Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Qualidade da Energia
Ewaldo Luiz de Mattos Mehl
Universidade Federal do Paraná
Departamento de Engenharia Elétrica
Centro Politécnico, Curitiba, Paraná
E-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 Atual
Presença crescente de cargas eletrônicas
Qualidade da Energia
• Continuidade de Fornecimento
• Nível de Tensão
• Oscilação da Tensão
Impulsos
Transitórios
Desequilíbrio de Fases
Distorção da Oscilação Senoidal
Qualidade da Energia
• Cintilação ou Flicker
Curva de
Sensibilidade
do Olho Humano
Variação de
Tensão de um
Forno a Arco
Qualidade da Energia
• Cunha de Tensão ou Voltage Notch
Qualidade da Energia
• Desequilíbrio de Tensão ou Voltage Imbalance
– Assimetria da Rede
– Tipo de Carga
Perdas nos
motores de indução
por desequilíbrio
de tensão.
Qualidade da Energia
• Elevação de Tensão
s / ms
Surtos ou Spikes
< 2s
Voltage Swell
> 2s
Sobretensão ou Overvoltage
Qualidade da Energia
• Afundamento (redução) de Tensão
< 2s
Voltage Sag
> 2s
Subtensão ou Undervoltage
Qualidade da Energia
• Interferência Eletromagnética- EMI-EMC
– Irradiada: EMI
– Conduzida: EMC
Qualidade da Energia
• Harmônicos e Interharmônicos
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: Interrupções
Duração de
Interrupção por
Unidade
Consumidora
(horas)
i = número de interrupções, de 1 a n
T(i) = tempo de duração de cada interrupção do conjunto de
consumidores considerados, em horas
Ca(i) = número de consumidores do conjunto considerado,
atingido nas interrupções
Cs = número total de consumidores do conjunto considerado
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: Interrupções
Freqüência de
Interrupção por
Unidade
Consumidora
(número)
i = número de interrupções, de 1 a n
Ca(i) = número de consumidores do conjunto considerado,
atingido nas interrupções
Cs = número total de consumidores do conjunto considerado
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: Interrupções
Fonte: ANEEL, 2004
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: Interrupções
Fonte: ANEEL, 2004
Fonte: ANEEL, 2004
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: DEC
ANEEL - Médias de Julho 2001
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: DEC
ANEEL - Médias Brasileiras
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: DEC
COPEL - Médias de 2001
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade:
COPEL - Médias Anuaia
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: FEC
ANEEL - Médias de Julho 2001
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: FEC
ANEEL - Médias Brasileiras
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: FEC
COPEL - Médias de 2001
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: Médias da COPEL/2001
Período
Janeiro
DEC
Apurado
1,53
5,40
FEC
Apurado
1,40
Máximo Permitido
Máximo Permitido
6,02
Fevereiro
1,30
5,40
1,20
6,02
Março
1,35
5,40
1,18
6,02
Abril
0,96
5,40
1,00
6,02
Maio
0,79
5,40
0,74
6,02
Junho
0,76
5,40
0,70
6,02
Julho
0,87
5,40
0,84
6,02
Agosto
0,81
5,40
0,82
6,02
Qualidade da Energia
• Obtenção dos Índices de Qualidade
SISTEMA ARGOS
(Sistema de Monitoração de
Interrupção do Fornecimento de
Energia Elétrica)
Tecnologia LACTEC
www.lactec.org.br
ANEEL
www.aneel.gov.br
argos.aneel.gov.br
Qualidade da Energia
Qualidade da Energia
NÃO É SÓ
GARANTIR A
AUSÊNCIA DE
INTERRUPÇÕES
Normas e Regulamentações
•Brasil: GCOI-ELETROBRÁS:
Fator de Potência > 0,92
Harmônicos: Cargas Especiais (?)
Cargas Lineares:
P Vrms  I rms  cos 
fp  
S
Vrms  I rms
fp  cos 
Cargas Não-lineares:
P Vrms  I rms (1)  cos1 
fp  
S
Vrms  I rms
fp 
cos(1 )
1  (TDH ) 2
Normas e Regulamentações
•USA: IEEE Standard 519 (1992):
Limites de Distorção e Harmônicos no
Ponto de Acoplamento Comum Consumidor/Rede
Guide
Isc/IL
<20
20 a 50
50 a 100
100-1000
>1000
Recomended Practice
n<11
4,0
7,0
10,0
12,0
15,0
11 n <17
2,0
3,5
4,5
5,5
7,0
17 n <23
1,5
2,5
4,0
5,0
6,0
23 n <35
0,6
1,0
1,5
2,0
2,5
Standard
35 n
0,3
0,5
0,7
1,0
1,4
TDD
5,0
8,0
12,0
15,0
20,0
Limites das Componentes Harmônicas:
na Corrente de Entrada dos Consumidores.
Limites: em porcentagem da fundamental.
Isc = corrente de curto-circuito
IL = média das correntes de demanda máxima (12 meses)
TDD = Taxa de Distorção Harmônica, em porcentagem da máxima corrente
de demanda da instalação
Normas e Regulamentações
•IEC (International Electrotechnical Commission):
EN50006
IEC555
IEC555-2
IEC555-4
(CENELEC)
IEC 61000-3
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
Normas e Regulamentações
EN50006
IEC555
IEC555-2
IEC555-4
(CENELEC)
IEC 61000-3
Exemplo:
IEC555-2 (1990)
- Valores-limites
para as componentes Ordem da Harmônica
(n)
harmônicas da
2
corrente de entrada.
3
- Limites relativos
(mA/W) e
absolutos (A).
- Equipamentos
alimentados em
230 V.
4
5
7
9
11  n  39
Valor Limite da
Corrente Relativa [mA/W]
1,0
3,6
0,5
2,0
1,5
1,0
0 ,6 
11
n
200W a 300W
Valor Limite da
Corrente Absoluta [A]
0,30
1,08
0,15
0,60
0,45
0,30
0 ,1 8 
11
n
>300W
(Tensão Senoidal) x (Corrente Não-Senoidal)
va
ia1
F1
ia
•Fator de Deslocamento
FDcos1

•TDH
TDH%
•Fator de Potência
P W 
fp
SVA 
2
F
n
n2
F12
2
Fef2  F1ef
 100
 100
F1ef
I1ef
FD
fp
cos1 
Ief
1  TDH2
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
•Simples
•Amplamente Utilizado
i1
•fp < 0,7
Cf
v1~
V
C
A
R
G
A
i1
v1
Exemplo:
Potência Aparente: 1,5 kVA
Potência Ativa: 1050 W
I1n
10
50 100
1000
Hz
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
i 1r
i1
io
Io
CONVERSOR
CC-CC
Co
vo
C
A
R
G
A
Retificador Monofásico com Correção de fp
Retificador Trifásico
•FP teórico: 0,955
•FP real < 0,85
•THD > 30%
•Não há geração de
3a Harmônica
va
ia
vb
ib
vc
D1
ic
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
3
5
7
D5
IL
D2
1
D3
9 11 13 15 17 19 21 23 25
D4
D6
Vo
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
Retificador Trifásico com Filtro Indutivo
Tensão
Corrente
Vi = 220 V
P = 9,6 kW
La = Lb = Lc = 1,9 mH
TDH = 20,75%
1 = 22,62°
FP = 0,904
“FP” = 0,915
Retificador Trifásico com Filtros Passivos
va
vb
vc
iaF Lt Vt ia
id=IL
Rede 3
iF
Ret. 3
tiristorizado
L5
L7
Lh
C5
5
C7
Ch
Rh
•Filtros passivos sintonizados nas freqüências das harmônicas
•Redução do conteúdo harmônico
•Peso e Volume elevados
•Risco de Amplificação Harmônica
Retificador Trifásico com Interruptor PWM
• 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
Proposta de um Novo Retificador Trifásico
com Interruptores de Baixa Freqüência
Sa, Sb, Sc: Interruptores Bidirecionais
La, Lb, Lc: Indutores
D1 . . . D6: Diodos Retificadores
Ca, Cb: Capacitores Eletrolíticos
Da . . .Dd: Diodos Retificadores
M: MOSFET
Origem da Proposta: Retificador Trifásico com Indutores na Entrada
va(t)
vc(t)
vb(t)
t

t
ia(t)
ib(t)
ic(t)
D1
D4
D1
t
D5
D2
D2
t
D6
D3
D6
Um Novo Retificador Trifásico
va(t)
vc(t)
vb(t)
t

S1
t
S2
t
S3
t
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 do
Protótipo
Alimentação
Vi(f-f)= 220V, 60 Hz
Indutores
La=Lb=Lc=4.25 mH
Potência de Saída
7.3 kW
Resultados Experimentais
Tensão Fase-Neutro
Corrente de Entrada
Vo = 291.5 V
Po = 7.35 kW
Escalas: Tensão = 50 V/div; Corrente = 10 A/div; Tempo = 5ms/div
Resultados Experimentais
• TDH=6,6%
• Fator de Potência = 0,9964
• Conformidade com IEC555-2
• Conformidade com IEC555-4
• IEEE519: Conformidade
para Isc/IL > 20
Patente:
• PI 9503678-4 - INPI (Brasil)
Conclusões
•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