Electrónica e
Automatismo, Lda
Universidade Algarve
I.S.E. – Dep. Engenharia
Eletrotécnica
Jornadas Técnicas de
Eletrotecnia
09-11-2012
7 de Novembro de 2012José Caçote
EletrotecniaAspetos Gerais da Qualidade de
Energia
Electrónica e
Automatismo, Lda
Conteúdos
Normas internacionaisNP EN50160Aplicações
09-11-2012
Casos práticos
Electrónica e
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Normas Internacionais
Normas IEEE
IEEE 1159 – Definições e guia
IEEE 1459 – Técnico – desequilíbrio, harmónicas
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IEEE 1459 – Técnico – desequilíbrio, harmónicasIEEE 519 – Limites das harmónicas
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Normas Internacionais
• SEMI F47, SEMI E6 – semicondutores• ANSI (American National Standards Institute)• CE and RoHS – Comunidade europeia• CBEMA, ITIC…
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• CBEMA, ITIC…
• IEC 61010 – Segurança em equipamentos• IEC 61000 series – compatibilidade entre a carga e a rede• IEC 61000-4-30 – metodos de medida PQ
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A energia elétrica é um produto e, tal como todos os produtos, deve satisfazer determinados requisitos e padrões de qualidade. Para um equipamento funcionar corretamente, deverá ser-lhe fornecida uma tensão que seja enquadrada nos requisitos do equipamento. A maior parte dos equipamentos utilizados hoje em dia, especialmente dispositivos com eletrónica, requerem uma boa qualidade de energia.
.Os próprios equipamentos de uma instalação
Normas aplicáveis à
qualidade de energia
09-11-2012
.Os próprios equipamentos de uma instalação causam distorção da onda de tensão devido às suas caracteristicas não lineares, isto é, introduzem na instalação correntes não sinusoidais que interferem com a onda de tensão
De forma a manter uma qualidade de energia satisfatória, a responsabilidade deverá ser repartida pelo fornecedor de energia e pelo utilizador.
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A norma NP EN 50160 é a versão portuguesa da norma Europeia EN 50160: 1994.
Tem por objetivo definir e descrever os valores que caracterizam a tensão de alimentação, tais como:
Normas aplicáveis à
qualidade de energia
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• Frequência• Amplitude• Forma de onda• Simetria das tensões trifásicas
Normas aplicáveis à
qualidade de energia
NP-EN 50160
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NP-EN 50160Características da tensão fornecida pela
redes geral de distribuição
- 7 -
NP-EN 50160
IntroduçãoIntroduçãoIntroduçãoIntrodução
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Indica os limites ou valores das características da tensão que todos os
clientes têm de esperar…
FrequênciaFrequênciaFrequênciaFrequência AmplitudeAmplitudeAmplitudeAmplitudeSimetriaSimetriaSimetriaSimetria
Forma de ondaForma de ondaForma de ondaForma de onda
- 8 -
NP-EN 50160
Perturbação Medida LimitesIntervalos
de avaliação
Percentagem de medidasdentro de limites
durante o intervalo
±1% 99,5%+4%/-6% 100,0%
±10% 95%+10%/-15% 100,0%
Frequência
Variações da tensão
Média da frequência de cada ciclo durante 10 s
Média da VAC de cada ciclo durante 10 min.
ano
cada semana
Características da alimentação em baixa tensão
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+10%/-15% 100,0%
Severidade da tremulação Plt (2 horas) <1 cada semana 95%
Cavas de tensão Número de eventos (com U < 0,9UN) Indicação 2
Interrupções curtas da tensão Número de eventos (com U <0,01UN e t < 3 min.) Indicação 3
Interrupções longas da tensão Número de eventos (com U <0,01UN e t > 3 min.) Indicação 4
Sobretensões (50 Hz) Número de eventos (com U>1,1UN e t>10 ms) Indicação 5
Sobretensões transitórias Número de eventos (com U>1,1UN e t<10 ms) Indicação 6
Desequilíbrio da tensão Média de Uinv/Udir de cada ciclo durante 10 min. <2%
Para cada harmónica i, média da Ui/UN em cada ciclo durante 10 min. Ver tabela 1
Média do THD da tensão referenciada a UN em cada ciclo durante 10 min. <8%
Tensão interharmónicaTransmissão de sinais Tensão eficaz do sinal transmitido médio em 3 s Ver gráfico 1 cada día 99%
Variações da tensão
Variações rápidas da tensão
Tensão harmónica
Média da VAC de cada ciclo durante 10 min.
Número de eventos tipo escalão de tensão até 10% de UN
cada semana
Indicação 1
Por estudar
ano
cada semana 95%
- 9 -
NP-EN 50160
Nº Indicação
1Escalões de 5% de UN são normais. Escalões de 10% de UN podem-se produzir várias vezes ao dia.
Características da alimentação em baixa tensão
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2De 10 a 1.000. A maioria duram menos de 1s e têm uma profundidade inferior a 60% de UN
3 De 10 a 1.000. 70% das interrupções duram menos de 1 s
4 De 10 a 50
5 Normalmente não ultrapassam 1,5 kV AC
6 Normalmente não ultrapassam 6 kV de crista
- 10 -
NP-EN 50160
2.1 Variações do fornecimento da tensão
Exemplos de limites na NP-EN 50160
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• Para cada período de uma semana, 95% dos valores eficazes da tensão médios de 10 minutos devem situar-se no intervalo Un ± 10%
• Para todos os períodos de 10 min, todos os valores médios de valor eficaz da tensão devem situar-se no intervalo Un +10%/-15%
- 11 -
NP-EN 50160
A
B
t = 5 min
95% 95%
Exemplos de limites
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• Durante o tempo T:- 100% das medidas dentro do limite A- 95% das medidas dentro do limite B
• Logo a soma dos tempos ti em que o registo excede o limite B (sem exceder nunca o A), não pode ser superior a 95% de T
T = 100 min ≈ 1,6 horas
95%
5%
0%
95%
230 V
- 12 -
NP-EN 50160
Sistemas de ligação
09-11-2012- 13 -
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Perturbações de energia
Sintomas
• Falhas de energia• Disparo de disjuntores e diferenciais• Súbito aumento da fatura de energia sem causa aparente• Tremulação das lâmpadas• Aquecimento de equipamentos e funcionamento ruidoso
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UtilizadoresCargas
Impedância das linhas
Descargas atmosféricas
• Aquecimento de equipamentos e funcionamento ruidoso• Falhas de equipamentos• Baixa de rendimento e paralisações inesperadas• Perdas de dados em dispositivos eletrónicos(K)
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Perturbações de energia
Causas
• Cavas de tensão• Interrupções momentâneas• Sobretensões• Variações de frequência• Transitórios
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• Transitórios• Distorção harmónica• Flicker• Oscilações de tensão
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Perturbações de energia
O que provoca as falhas?
Bugs de Software? Ligações incorretas?Erros humanos?Temperatura?
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Temperatura?Humidade?Falhas de alimentação?Etc.. EtcK
Ou será deficiência na tensão de alimentação?
É NECESSÁRIO MEDIR E VERIFICAR!!
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Perturbações de energia
Como Eliminar as falhas?
Regulador de tensão?UPS?Estabilizador de tensão?Transformador de isolamento?
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Transformador de isolamento?Transformador com fator K?Efetuar testes e certificações?Blindagem?Etc.. EtcK
É NECESSÁRIO MEDIR E VERIFICAR!!
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Perturbações de energia
A quem atribuir responsabilidade pelas falhas?
Fornecedor de energia?Própria instalação?Problema local?
Falhas dos equipamentos?
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Falhas dos equipamentos?Cabos soltos?Curto-circuitos?Erros humanos?Temperatura?Humidade?
É NECESSÁRIO MEDIR E VERIFICAR!!
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Perturbações de energia
Porque não se resolvem os problemas de qualidade de energia? Porque estes são provocados por falhas e acidentesK
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Perturbações de energia
E vão sempre existir falhas e acidentesK
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Perturbações de energia
Os custos de uma má qualidade de energia podemse bastante significativos
Produção: Cada vez que a produção é interrompida, os produtos não são fabricados; não podem ser vendidos – Perdas de proveitos
Danos no produto: Interrupções podem causar danos parciais ou completos nos produtos correspondendo a prejuízos.
09-11-2012
nos produtos correspondendo a prejuízos.
Custos com a energia: Os fornecedores de energia cobram por baixos fatores de potência e altos valores de pico.
Manutenção: Falhas prematuras nos equipamentos causam alocação de recursos incorrendo em custos na resolução dos problemas e restauro de produção.
Impacto de mercado: Os custos de uma má imagem devido a atrasos de entrega de um produto ou má qualidade dos mesmos podem ser significativos.
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Perturbações de energia
• Poupança de energia de +/-5% Um erro de 1% corresponde a
Porque necessito de um equipamento com grande precisão?
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Um erro de 1% corresponde a 20% do valor de poupança!
• Energia “limpa” – A precisão da medida é um fator fundamental.
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Perturbações de energia
61000-4-30 - Classe A é importante! 2 instrumentos ligados ao mesmo sinal devem devolver o mesmo resultado!
Porque necessito de um equipamento com grande precisão?
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resultado!
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Perturbações de energia
Formas de medir
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Aplicações PQube
Equipamentos industriais
- O tamanho e o preço são perfeitamente adequados para instalação diretamente nos quadros. - Retorno do investimento de curta duração devido aos serviços ou danos evitados.- Monitorização de energia – Definição de estatísticas, falhas de motoresK
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- Monitorização de energia – Definição de estatísticas, falhas de motoresK- Fácil instalação sem necessidade de software, com ou sem rede de comunicação
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Aplicações PQube
Equipamentos medicina – Perfeito para equipamentos de grande sensibilidadeHospitais e clínicas – Deteta qualquer perturbação que possa afetar o correto funcionamento de cargas sensíveisParques eólicos – Ligação direta a 690V; Monitoriza a estabilidade da rede AC e do barramento DC
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estabilidade da rede AC e do barramento DCParques fotovoltaicos – Monitorização dos dois lados do inversor; Fornece dados de compatibilidade de redeTelecom e datacenters – Ligação direta à rede AC ou a 48VDC; Medição T e RH;Transportes – Monitoriza problemas de harmónicas dos retificadores; ideal para discussão de dados junto do fornecedor de energia; Vasta gama de frequências para geradores dos navios
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Aplicações PQube
Aeroportos – Redução de chamadas de manutençãoBases militares ou embaixadas – Relatórios de consumos e qualidade de energia em qualquer línguaUniversidades - Captura de qualquer perturbação de rede; Dados detalhados e estatísticas de dezenas de parâmetros em ficheiro CSV adequado para programas de análiseLaboratórios – Monitorização de parâmetros que podem
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Laboratórios – Monitorização de parâmetros que podem danificar equipamentos de grande sensibilidadePlataformas Off Shore – Monitorização do funcionamento de geradores, UPS ou quadros de alimentação de cargas sensíveisIndústria – Monitorização da alimentação das salas de controloEstações de tratamento – Controlo da energia para garantir o funcionamento doas bombas, variadores de velocidade, etcK
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• Sem necessidade de software. Sem licenças. Totalmente aberto – Para utilizar o PQube apenas necessita de um editor de texto, browser da webou um programa como o excell.
• Fácil de compreender – Olhando para a informação disponibilizada pelo PQube não necessita de perder muito tempo para aprender acerca do PQube para ver o que quer.
• Uptadtes de firmware grátis – De tempos em tempos são oferecidas
O que distingue o PQube?
09-11-2012
• Uptadtes de firmware grátis – De tempos em tempos são oferecidas actualizações para adicionar ao seu PQube algumas funcionalidades. Totalmente gratuitas.
• Trabalha por si – Para utilizar o PQube apenas necessita de o ligar à rede e começará a gravar imediatamente.
• Funciona com ou sem rede – Caso tenha rede Ethernet pode utilizar o módulo opcional ETH1 e receba e-mails quando ocorra um evento, procure os eventos gravados e analise as tendências. Caso não tenha rede Ethernet, o PQube grava todos os eventos em cartão SD.
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• Armazena anos de dados – O PQube inclui um cartão SD de 4GB com o qual é possível gravar aproximadamente 3 anos de dados
• Tamanho compacto – O PQube tem dimensões reduzidas o que permite uma fácil integração nos quadros eléctricos.
O que distingue o PQube?
09-11-2012
nos quadros eléctricos. • Baixo custo – A Power Standards Lab,
apresentam-se como especialistas em sensores de potência para edifícios. Sabem como fazer bons produtos a baixo custo para o utilizador.
• Ferramenta global – Qualidade de energia, cavas, sobretensões, variações de frequência, impulsos a alta frequência, energia activa, energia aparente, carbono. Dados diários, semanais e mensais. Vários equipamentos num só.
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PQube
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Variações de tensão
100%
Tensão rms [%] UN
110%
Sobretensão
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Interrupção longa duraçãoInterrupção de curta duração 1%0%
1 min1 min1 min1 min
90%
100%
t10 ms 1s 1 h3 min
Cava
Interrupções
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Variações de tensão
Cava de tensão
Duração: 0.542 segProfundidade: 66,77 %
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Variações de tensão
Sobretensão
Duração: 0.020 segAmplitude: 117,45%
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Modulação 8,4Hz
Flicker is the effect produced on the visual human perception by a changing emission of light by lamps subjected to fluctuations of their supply voltage.
Flicker - Tremulação
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(CEI 61000(CEI 61000--44--15)15)PPstst : : Curta Curta duraçãoduração(10 (10 min)min)PPltlt : : Longa Longa duraçãoduração(2 hrs(2 hrs))
50 Hz
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Variações de tensão –Case study
Problema:
Queixas acerca de tremulação da iluminação num resort de ski
É feita uma análise da onda de tensão que aparentemente não apresenta
09-11-2012
que aparentemente não apresenta anomalias
É contactado o fornecedor de energia que efetua uma análise no ponto de entrega
O ponto de entrega é ao fundo da colina e não no edifício
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Variações de tensão –Case study
Problema:
A medição revelou algumas cavassem significado com profundidadebastante baixa e não frequentes.
09-11-2012
Verificou-se a existência de picos de corrente coincidentes com as cavas. O problema estaria no interior do resort.
É feita uma análise da qualidade daonda de tensão.
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Variações de tensão –Case study
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• Foi feita uma medição no circuito de iluminação (1) onde forma encontradas cavas de 5 V bem como de corrente.
• Efetuou-se uma medição similar na alimentação do quadro (2) onde se verificou um problema similar.
• Foi efetuada a medição na fritadeira (3) onde se verificaram as cavas de tensão acompanhadas com aumentos de corrente. Foi encontrada a origem do problema.
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Variações de tensão –Case study
Solução:
A fritadeira foi alimentada a partir de uma alimentação independente tendo-se resolvido o problema
O problema era devido ao longo cabo entre a alimentação e a fritadeira
09-11-2012
As cavas são provocadas pelas cargas elevadas e pelos valores de impedância elevados
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Fourier
Tbase=20 ms fbase=50 Hz
Traçando as magnitudes de cada harmónica no eixo do yy e as frequências no eixo dos xx, obtemos o espectro harmónico
Onda distorcida
Harmónicas
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1 32 4ordem
6...
Am
plit
ud
ine
5
C1 C3C2 C4 C5
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CaracterísticasCaracterísticasCaracterísticasCaracterísticas• As harmónicas são caracterizadas pela sua ordem,
frequência, fase e sequência.• A fase da harmónica é relacionada com a
fundamental.• O valor da THDv, incluindo harmónicas até à ordem
40 não deve exceder os 8%.
Harmónicas
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Ordem 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Frequência (Hz) 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Sequência + - 0 + - 0 + - 0
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Sequências positivas, negativas e zero
Sequencia Rotação Efeitos
Positiva Frente Aquecimento de condutores, disjuntores, etcJ
Negativa Inversa Aquecimento como na anterior + problemas nos motores
Zero - Aquecimento e correntes de neutro
Harmónicas
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F 2ª 3ª 4ª 5ª 6ª 7ª 8ª 9ª
Frequência 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Sequência + - 0 + - 0 + - 0
Efeitos das sequências das harmónicas
Zero - Aquecimento e correntes de neutro
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EfeitoEfeitoEfeitoEfeito pelicularpelicularpelicularpelicular
I
• 1 A de corrente de uma harmónica de ordem n gera calor n2 vezes maior do que a
Harmónicas
09-11-2012
calor n vezes maior do que a mesma corrente à frequência fundamental.
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Harmónicas
• Motores alimentados a partir de tensões distorcidas irão aquecer.• Harmónicas de sequência negativa reduzem a eficiência mecânica dos motores uma vez que tentam forçar o motor a girar ao contrário. A energia contida nestas harmónicas é dissipada sob calor provocando envelhecimento precoce.
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• Aquecimento em transformadores poderá ser provocado pelo efeito pelicular!
Nota: As classificações de transformadores e geradores são baseadas no calor provocado pelas correntes de uma carga sinusoidal
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Harmónicas
• Disjuntores operam conforme a temperatura a menos que incluam um dispositivo magnético. É o aquecimento do disjuntor devido à corrente que faz o disjuntor atuar .
• Quando as proteções estão sujeitas a cargas com harmónicas poderão não funcionar corretamente.
09-11-2012
harmónicas poderão não funcionar corretamente.
• A definição de ressonância é quando as reatâncias capacitivas igualam as reatâncias . Equação da frequência de ressonância:
• As características de um circuito de ressonância LC é que amplifica as correntes cujas frequências coincidem com as frequências de ressonância.
• Condensadores não geram harmónicas mas geram circuitos ressonantes com as cargas indutivas da instalação.
LCfr
π2
1=
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Harmónicas – Case study
Fábrica de componentes plásticos - Cenário
Como os técnicos desta fábrica aprenderam a
baixar as correntes de neutro.
Uma empresa de plásticos recentemente adicionou uma área de processamento de encomendas.
A empresa utiliza computadores e pequenas
09-11-2012
A empresa utiliza computadores e pequenas máquinas de transporte.
As máquinas em questão têm controladores monofásicos e movimentam-se por ação de pequenos motores trifásicos.
Após adicionarem uma nova máquina, começaram a verificar-se disparos intempestivos devido a cavas de tensão.
O quadro de alimentação aqueceu.
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Harmónicas – Case study
Fábrica de componentes plásticos - Ações
Foi efetuada uma verificação da onda de tensão que se verificou ser de forma achatada no topo bem como uma THD de 13%.
A maior parte da distorção é na
09-11-2012
A maior parte da distorção é na harmónica de 3ª ordem.
Através de uma analisador de energia foi efetuado um estudo ao quadro de alimentação
Confirmou-se que a fase R e S apresentam uma distorção bastante elevada bem como correntes de neutro anormalmente elevadas.
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Harmónicas – Case study
Fábrica de componentes plásticos - Soluções
Foram equilibradas as fases do quadro de alimentação do processamento de encomendas
Foram substituídos os controladores monofásicos por trifásicos
09-11-2012
monofásicos por trifásicos
Manteve-se alguma distorção harmónica mas muito abaixo do medido na 3ª harmónica e menos corrente de neutro
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Harmónicas – Case study
Outras soluções para harmónicas
•Substituição dos transformadores por transformadores fator k
•Redução de carga nos transformadores sobreaquecidos
•Recablar ou redistribuir cargas de forma a reduzir as impedâncias e isolar cargas não lineares
09-11-2012
•Filtros passivos
•Filtros ativos
•Condutores de maior secção terão menor impedância. Menor preponênciapara distorção da onda de tensão
•Aumentar a secção do condutor de neutro
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Numa instalação a 3 ou 4 fios, as harmónicas triplas (sequência zero) vão ser refletidas no condutor de neutro.
Este facto acontece em todas as
-400-300
-200
-100
0100
200
300
400
0 90 180 270 360
Harmónicas – Case study
09-11-201249
Este facto acontece em todas as harmónicas múltiplas de 3 incluindo a 6ª, 9ª, 12ª, 15ª
-400-300-200-100
0
100200300400
0 90 180 270 360
-400-300-200-100
0100200300400
0 90 180 270 360
As harmónicas múltiplas de 3 encontram-se em fase com a fundamental criando desequilíbrio
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Harmónicas – Case study
Fábrica de componentes plásticos - Soluções
As distorções harmónicas podem causar:
Correntes altas nos condutores de neutro
Aquecimento de motores e transformadores provocando o seu envelhecimento precoce
09-11-2012
envelhecimento precoce
Aumento da probabilidade de ocorrência de cavas de tensão podendo originar resets de equipamentos
Redução da eficiência dos transformadores e motores
Vibração e ruido nos cabos
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Harmónicas – Case study
09-11-2012
Electrónica e
Automatismo, Lda
Harmónicas – Case study
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L2L1 L3
120º
UUUUL3L3L3L3L3
L1
Desequilíbrio
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120º 50 Hz
120º
- Diferente magnitude
- Ângulo de fase 120º
TensõesTensõesTensõesTensõesdesequilibradasdesequilibradasdesequilibradasdesequilibradas
UUUUL1L1L1L1
UUUUL2L2L2L2
≠
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Causas
•Funcionamento deficiente de sistemas de correção de fator de potência
•Fornecimento de energia desiquilibrado ou instável
•Transformadores subdimensionados.
•Cargas monofásicas mal distribuidas
Desequilíbrio
09-11-2012
•Motores não poderão produzir o seu máximo torque, o seu alinhamento poderá ser afetado.
•Estator e rotor excessivamente aquecidos levando ao envelhecimento precoce .
•A capacidade de operação dos transformadores e linhas é reduzida devido às componentes harmónicas de sequência negativa.
Efeitos
•Defeitos fase/fase oufase/terra
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• Durante um procedimento de manutenção foi descoberto um cabo quente no circuito
Cenário
Numa operação de manutenção, foi descoberto um problema
Desequilíbrio – Case study
09-11-2012
foi descoberto um cabo quente no circuito de alimentação das bombas
• Os cabos alimentam tanto os motores mais antigos como os mais recentes arrancadores suaves
• Tem sido efetuada uma substituição dos arrancadores antigos gradualmente
• Não foram adicionados novos motores
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Automatismo, Lda
• Foi efetuada uma verificação do desequilíbrio onde se verificou que o mesmo se encontra dentro dos limites.
• Verificou-se que a 5ª harmónica apresentava um valor de cerca de 14%.
• Verificou-se que um sistema antigo de correção de fator de potência foi ligado por
Desequilíbrio – Case study
09-11-2012
correção de fator de potência foi ligado por engano.
• Os condensadores for a ligados quando todos os motores utilizavam arrancadores suaves.
• Os condensadores causam ressonância aproximadamente na 5ª harmónica
• Foi substituída a bateria de condensadores por uma com filtro e o problema foi resolvido.
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Desequilíbrio – Case study
09-11-2012
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Automatismo, Lda
Aplicações
Diagramas de cargas
Aplicações:
Auditorias energéticas,
09-11-2012
energéticas, verificação de consumos, alocação de custos, eficiência dos processos
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Automatismo, Lda
Aplicações
Diagrama fasorial
09-11-2012
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Aplicações
Gráficos de Tendências
Aplicações:
Comportamento dos transformadores e
09-11-2012
transformadores e dos cabos, estudo das reservas disponíveis, determinação da origem das perturbações
Electrónica e
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Aplicações
Análise harmónica
Aplicações:
Comportamento dos transformadores e
09-11-2012
transformadores e dos cabos, dimensionamento baterias factor de potência, diagnóstico avarias
Electrónica e
Automatismo, Lda
Aplicações
Forma de onda e transitórios
Aplicações:
Diagnóstico avarias, detecção de
09-11-2012
detecção de problemas na instalação eléctrica
Soluções Fluke
Com ecrã
Equipamentos monofásicos
09-11-2012
PrestaçõesFLUKE VR1710
FLUKE 345
FLUKE 43B
Sem ecrã
Com ecrã
- 63 -
Soluções Fluke
FLUKE 1760
Sem ecrã
Equipamentos trifásicos
09-11-2012
PrestaçõesFLUKE 1735 FLUKE 434 FLUKE 435
FLUKE 1740FLUKE 1760
Com ecrã
- 64 -
Electrónica e
Automatismo, Lda
As Nossas Referências
Sistemas de Monitorização da Qualidade da Energia - QWebReport®
EDP DistribuiçãoEDP ServiçosElectricidade dos Açores
09-11-2012
Electricidade dos AçoresRede Eléctrica Nacional – RENElectricidade da Madeira
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Fim
Muito Obrigado!
09-11-2012
QEnergia - Sistemas para Qualidade e Gestão de Energia, Lda.Centro Empresarial S. Sebastião,
R. São Sebastião, Lt.11, nº10, Albarraque2635-448 Rio de Mouro - Portugal
Tel.: +351 214 309 320Fax: +351 214 309 299
e-mail: [email protected]
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