Qualidade de Energia e Análise de Distúrbios em Equipamentos de Baixa Tensão, Resumos de Eletrotécnica

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CENTRO UNIVERSITÁRIO UNIFACVEST

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

ANNE MERKLE

ANÁLISE DA QUALIDADE DE ENERGIA

LAGES

ANNE MERKLE

ANÁLISE DA QUALIDADE DE ENERGIA

Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Centro Universitário UNIFACVEST como parte dos requisitos para a obtenção de grau de Bacharel em Engenharia Elétrica. Prof. Dra. Franciéli Lima de Sá

LAGES

Aos meus pais Carlos e Margareth e

meu companheiro Alexandre, com muito amor.

AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar sou grata a Deus por ter me dado sabedoria e com sua força divida me acompanhado ao longo desta caminhada. Em especial agradeço aos meus pais por sempre estarem ao meu lado ao longo da minha vida acadêmica, pela dedicação de seu tempo me auxiliando e me incentivando para que eu não desistisse ao longo dos dias mais difíceis, e principalmente por me fazerem ser curiosa e sempre buscar mais conhecimento e aprendizado. Agradeço também aos meus irmãos por me fazerem buscar sempre mais conhecimento para ser um bom exemplo para eles.

A minha orientadora que acreditou no meu tema de pesquisa e mostrou o caminho por onde seguir, de tal forma que somente assim foi possível à realização deste trabalho.

Agradeço aos meus amigos em especial a Cristina, Israel e Rudson que me apoiaram ao longo desta etapa, sem vocês eu também não teria chego até aqui. A todos os professores que fizeram parte deste curso que com certeza contribuíram muito.

Agradeço também ao meu companheiro Alexandre, pelo apoio, paciência, incentivo, e principalmente por ter acreditado nos meus sonhos e me ajudado a realiza-los.

ANALYSIS OF ENERGY QUALITY

Anne Merkle Franciéli Lima de Sá

ABSTRACT

Power quality is one of the most studied topics in electrical engineering in recent years. The search for a growing improvement in energy quality is due to the increase in the use of equipment that is more sensitive to network disturbances, whether caused by the utility grid or the internal network of the final consumer. It also has as priority the improvement in the quality of electric power due to the use of electronic equipment to control industrial processes, where the failure of some component can cause the production line to stop. With this in mind, this paper adresses the main causes of disturbances in the electrical networks, such as identify them and correct.

Keywords: Analyzer. Power Quality.

LISTA DE FIGURAS

SUMÁRIO

• Figura 1 - Forma de onda e espectro harmônico de um inversor de frequência
• Figura 2 - Distorção da forma de onda por harmônicas
• Figura 3 - Interrupção de tensão de curta duração
• Figura 4 – Afundamento de tensão de curta duração
• Figura 5 - Elevação de tensão de curta duração
• Figura 6 – Flutuação de tensão
• Figura 7 – Flutuação de tensão causada por forno de arco
• Figura 8 - Compensador dinâmico baseado em máquina síncrona
• Figura 9– Estabilizador estático
• desligado Figura 10– Gráfico de análise do sistema com o compensador de tensão ligado e
• Figura 11– Distúrbio elétrico transitório impulsivo
• Figura 12- Distúrbio elétrico transitório oscilatório.....................................................
• Figura 13- Perturbação oriunda de energização de capacitores
• Figura 14– Sistema equilibrado
• Figura 15 – Sistema desequilibrado
• Figura 16– Relação entre os graus de desequilíbrio de tensão e de corrente
• Figura 17 – Relação entre perda de vida útil e desequilíbrio de tensões
• Figura 18 – Perfil do valor eficaz da tensão no período de uma semana
• Figura 19 – Perfil do valor eficaz da tensão ao longo de uma semana
• Figura 20 – Analisador de qualidade de energia FLUKE 435 – Série II
• Figura 21 - Analisador de qualidade de energia MINIPA ET-5061C
• Figura 22 - Analisador de qualidade de energia EMBRASUL – RE 8.000
• 1 INTRODUÇÃO
• 1.1 Objetivo geral
• 1.2 Objetivo específico
• 1.3 Justificativa
• 1.4 Aplicações...............................................................................................................................
• 1.5 Metodologia
• 2 INTRODUÇÃO A QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA
• 2.1 O que é qualidade de energia elétrica
• 2.2 Importância da qualidade de energia elétrica
• 2.3 Problemas típicos da qualidade de energia elétrica
• 3 HARMÔNICAS
• 3.1 Definição
• 3.2 Indicadores de qualidade harmônica..................................................................................
• 3.2.1. Distorção harmônica individual............................................................................................
• 3.2.2. Distorção harmônica total
• 3.3 Quais cargas produzem harmônicas na rede
• 3.4 Soluções para harmônicas
• 4 VARIAÇÃO DE TENSÃO DE CURTA DURAÇÃO
• 4.1 Interrupções
• 4.1.1. Interrupção momentânea
• 4.1.2. Interrupção temporária..........................................................................................................
• 4.2 Afundamento de tensão........................................................................................................
• 4.3 Elevação de tensão
• 4.4 Classificação das variações de tensão de curta duração
• 4.5 Solução para a variação de tensão
• 5 FLUTUAÇÃO DE TENSÃO
• 5.1 Definição
• 5.2 Soluções para flutuação de tensão
• 6 TRANSITÓRIO
• 6.1 Transitório impulsivo
• 6.2 Transitório oscilatório
• 6.3 Solução para transitório
• 7 DESEQUILÍBRIO DE TENSÕES
• 7.1 Definições
• 7.2 Causas do desequilíbrio de tensão
• 7.3 Consequências do desequilíbrio de tensão.......................................................................
• 8 TENSÃO EM REGIME PERMANENTE
• 8.1 Regulação de tensão de atendimento................................................................................
• 8.2 Métodos aplicados na regularização de tensão
• 9 FATOR DE POTÊNCIA
• 10 VARIAÇÃO DE FREQUÊNCIA
• 11 RESUMO DOS DISTÚRBIOS RELACIONADOS A QUALIDADE DE ENERGIA
• 12 MEDIDORES DE QUALIDADE DE ENERGIA DISPONÍVEIS NO MERCADO
• 12.1 Analisador da Qualidade da Energia FLUKE 435 Série II
• 12.2 Analisador de qualidade de energia MINIPA ET-5061C
• 12.3 Analisador de qualidade de energia EMBRASUL – RE 8.000
• 12.4 Comparativo entre os modelos escolhidos.........................................................................
• 13 CONCLUSÃO
• REFERÊNCIAS
• ANEXOS

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1.1 Objetivo geral

O objetivo deste trabalho é o estudo dos causadores da baixa qualidade de energia de instalações em baixa, média e alta tensão, como residências, comércios e consumidores industriais.

1.2 Objetivo específico

São objetivos específicos deste trabalho:  Identificar os principais efeitos causadores de uma baixa qualidade de energia;  Detalhar como cada efeito é ocasionado;  Apresentar formas de prevenir que os efeitos causadores de baixa qualidade de energia ocorram;  Comparar analisadores de energia que já estão no mercado.

1.3 Justificativa

A utilização da eletrônica de potência cada dia mais presente nos processos tanto industriais quanto residências, possibilitou a execução de varias tarefas que antes eram inviáveis. Porém, esses sistemas usam chaves comutadoras que por sua vez tem comportamento semelhante ao de cargas não lineares, gerando harmônicos na rede e tornando assim a rede com uma baixa qualidade de energia. Essas perdas por baixa qualidade de energia acarretam em um índice muito grande de desperdício de energia elétrica e um gasto muito elevado. Para ter maior controle dos efeitos de uma pobre qualidade de energia se faz necessário um analisador de qualidade de energia que fará o monitoramento e armazenamento dos dados. Possibilitando dessa forma uma maior visão do problema, o que resulta em um planejamento para o equilíbrio da qualidade de energia mais eficiente e eficaz.

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1.4 Aplicações

O estudo pode ser aplicado para solucionar problemas em instalações elétricas residenciais, comerciais e industriais, de baixa, média e alta tensão.

1.5 Metodologia

A metodologia adotada será uma pesquisa de cunho qualitativo, no qual consiste na revisão bibliográfica sobre a qualidade de energia. As principais perturbações e os modelos de analisador de qualidade de energia disponíveis no mercado também serão apresentados no trabalho de forma comparativa.

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2.2 Importância da qualidade de energia elétrica

Um aspecto muito importante em relação a qualidade de energia é que para uma boa eficiência energia a qualidade da energia fornecida na rede também precisa ser boa. Por exemplo, permitindo que o sistema elétrico tenha um alto conteúdo harmônico isso caracteriza baixa qualidade de energia, o qual provoca perdas através do efeito Joule nos condutores da distribuição de energia, transformadores, entre outros equipamentos. (ROCHA, 2016).

Na busca pelo aumento da eficiência energética foram introduzidos equipamentos eletrônicos, por sua vez estes muitas vezes geram harmônicos no sistema elétrico como é o caso das fontes chaveadas que foram introduzidas no sistema elétrico para fazer a substituição das fontes lineares. (ROCHA, 2016).

O usuário muitas vezes tem grande influência sobre a qualidade de energia do sistema elétrico de distribuição. Pois pode inserir harmônicas de corrente na rede, geradas por equipamentos como conversores de frequência para acionamento de motores, UPS (Uninterruptible Power Supply) também chamado de Nobreak, computadores, entre outros que acabam provocando distorção na onda de tensão, espalhando o problema da baixa qualidade de energia para toda a instalação. (ROCHA, 2016).

É responsabilidade da concessionaria de energia manter a qualidade de energia dentro dos níveis descritos em norma até a medição do consumidor, por sua vez é de responsabilidade do consumidor manter os padrões exigidos por norma dentro de sua instalação.

2.3 Problemas típicos da qualidade de energia elétrica

Saber identificar qual é o tipo de fenômeno que está afetando a qualidade de energia do sistema auxilia na compra do equipamento que resolverá o problema da qualidade de energia da mesma. Desta forma a norma IEEE 1159 – 2009 define

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sem ambiguidade o conceito dos fenômenos que influenciam a qualidade de energia, são eles as harmônicas, as variações de tensão de curta duração, a flutuação de tensão, os transitórios, os desequilíbrios de tensão, a tensão em regime permanente, o fator de potencia e a variação de tensão.

Nos próximos capítulos será abordado cada um destes fenômenos procurando esclarecer a abrangência dos mesmos que caracterizam a qualidade da energia elétrica de uma instalação.

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Figura 1 - Forma de onda e espectro harmônico de um inversor de frequência

Fonte: IEEE 1159, 2009

Embora os níveis de distorção atuais possam ser caracterizados pelo total de distorção harmônica (THD) como descrito acima, isso geralmente pode ser enganador. Por exemplo, muitos inversores de frequência exibirão valores total de distorção harmônica (THD) altos para a corrente de entrada quando operando com cargas muito leves. Isto não é uma preocupação significativa porque a magnitude total de harmônicas a corrente é baixa, apesar de a distorção relativa ser alta. (IEEE 1159, 2009).

Para caracterizar as correntes harmônicas de maneira significativa, o padrão IEEE 519-2014 define outro termo, a distorção total de demanda (TDD). Este termo é o mesmo que o total de distorção harmônica (THD), exceto que a distorção é expressa como uma porcentagem da corrente de carga atual selecionada, como a demanda de pico, em vez de um percentual do valor de RMS magnitude de corrente fundamental.

Os harmônicos múltiplos da frequência fundamental são denominados harmônicos impares e prevalecem sobre os harmônicos pares. Sendo a frequência de 60 Hz esses harmônicos são os de terceira ordem (180Hz), quinta ordem (300Hz), sétima ordem (420Hz) e assim sucessivamente. Os harmônicos impares

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causam problemas principalmente em equipamentos e maquinários que funcionam através de uma onda senoidal. Como é o caso dos motores elétricos, onde o seu desempenho é afetado caso na rede transite os mesmos. Eles podem provocar até a degradação da estrutura do motor, pois este foi projetado para funcionar através de uma onda de tensão senoidal pura. (ALDABÓ, 2001).

A norma IEEE 519 - 2014 a qual foi criada com o intuito de fazer o controle de harmônicos em sistemas elétricos limita em 25% o limite para harmônicos pares e para evitar o surgimento de tensão contínua proíbe o uso de conversores meia- onda.

A figura 2 mostra a forma de onda contendo conteúdo harmônico.

Figura 2 - Distorção da forma de onda por harmônicas

Fonte: KERN, 2008.