Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Qualidade da EnergiaEwaldo Luiz de Mattos MehlUniversidade Federal do ParanáDepartamento de Engenharia ElétricaCentro Politécnico, Curitiba, ParanáE-mail: [email protected]

Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Vista noturna da Terra a partir de imagens de satélite

Qualidade da Energia

• Situação até 1970:Cargas Resistivas ou Resistivas-Indutivas

• Situação AtualPresença crescente de cargas eletrônicas


• Continuidade de Fornecimento

• Nível de Tensão

• Oscilação da TensãoImpulsosTransitóriosDesequilíbrio de FasesDistorção da Oscilação Senoidal


• Cintilação ou Flicker

Curva deSensibilidade

do Olho Humano

Variação deTensão de um Forno a Arco


• Cunha de Tensão ou Voltage Notch


• Desequilíbrio de Tensão ou Voltage Imbalance– Assimetria da Rede– Tipo de Carga

Perdas nos motores de indução por desequilíbrio

de tensão.


• Elevação de Tensão

> 2s Sobretensão ou Overvoltage

< 2s Voltage Swell

s / ms Surtos ou Spikes


• Afundamento (redução) de Tensão

> 2s Subtensão ou Undervoltage

< 2s Voltage Sag


• Interferência Eletromagnética- EMI-EMC– Irradiada: EMI– Conduzida: EMC


• Harmônicos e Interharmônicos


• Índices de Qualidade: Interrupções

i = número de interrupções, de 1 a nT(i) = tempo de duração de cada interrupção do conjunto de consumidores considerados, em horasCa(i) = número de consumidores do conjunto considerado, atingido nas interrupçõesCs = número total de consumidores do conjunto considerado

Duração de Interrupção por Unidade Consumidora (horas)



i = número de interrupções, de 1 a nCa(i) = número de consumidores do conjunto considerado, atingido nas interrupçõesCs = número total de consumidores do conjunto considerado

Freqüência de Interrupção por Unidade Consumidora (número)



Fonte: ANEEL, 2004



Fonte: ANEEL, 2004

Fonte: ANEEL, 2004


• Índices de Qualidade: DEC

ANEEL - Médias de Julho 2001



ANEEL - Médias Brasileiras



COPEL - Médias de 2001


• Índices de Qualidade:

COPEL - Médias Anuaia


• Índices de Qualidade: FEC

ANEEL - Médias de Julho 2001



ANEEL - Médias Brasileiras



COPEL - Médias de 2001

Período DECApurado Máximo Permitido FEC

Apurado Máximo Permitido

Janeiro 1,53 5,40 1,40 6,02Fevereiro 1,30 5,40 1,20 6,02Março 1,35 5,40 1,18 6,02Abril 0,96 5,40 1,00 6,02Maio 0,79 5,40 0,74 6,02Junho 0,76 5,40 0,70 6,02Julho 0,87 5,40 0,84 6,02Agosto 0,81 5,40 0,82 6,02


• Índices de Qualidade: Médias da COPEL/2001


• Obtenção dos Índices de Qualidade

SISTEMA ARGOS(Sistema de Monitoração de Interrupção do Fornecimento de Energia Elétrica) Tecnologia LACTEC www.lactec.org.br

ANEELwww.aneel.gov.brargos.aneel.gov.br


Qualidade da Energia NÃO É SÓ

GARANTIR A AUSÊNCIA DE

INTERRUPÇÕES

Normas e Regulamentações

•Brasil: GCOI-ELETROBRÁS:Fator de Potência > 0,92Harmônicos: Cargas Especiais (?)

Cargas Lineares:

Cargas Não-lineares:

cosfp

cosfp

rmsrms

rmsrms

IVIV

SP

21

1)1(

)(1

)cos(fp

cosfp

TDH

IVIV

SP

rmsrms

rmsrms

Guide Recomended Practice Standard

Limites das Componentes Harmônicas: na Corrente de Entrada dos Consumidores.Limites: em porcentagem da fundamental.Isc = corrente de curto-circuitoIL = média das correntes de demanda máxima (12 meses)TDD = Taxa de Distorção Harmônica, em porcentagem da máxima corrente de demanda da instalação

Isc/IL n<11 11 n <17 17 n <23 23 n <35 35 n TDD<20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0

20 a 50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,050 a 100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0100-1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0

>1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0

•USA: IEEE Standard 519 (1992):Limites de Distorção e Harmônicos no Ponto de Acoplamento Comum Consumidor/Rede


IEC 61000-3•IEC 61000-3-2: Harmônicos de Corrente•IEC 61000-3-3: Flutuações e flicker 16A•IEC 61000-3-4: Flutuações e flicker > 16A

EN50006 IEC555 IEC555-2 IEC555-4(CENELEC)


•IEC (International Electrotechnical Commission):

IEC 61000-3

- Valores-limitespara as componentes harmônicas da corrente de entrada.

- Limites relativos (mA/W) e absolutos (A).

- Equipamentos alimentados em 230 V.

Exemplo:IEC555-2 (1990)

200W a 300W >300W

EN50006 IEC555 IEC555-2 IEC555-4(CENELEC)

IEC 61000-3


(Tensão Senoidal) x (Corrente Não-Senoidal)

va

ia

ia1

1

1cosFD •Fator de Deslocamento

•TDH 100FFF100F

F%TDH

1ef

21ef

2ef

21

2n

2n

VASWPfp 21

ef

1ef

TDH1FDcosI

Ifp

•Fator de Potência

Problemas Causados pela Presença de Harmônicos

Problemas diretos - Perdas de potência no alimentador e transformadores- Distorção de tensão- Baixo aproveitamento dos circuitos de alimentação- Limitação de geração de potência- Amplificação harmônica- Erros em medições- Interferências em sistemas de comunicação e controle

Problemas indiretos (conseqüências)- Circulação de correntes harmônicas- Perturbação em estruturas de controle

Retificador Monofásico

I1n

i1

v1

10 50 100 1000 Hz

i1

v1~

Cf V

CARGA

•Simples•Amplamente Utilizado•fp < 0,7

Exemplo:Potência Aparente: 1,5 kVAPotência Ativa: 1050 W

Retificador Monofásico

Alternativas:•Filtros Passivos:

•Redução do conteúdo harmônico•Fator de Potência < 0,9•Peso e Volume elevados

•Métodos Ativos: Pré-Reguladores de Fator de Potência•Conversor CC-CC na entrada•Fator de Potência = 1

CARGA

CONVERSORCC-CC

Ioioi1r

i1

C o v o

Retificador Monofásico com Correção de fp

Retificador Trifásico

D1 D3 D5

D2 D4 D6

va

vb

vc

ia

ib

ic

IL Vo

0,000,200,400,600,801,001,20

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

•FP teórico: 0,955•FP real < 0,85•THD > 30%•Não há geração de 3a Harmônica

Retificador Trifásico

Alternativas:•Filtros Passivos:

•Filtros passivos sintonizados nas freqüências das harmônicas •Redução do conteúdo harmônico•Peso e Volume elevados•Risco de Amplificação Harmônica

•Métodos Ativos:

•Interruptores de Alta Freqüência•Dissipação elevada Reduz a eficiência•Fator de Potência = 0,99

•Interruptores de Baixa Freqüência•Simplicidade de Comando•Fator de Potência = 0,99

Tensão

Corrente

Vi = 220 VP = 9,6 kWLa = Lb = Lc = 1,9 mH

TDH = 20,75%1 = 22,62°FP = 0,904“FP” = 0,915

Retificador Trifásico com Filtro Indutivo

Lt

Rede 3

va

vb

vc id=IL

iaF ia

iFRet. 3tiristorizado

Rh

LhL7

5

L5

ChC7C5

Vt

•Filtros passivos sintonizados nas freqüências das harmônicas•Redução do conteúdo harmônico•Peso e Volume elevados•Risco de Amplificação Harmônica

Retificador Trifásico com Filtros Passivos

• Várias Possibilidades de Implementação: Cuk, SEPIC, etc.• 5.a harmônica• Corrente de Alta Freqüência: Indutores e Diodos• Filtros Adicionais para Alta Freqüência • Dissipação elevada reduz a eficiência• Fator de Potência = 0,99

Retificador Trifásico com Interruptor PWM

Proposta de um Novo Retificador Trifásico com Interruptores de Baixa Freqüência

Sa, Sb, Sc: Interruptores BidirecionaisLa, Lb, Lc: Indutores D1 . . . D6: Diodos RetificadoresCa, Cb: Capacitores EletrolíticosDa . . .Dd: Diodos Retificadores M: MOSFET

va(t) vc(t) vb(t)t

tia(t) D1 D4

tic(t)D3D6 D6

D1

tib(t)D5 D2D2

Origem da Proposta: Retificador Trifásico com Indutores na Entrada

Um Novo Retificador Trifásico

va(t) vc(t) vb(t)t

tS3

tS2

tS1

Características do Novo Circuito

Não há ligação com o Neutro

Indutores na Entrada: Robustez

Interruptores comandados em baixa freqüência

Baixo Custo Elevado Fator de Potência

Tipos de Pulsos de Controle

“iniciado em zero” “terminado em 30o”

Construção doProtótipo

AlimentaçãoAlimentaçãoVVi(f-f)i(f-f)= 220V, 60 Hz= 220V, 60 Hz

IndutoresIndutoresLLaa=L=Lbb=L=Lcc=4.25 mH=4.25 mH

Potência de SaídaPotência de Saída7.3 kW7.3 kW

Resultados Experimentais

Escalas: Tensão = 50 V/div; Corrente = 10 A/div; Tempo = 5ms/div

Tensão Fase-Neutro Corrente de EntradaVo = 291.5 VPo = 7.35 kW

• TDH=6,6%• Fator de Potência = 0,9964• Conformidade com IEC555-2• Conformidade com IEC555-4• IEEE519: Conformidade para Isc/IL > 20Patente:• PI 9503678-4 - INPI (Brasil)

Resultados Experimentais

ConclusõesConclusões

•Equipamentos Eletrônicos: crescente presença nos Sistemas Elétricos•Interferências e Harmônicos: Prejudiciais à Qualidade da Energia Elétrica•Brasil: Falta de Regulamentação Específica sobre Harmônicos e Fator de Potência•Normas: IEC e IEEE•Alternativas: Existem e tem Bons Resultados

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