Consumo de kVAr excedente, deve-se conhecer:
Fatores de potência a cada hora; Consumo de energia ativa a cada hora,
em kWh Tarifa de energia ativa em R$/kWh
Fórmula de Cálculo:
Onde: Ca = consumo de energia ativa, em kWh
Tc = tarifa de energia ativa
c
n
taexeccr T
pfCF *
.
92.0*
1,
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Como a Concessionária mede o F.p ?
A concessionária possui instalados, junto à sua entrada de energia, todos os medidores e registradores de energia necessários à cobrança das grandezas elétricas que o seu enquadramento tarifário permite a ela cobrar.
Para isto, são medidos e registrados as demandas e consumos ativo e reativo a cada 15 em 15 minutos (intervalo de integração) durante todos os dias entre as leituras de energia. Durante a leitura, esses dados são transferidos para um coletor de dados, e posteriormente, eles são descarregados no computador da concessionária que faz o faturamento de cada um dos clientes.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Métodos Usuais:
Métodos dos consumos médios mensais
Método das potências medidas
Métodos das Potências Médias
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Método dos Consumos mensais:
É um dos métodos mais simples para obtenção do f.p
Consiste em tabular os consumos de energia ativa e reativa fornecidos na conta de energia emitida pela concessionária.
Para tal, é conveniente organizar as contas de energia correspondentes a um período de igual ou superior a 6 meses.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Exemplo:Mês Consumos
kWh kVArh
JUL 17580 17900
AGO 19410 18720
SET 20070 19400
OUT 18480 17560
NOV 15320 13200
DEZ 17560 17600
SOMA 108420 104380
MÉDIA 18070 17396
22kVArhkWhkVAh
kVAh
kWhpf .
72.01739618070
18070.
22
pf
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Método das potências medidas
Consiste em se proceder à medição das potências ativa e reativa utilizando-se registradores gráficos.
Tais registradores, quando utilizados para medição em tensão primária, precisam de auxílio de TP´s
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Esquema de Medição com Registrador CF-11 da GE
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Exemplo: 75.0510
440coscos. arctgpf
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Método das potências médias
Tem emprego consagrado em diversas concessionária de energia elétrica;
Consiste em utilizar os próprios medidores de energia ativa e reativa da concessionária, anotando-se, para as condições desejadas, o nº de rotações que os discos dos referidos medidores realizam num determinado período de tempo
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Métodos das potências médias
É necessário conhecer:
Constante do disco de medidor, Kd ,em Wh/rot.
Constante do medidor, Km, em geral igual a 1.0.
Fator de multiplicação do medidor ou constante de faturamento, Kf
Kf = RTP*RTC*Km
Tempo de funcionamento da instalação
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
A Potência média é calculada pela seguinte equação:
(kWh ou kVArh)m
frdmed KT
KNKP
*
***6.3
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Observações:
Este método permite que sejam realizadas várias medições, cada uma simulando condições de operação de carga específicas.
Plena carga Carga leve, com todos os transformadores em
operação Carga leve, com apenas parte de transformadores
em operação (iluminação de emergência, p.ex)
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Correção do Fator de Potência
Métodos Usuais:
Modificações na rotina operacional; Instalação de Motores Síncronos
superexcitados Instalação de capacitores-derivação
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Correção do Fator de Potência
Modificações na rotina operacional
Como exemplo, na indústria, manter os motores operando a plena carga, evitando seu funcionamento em vazio.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Correção do Fator de Potência
Motores Síncronos superexcitados
A corrente de excitação do motor é elevada a tal ponto, fazendo com que o motor funcione com fator de potência capacitivo, fornecendo potência reativa à rede elétrica. Devido ao alto custo e dificuldades operacionais, esta solução é pouco empregada na prática.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Correção de Fator de Potência
Uso de Capacitores-Derivação
Tipo de solução mais empregada na prática; A potência do capacitor a ser utilizado sempre irá
proporcionar um fator de potência superior a 0.92 (indutivo ou capacitivo)
A utilização de Bancos de Capacitores deve-se seguir o princípio de que a potência manobrada não deva permitir um f.p capacitivo no período de 0-6 hs da manhã, evitando o faturamento da energia reativa capacitiva excedente. O período de 6-24 hs a potência manobrada deve evitar o faturamento de energia reativa indutiva excedente.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Carga de Potência Reativa Indutiva
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Carga Indutiva + Capacitor
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Carga a vazio + Capacitor
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Como corrigir o Fator de Potência ?
Para elevar o fator de potência de Fp1 (valor original) para Fp2 (valor desejado) procede-se ao cálculo da seguinte equação:
Qcap = kW*(tg φ1 - tg φ2), onde:
Φ1 : ângulo do f.p original Φ2 : ângulo do f.p desejado
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Correção do Fator de Potência Método dos Consumos Mensais
Cre : média dos consumos mensais de kVArh
Creo: média dos consumos mensais de kVArh
em carga leve Cat : média dos consumos mensais de kWh
Creo: média dos consumos mensais de kWh
em carga leve Φ2 : ângulo do fator de potência desejado T : tempo de funcionamento da instalação,
em horas
T
tgCCCCQ atoatreore
cap2*)()(
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Correção do Fator de Potência
Fp2 : fator de potência, corrigido, com a instalação dos capacitores cuja potência é Qcap
at
capre
C
TQCarctgFp
*cos2
Conceitos Básicos de Energia Elétrica Exemplo – 1 :
Sistema Industrial onde pretende-se obter o fator de potência em três modos de operação distintos: Industria a plena carga (caso_1) Industria fora de operação, isto é, após
às 17:00 horas, estando os dois trafos energizados(caso_2)
Indústria fora de operação, porém estando apenas um trafo energizado (caso_3)
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Diagrama Unifilar:
INDÚSTRIA
500 kVA
500 kVA
Red
e d
a
Con
cessio
nári
a
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Registro da Concessionária:
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Dados da Instalação:
Tensão Primária : 13.8 kV; Tensão Secundária : 380 V; Levantamento de Carga: Tabela a seguir Plano de Expansão : não há Horário de funcionamento:
7:00 às 17:00 hs : segunda à sexta-feira Sábado e Domingo : fora de operação
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Levantamento de Carga
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Dados dos Medidores da Concessionária
Constante
kW-kWh kVArh
Kd 1.2 0.6
Km 1.0 1.0
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Valores das Medições
A) Caso_1
Método das Potências Médias
med
med
kW
kVArarctgpf cos1_.
)(*
***6.3kWoukVArh
KT
KNKP
m
frdmed
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Para o cálculo das potência ativa, temos:
Kd = 1.2 ; Km = 1.0
Nr = 5 T = 35 seg. Kf = RTP*RTC*Km
RTP = 13800/115 =120 I = (2*500)/(√3*13.8) = 41.8 A > RTC = 50/5
= 10 Kf = 120*10*1 = 1200
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Portanto, a potência ativa medida no intervalo de 35s (industria a plena carga) é:
kW,med =( 3.6*1.2*5*1200)/(35*1) = 740,5 kW
Já para o cálculo da potência reativa, temos:
Kd = 0.6 T = 0.29 seg
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Logo, a potencia reativa medida no intervalo de tempo de 29 seg vale:
kVAr,med = (3.6*0.6*5*1200)/(29*1)=446.8kVAr
Sendo assim, o fator de potência com a indústria a plena carga vale:
f.p_1 = cos arctg (446.8/740.5) = 0.85
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
B) Caso_2
A potências ativa e reativa medidas na condição de carga leve, após as 17:00 hs e considerando os dois trafos em operação serão:
kW,med =( 3.6*1.2*5*1200)/(30*60+10) = 14,3 kW
kVAr,med = (3.6*0.6*5*1200)/(23*60+10)=9,3kVAr
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
E assim, o fator de potência nestas condições vale :
f.p_2 = cos arctg (9.3/14.3) = 0.83
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
C ) Caso_3
A potências ativa e reativa medidas na condição de carga leve, após as 17:00 hs e considerando apenas um dos trafos em operação serão:
kW =( 3.6*1.2*5*1200)/(3600+60+30) = 7,0 kW
kVAr = (3.6*0.6*5*1200)/(45*60+54)=4,7kVAr
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
E assim, o fator de potência nestas condições vale :
f.p_3 = cos arctg (4.7/7,0) = 0.83
Conclusão :
Houve uma redução no fator de potência da indústria quando um ou os dois transformadores operam desenergizados.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Exemplo_2
Para a indústria do exemplo anterior pretende-se obter qual a potência nominal de capacitores é necessária para corrigir o fator de potência médio mensal de 0.81 para 0.92. Esta potência deve ser tal que não haja fator de potência capacitivo em carga leve, considerando uma demanda constante no período de 7:00hs às 17:00 hs.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Para este propósito devemos determinar:
Nº de horas de funcionamento da instalação em plena carga
Nº de horas de funcionamento da instalação em carga leve
Consumos médio mensal ativo e reativo em plena carga e em carga leve.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Funcionamento a plena carga:
Segunda –sexta (7:00 às 17:00 hs) : 10 hs
Sábado / Domingo (não há expediente) : 0 hs
Total da semana : 5 x 10 = 50 hs Total do mês : 50 * 4,28 = 214 hs
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Funcionamento em carga leve (somente iluminação de vigilância)
Segunda –quinta (17:00 às 7:00 hs) : 14 hs Sexta-feira (17:00hs às 24:00hs) : 7 hs Sábado/Domingo (0-24 hs): 24 + 24 = 48 hs Segunda-feira: (0 às 7:00hs) : 7 hs Total da semana :14*4 + 24*2 + 7*2) = 118
hs Total do Mês : 118 * 4.28 = 505 hs
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Observações:
O mês de Julho servirá com base para os dados de consumo mensal, por apresentar o mais baixo fator de potência (0.81)
Para esta aplicação, consideraremos que o ciclo de carga da indústria é constante durante o ano todo.
O período de carga leve corresponde aquele em que apenas um transformador esta energizado.
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Assim, temos:
Cre = 117.600 kVArh
Cre0 = T0 * kVAro = 505 * 4.7 = 2373.5 kVArh
Cat = 167.200 kWh
Cat0 = T0 * kVAro = 505 * 7.0 = 3535 kWh T = 214 hs
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
A potência nominal do capacitor será assim determinado:
Qcap = 213 kVAr
Qcap = 4 *50 + 1*15 = 215 kVAr
kVAr
tgQcap 6.212
214
92.0arccos*)3535200.167(2373600.117
Em carga leve, ligada somente a iluminação de vigia, o fator de potência com as 4 células conectadas será de: Qcap = P*(tg Φ1 – tg Φ2)
Φ1 = arc tg (4.7/7.0) = 33.87º P = 7 kW (demanda ativa em carga leve) tg Φ2 = (P*tg Φ1 – Qcap) / P
tg Φ2 = (7*tg 33.87 – 215) / 7 = -30º > Φ2 = -88º
Logo : f.p = cos (-88º) = 0.033 (capacitivo)
Conceitos Básicos de Energia Elétrica
Conclusão:
No período de carga leve (somente iluminação de vigia), as células do banco de capacitor de 215 kVAr devem ser desligadas da rede, sob pena de pagamento de multa por fator de potência capacitivo abaixo de 0.92 neste período.
Impactos da Qualidade de Energia
Impactos Técnicos da Q.E.E
Desempenho de equipamentos;Interferências;
Perdas;Vida Útil
Equipamentos para Mitigação (projeto de
filtros, outros)
Impactos da Qualidade de Energia
Impactos Econômicos da Q.E.E
Investimentos em
melhorias
Contratos de
FornecimentoX
Qualidade
Custo da poluição
Investimento em
soluções para
problemas críticos
Impactos da Qualidade de Energia
Fatores que afetam os Custos com Qualidade de Energia
Perdas na Produção Sucateamento de equipamentos
Re-inicialização de Processos Industriais
Mão de Obra Danos e reparos em equipamentos
Outras
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