Título:
DETERMINAÇÃO DO PERFIL DE CARGA DE AMBIENTE UNIVERSITÁRIO
Autores:
Fernando Soares dos Reis, Member, IEEE
** Paulo Ribeiro, Fellow, IEEE
Guilherme A. Dentzien Dias
Marcos Telló
Vicente Mariano Canalli
Júlio César Marques de Lima
Uiraçaba A. S. Sarmanho
Reinaldo Tonkoski Jr., Student Member, IEEE
Gert Bolten Maizonave
Fabiano Daher Adegas
Gabriel Bartz Ceccon
Endereço:
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Faculdade de Engenharia
LEPUC – Laboratório de Eletrônica de Potência da PUCRS
Av. Ipiranga, 6681
CEP: 90619-900, Porto Alegre, RS - Brasil.
**Calvin College
Electrical & Computer Engineering Department
Office SB134
Telefone:
+55 (51) 3320 3686 / 3320 3500
Ramais: 4156, 4571, 3686
SubRamais: 216, 224 e 225
Fax:
+55 (51) 3320 3625
E-mail:
[email protected]
Autor para Contato:
Fernando Soares dos Reis
Área de Interesse:
Qualidade de Energia Elétrica
Abstract – This paper presents a methodology to determine a load profile of the
university facility which takes into account the individual equipments contribution in
the time domain. This load profile is acquired by each single type of equipment
measurement and counting and is useful for time domain modeling of power systems.
The load profile brings important information especially to find out seasonal loads and
load type preponderance.
DETERMINAÇÃO DO PERFIL DE CARGA DE AMBIENTE UNIVERSITÁRIO
Abstract – This paper presents a methodology to
determine a load profile of the university facility which
takes into account the individual equipments
contribution in the time domain. This load profile is
acquired by each single type of equipment measurement
and counting and is useful for time domain modeling of
power systems. The load profile brings important
information especially to find out seasonal loads and load
type preponderance.
Keywords – Power Quality, Load Profile.
I. INTRODUÇÃO
O problema da “qualidade do suprimento de energia
elétrica” ou “qualidade da onda de tensão” como é
conhecido, sempre foi objeto de preocupação das empresas
fornecedoras de energia elétrica. A novidade nesta área do
conhecimento é a ênfase que está sendo dada à mesma,
considerando-a como uma área separada da engenharia de
sistemas de energia.
O crescimento natural da complexidade das cargas
conectadas à rede supridora de energia elétrica, exige das
concessionárias uma constante preocupação com a qualidade
da energia entregue aos seus clientes. Para tanto, as mesmas
buscam determinar índices de qualidade dos sistemas locais,
de forma a avaliar qual o real impacto que os distúrbios
elétricos causam ao consumidor, assim como determinar qual
a sua responsabilidade na geração destes fenômenos. Além
disso, busca-se determinar qual é a parcela de
responsabilidade que deva ser atribuída aos consumidores
pela geração de distúrbios elétricos, uma vez que através da
inserção de cargas não lineares e faltas cometidas no sistema,
as mesmos acabam produzindo efeitos indesejáveis na rede
das concessionárias de energia elétrica na qual estão
conectadas.
Os avanços tecnológicos, principalmente os relacionados
com as técnicas de processamento digital de sinais, tem
permitido a medição sinais elétricos, cada vez mais, com
maior eficiência e confiabilidade. Contudo, a simples
determinação da tensão e da corrente em tempo real, de
modo a coletar sinais transientes, correntes harmônicas,
afundamentos de tensão entre outros, não fornece parâmetros
para quantificar a qualidade da energia elétrica entregue aos
consumidores. É necessário criar metodologias para a
definição de índices e técnicas que permitam estimar a
qualidade da energia elétrica. Para isto, é necessário avaliar o
impacto que os distúrbios na rede elétrica têm sobre os
equipamentos elétricos conectados a mesma, assim como o
impacto da conexão de determinados equipamentos na
qualidade de energia da instalação elétrica.
Este trabalho tem como um de seus principais objetivos a
apresentação de um estudo do perfil das cargas conectadas ao
prédio 30 da Faculdade de Engenharia da PUCRS. Neste
estudo, foi realizado um levantamento das cargas conectadas
à subestação deste prédio, onde foram adquiridas as formas
de onda de tensão e corrente de entrada destas cargas. Os
resultados deste levantamento serão apresentados neste
artigo, assim como uma análise das cargas preponderantes
neste sistema.
Este tipo de análise é de grande importância para
simulações no domínio tempo, onde a modelagem das cargas
deve ser baseada nas características da corrente de entrada,
para a determinação da melhor aproximação de um circuito
equivalente.
II. LEVANTAMENTO DE CARGAS
Neste capítulo será descrito o levantamento das cargas
conectadas na subestação do prédio 30 da Faculdade de
Engenharia da PUCRS, com o objetivo de determinar quais
tipos de carga são as mais significativas e identificar as suas
características preponderantes do ponto de vista da entrada.
Este estudo servirá de base para a determinação de modelos
simplificados para a realização de simulações do sistema
completo. Estas simulações permitirão verificar qual a
influência de cada tipo de carga na qualidade de energia do
consumidor.
Buscando conhecer as cargas conectadas à subestação do
prédio 30, iniciou-se a realização de um levantamento destas
cargas. Uma equipe do grupo de pesquisa visitou cada
recinto do prédio 30, munidos de uma planilha, para a
realização de um censo dos equipamentos conectados à rede
elétrica. Durante este levantamento, para cada modelo de
equipamento foram medidas a tensão e corrente de entrada.
Este levantamento foi realizado com a utilização de um
osciloscópio Tektronix modelo THS 720P, conforme ilustra a
Fig. 1, equipado com sondas de corrente. As amostras da
tensão e da corrente foram armazenadas para serem
analisadas posteriormente. A partir dos dados obtidos, de
tensão e de corrente de entrada, foi utilizado o programa
Wavestar, da Tektronix, para análise das formas de onda
armazenadas. Este programa permite calcular a potência
ativa, reativa e aparente, o fator de potência, a distorção
harmônica, o fator de deslocamento, os valores eficazes, o
conteúdo espectral e a distorção harmônica total (THD) das
formas de onda de tensão e corrente.
Para a medição da corrente de entrada, foram utilizadas
três tipos de sondas. A primeira sonda, utilizada para
medidas de baixa potência, foi obtida através de uma rede
resistiva conectada em série com a carga, a qual é composta
por 10 resistores de 1Ω/1W, de filme de carbono, todos
conectados em paralelo, os quais permitem medir correntes
de até 10 A. Esta sonda foi elaborada em nosso laboratório e
está representada na Fig. 2. A segunda sonda de corrente
utilizada, também é composta de uma rede resistiva, porém
com 10 resistores da 1Ω/5W de Níquel-Cromo, a qual
permite medir correntes de até 22A. Esta sonda também foi
montada em nosso laboratório e está representada na Fig. 3.
A terceira sonda de corrente utilizada é da Hewlett-Packard,
modelo HP 1146A a qual está representada na Fig. 4,
utilizada para medidas de correntes de até 60A. A razão para
se utilizar estes três tipos de sonda se deve ao fato de que a
sonda de corrente HP1146A tem seu desempenho
comprometido para freqüências acima de 10kHz, podendo
distorcer certos resultados, porém esta é a mais indicada para
cargas que não podem ser desconectadas da rede elétrica e/ou
sejam de alta potência, pois a mesma é isolada do circuito. Já
a sonda construída com resistores de Níquel-Cromo, por sua
característica intrínseca, insere uma indutância cujo valor
pode ser significativo para determinadas medições, onde
sinais de alta freqüência estão sobrepostos as correntes de
baixa freqüência. A sonda construída com os resistores de
filme de carbono é a mais indicada para se realizar as
medições, porém este tipo de resistor é encontrado somente
para baixas potências, o que limita a utilização da sonda.
Fig. 1. Osciloscópio THS
720P utilizado nas medições.
Fig. 3. Sonda de Corrente com
Resistores de Níquel-Cromo.
Fig. 2. Sonda de Corrente com
Resistores de Carbono.
tensão apresenta um “achatamento” em torno do pico, devido
à presença de um grande número de cargas não lineares
existentes no prédio. Na mesma figura pode-se observar a
forma de onda da corrente a qual apresenta características
típicas do estágio de entrada de uma fonte chaveada
convencional, com filtro EMI, o qual apresenta forte
característica indutiva, o que reduz substancialmente a taxa
de crescimento da corrente, além de uma ponte retificadora
associada a um capacitor de elevado valor. Todo este
conjunto encontra-se conectado diretamente à rede elétrica.
Em paralelo a este capacitor há um conversor CC-CC,
responsável por adequar os níveis de tensão, fornecendo à
carga uma tensão estabilizada. Este circuito, devido às suas
características construtivas acima descritas, apresenta um
comportamento não-linear, drenando energia da rede elétrica
somente em uma estreita faixa angular em torno do pico de
tensão da rede. O baixo fator de potência e a altíssima
distorção harmônica da forma de onda da corrente, como se
pode observar nas Figuras 6 e 7, evidenciam que não houve
preocupação com qualidade de energia neste equipamento. A
Tabela I apresenta as medidas obtidas.
Fig. 4. Sonda de Corrente
HP1146A.
Durante o levantamento foram visitadas mais de 100 salas.
As maiores dificuldades encontradas não foram de ordem
técnica, mas no acesso aos 19 laboratórios especializados das
duas faculdades (Engenharia e Informática) durante o
período de funcionamento, uma vez que eram necessárias
paradas para a realização das medições. Em muitos destes
laboratórios a parada dos equipamentos não foi possível, pois
poderia comprometer o bom funcionamento dos laboratórios.
Além disso, o acesso a certos setores dos laboratórios é
restrito aos funcionários destes laboratórios, o que fez com
que este levantamento dependesse da disponibilidade destes
funcionários. Devido a estas dificuldades, este levantamento
levou cerca de seis meses para ser concluído e compilado de
modo a obter o perfil das cargas.
A seguir serão apresentados os dados característicos de
uma das cargas medida no levantamento, incluindo os dados
fornecidos pelo fabricante (dados de placa) e os dados de
regime permanente coletados durante estes ensaios
exemplificando desta forma, a metodologia adotada.
III. CARGA DO TIPO COMPUTADOR DELL GX-150®
Os dados de placa encontrados no gabinete do
equipamento foram os seguintes: freqüência de 50 ou 60 Hz,
tensões de trabalho de 115 VCA ou 230 VCA, com correntes
nominais de 2 A, para a tensão mais baixa e 1 A para a
tensão mais alta. Foram encontrados 163 equipamentos deste
modelo conectados a rede deste prédio.
Na Fig. 5 são apresentadas as formas de onda de tensão e
da corrente obtidas experimentalmente. A forma de onda de
Fig. 5. Formas de Onda de Tensão e Corrente para o Computador .
2.9%
2.6%
2.3%
2.0%
1.7%
1.5%
1.2%
0.9%
0.6%
0.3%
0.0%
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Harmonic magnitude as a % of the fundamental amplitude
Fig. 6. Harmônicos de Tensão para o Computador.
71.8%
64.6%
57.5%
50.3%
43.1%
35.9%
28.7%
21.5%
14.4%
7.2%
0.0%
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Harmonic magnitude as a % of the fundamental amplitude
Fig. 7. Harmônicos de Corrente para o Computador.
TABELA I
Resumo dos dados medidos para o
Computador Dell GX – 150®.
Tensão eficaz:
Corrente eficaz:
Potência Ativa:
THD na Tensão:
THD na Corrente:
Fator de Potência:
Fator de Deslocamento:
Potência Aparente:
Potência Reativa:
125 V
582 mA
54,6 W
4,06%
82,53%
0,751
18,4º
72,8 VA
48,1 VAR
IV. ESTUDO SOBRE A REPRESENTATIVIDADE DAS
CARGAS
Foi realizado um levantamento resumido das quantidades
existentes de cada uma das cargas associado à potência
individual consumida por cada um dos dispositivos elétricos
ensaiados, o qual demonstrou ser pré-requisito essencial na
modelagem de cargas no domínio tempo. Apesar de simples,
esse tipo de dado é extremante útil em ações de diagnóstico e
planejamento. Devido à limitação de escrita em apenas 4
páginas, as demais análises e resultados, como a
representatividade da potência instalada por tipo de corrente
de entrada, serão apresentados somente na versão final deste
trabalho.
A Tabela II apresenta de forma resumida o levantamento
feito das cargas, relacionando neste caso somente as cargas
consideradas mais representativas, ou seja, com potências
superiores a 1kW. É possível desprezar os outros tipos de
carga devido à baixa representatividade diante da potência
total instalada. Estas cargas correspondem a menos de 5 %
da potência total instalada no prédio.
TABELA II
Quadro resumo de cargas do prédio 30 que consomem
mais que 1 kW em seu conjunto.
Equip.
Total P.Unit. P.Total Contrib.
Computador DELL – GX-150
163
72,8
11866
1,84%
Computador DELL – GX 240
106
42,9
4547,4
0,71%
CPU IBM ThinkCenter P4
98
98,5
9653
1,50%
CPU Compaq P4
27
73,4
1981,8
0,31%
CPU P3 Gateway torre
11
76,6
842,6
0,13%
Computador Hewlett-Packard Vectra
23
67,7
1557,1
0,24%
Multi Split Carrier 60 kBTU
7
2630
55230
8,58%
Multi Split Carrier 40 kBTU
35
1830 192150
29,84%
Multi Split Carrier 90 kBTU
7
3080
64680
10,04%
Arcon 90 kBTU
5
3080
46200
7,17%
Nobreak CP Modelo TEN 5kVA
1
1880
1880
0,29%
No-break GPad 10kVA trifásico
1
2260
2260
0,35%
No-Break Servidores 5 kVA
1
3950
3950
0,61%
Bebedouro
7
277
1939
0,30%
Microondas LG
2
1320
2640
0,41%
Freezer horizontal
6
354
2124
0,33%
Freezer da Pepsi
3
582
1746
0,27%
Freezer Sorvete
5
496
2480
0,39%
Balcão Aquecedor
1
640
640
0,10%
Cafeteira Wallita
7
527
3689
0,57%
Cafeteira
1
6360
6360
0,99%
Monitor DELL - Modelo E771p
79
75,8
5988,2
0,93%
Monitor DELL modelo M570
187
78,2
14623
2,27%
Monitor LG Studioworks 77i
20
116
2320
0,36%
Monitor IBM E50
98
98,2
9623,6
1,49%
Monitor HP71
17
99,3
1688,1
0,26%
Projetor Visograf PR 4400
30
369
11070
1,72%
Projetor Visiograf comum
2
740
1480
0,23%
Projetor Multimídia Proxima LS1
1
196
196
0,03%
TV Philips modelo 20GL104-4
2
60,3
120,6
0,02%
Ventilador Martau
336
97,6
32794
5,09%
Fliperama
10
132
1320
0,20%
Reator Reatronic 2x32W
414
60
24840
3,86%
Reator eletromagnético Intral 2x40W 853
97,4
83082
12,90%
Reator Osram 2x32W
340
60,3
20502
3,18%
Reator 2x110W CBI
32
214
6848
1,06%
Reator eletrônico Helfont 2x32W
32
69,1
2211,2
0,34%
Reator Intral para LVS de 400 W
3
1200
3600
0,56%
Máquina Assíncrona
5
360
1800
0,28%
Máquina Síncrona
5
302
1510
0,23%
Carga Instalada Total:
644033 100,00%
Na Figura 8 é possível se observar a contribuição de cada
tipo de carga, permitindo determinar o quanto uma carga
específica pode influenciar no consumo de potência reativa e
avaliar os problemas decorrentes deste perfil de carga.
Fig. 8. Contribuição de cada tipo de carga por aplicação.
V. CONCLUSÃO
Será descrito no artigo final, o levantamento resumido das
características de cada um dos diferentes tipos de cargas,
conectadas ao transformador de potência da subestação do
prédio 30 da PUCRS. Este levantamento visa à determinação
de modelos simplificados destas cargas, de modo a permitir a
realização de simulações do sistema completo no domínio
tempo. Estes modelos permitirão verificar qual a influência
de cada tipo de carga na qualidade de energia fornecida ao
consumidor. A realização deste levantamento das cargas
mostrou que, apesar do número significativo de diferentes
tipos de cargas, estas podem ser agrupadas de acordo com
suas características de tensão e corrente, o que facilita o
trabalho de modelagem destas cargas. Este trabalho de
rastreamento dos equipamentos instalados bem como as
visitas e a realização de medições nas mais de cem salas do
prédio, levou cerca de seis meses para serem realizadas.
Por último, fez-se um estudo da preponderância de cada
um dos tipos de cargas existentes no prédio. Como já era
esperado, computadores, monitores e UPS constituem a
principal fonte geradora de distorções harmônicas.
Entretanto, devido à grande preponderância das cargas
motoras indutivas, com baixos níveis de distorção
harmônica, essas irregularidades acabam tornando-se bem
menos expressivas na totalidade das cargas instaladas. Podese esperar, portanto, que a rede apresente ruído em níveis
bastante oscilantes, de acordo com as circunstâncias
sazonais. Na versão final deste artigo será apresentada a
distribuição dos equipamentos de acordo com a forma de
onda característica de corrente de entrada, além de uma
abordagem mais detalhada deste levantamento, o qual não foi
possível de ser incorporado nesta versão resumida do
trabalho, a qual foi elaborada em função da limitação de
escrita em apenas quatro páginas para apresentação deste
artigo.