Qualidade da Energia e Fator de Potência -...
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UFPR – Departamento de Engenharia Elétrica
Qualidade da Energia e Fator de Potência
Ewaldo Luiz de Mattos Mehl
Universidade Federal do Paraná
Departamento de Engenharia Elétrica
Centro Politécnico, Curitiba, Paraná
E-mail: [email protected]
Vista noturna da Terra a partir de imagens de satélite
UFPR – Departamento de Engenharia Elétrica
Qualidade da Energia
• Situação até 1970:Cargas Resistivas ou Resistivas-Indutivas
• Situação AtualPresença crescente de cargas eletrônicas
Qualidade da Energia
Presença crescente de cargas eletrônicas
Qualidade da Energia
• para a ANEEL, Qualidade do Serviço é Continuidade de Fornecimento
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: Interrupções
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
Duração de
Interrupção por
Unidade
Consumidora
(horas)
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: Interrupções
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
Freqüência de
Interrupção por
Unidade
Consumidora
(número)
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: DEC & FEC
Fonte: ANEEL
Fonte: ANEEL, 2004
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: DEC & FEC
Fonte: ANEEL
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: DEC & FEC
Fonte: ANEEL
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: DEC & FEC
Fonte: ANEEL
Qualidade da Energia
• Índices de Qualidade: DEC & FEC
Fonte: ANEEL
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
• Cerca de 10.000 unidades estão instaladas nos estados de Rio Grande doSul, Santa Catarina, São Paulo, Rio de Janeiro, Mato Grosso, Pernambuco,Pará e Espírito Santo.
Qualidade da Energia
NÃO É SÓ
GARANTIR A
AUSÊNCIA DE
INTERRUPÇÕES
Qualidade da Energia
• Continuidade de Fornecimento
• Nível de Tensão
• Oscilação da TensãoImpulsosTransitóriosDesequilíbrio de FasesDistorção da Oscilação Senoidal
Qualidade da Energia
• Cintilação ou Flicker
Curva deSensibilidade
do Olho Humano
Variação deTensão de umForno 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
> 2s Sobretensão ou Overvoltage
< 2s Voltage Swell
s / ms Surtos ou Spikes
Qualidade da Energia
• Afundamento (redução) de Tensão
> 2s Subtensão ou Undervoltage
< 2s Voltage Sag
Qualidade da Energia
• Interferência Eletromagnética- EMI-EMC– Irradiada: EMI– Conduzida: EMC
Qualidade da Energia
• Harmônicos e Interharmônicos
Fator de potência
• Fator de Potência – Enfoque clássico• Cargas Lineares: resistores, motores e capacitores
cosfp
cosfp
rmsrms
rmsrms
IV
IV
S
P
tIti sen)(
tVtv sen)(
2
IIrms
2
VVrms
Correção do Fator de Potência – Enfoque clássico• Cargas geralmente indutivas:
motores + reatores + fiação
• Solução: instalação de capacitores
XC = reatância capacitiva
XL = reatância indutiva
• Conforme Portaria 1569 do DNAEE
(23 de dezembro de 1993): cos ≥ 0,92
Q [kVAr]
P [kW]
Potência:
- Ativa [ W ] P = V . I . cos
- Reativa [ VAr ] Q = V . I . sen
- Aparente [ VA ] S = V . I
IV
kWP
S
P
3
1000)( cos
Fator de potência
Correção do Fator de Potência – Enfoque clássicoExemplo: Calcular o valor do capacitor à ser colocado em paralelo com
um motor com L = 160 mH e R = 60 , para corrigir o fator de potência.
Potência ativa: P = I2R = 119.365 W
Potência reativa: Q = I2XL = 119.998 Var
Potência aparente: S = I2Z = 169.256 VA
Motor
152,45
705,0arccos
705,0169256
119365
Aparente Potência
Ativa Potênciapotência deFator
S
Pfp
Como o fp é < 0,92, é necessário corrigir!
Fator de potência
Resolvendo para X
Resolvendo para C
Motor
Valor adotado: 22µF
A corrente drenada da fonte diminuiu de 1,41 A para 0,994 A
Fator de potência
Medição do Fator de Potência – Enfoque clássico
Leitura do Wattímetro: P [W]Leitura do Voltímetro: E [V]Leitura do Amperímetro: I [A]
S = E . I IE
Pfp
S
Pfp
Aparente Potência
Ativa Potênciapotência deFator
W
V
A
Fator de potência
Medição do Fator de Potência – Enfoque clássico
Leitura do Wattímetro: P [W]Leitura do Voltímetro: E [V]Leitura do Amperímetro: I [A]
Potência Aparente: S = E . I
22 PSQ
IE
Pfp
S
P
Q
CL XXfp
Q
EX
X
EQ
1
2
2
C
C
XfC
CfX
2
1
2
1
Fator de potência
2
1
1)1(
)(1
)cos(fp
cosfp
TDH
IV
IV
S
P
rmsrms
rmsrms
Fator de Potência – Enfoque atual• Cargas Não-Lineares: retificadores, fontes de alimentação,
equipamentos eletrônicos, lâmpadas fluorescente compactas, reatores eletrônicos, soft-start para partidas de motores.
Fator de potência
2
1
)(1
)cos(fp
TDH
Medição do Fator de Potência – Enfoque atual• Cargas Não-Lineares
Fator de potência
Guide Recomended Practice Standard
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
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 8,0
50 a 100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0
100-1000 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
Normas e Regulamentações
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)
Normas e Regulamentações
•IEC (International Electrotechnical Commission):
IEC 61000-3
Ordem da Harmônica
(n)
Valor Limite da
Corrente Relativa [mA/W]
Valor Limite da
Corrente Absoluta [A]
2 1,0 0,30
3 3,6 1,08
4 0,5 0,15
5 2,0 0,60
7 1,5 0,45
9 1,0 0,30
11 n 390 ,6
1 1
n0 ,1 8
1 1
n
- Valores-limites
para 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
Normas e Regulamentações
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
C
ARG
A
•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
C
A
R
G
A
CONVERSOR
CC-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
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
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 de3a 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 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 Filtro Indutivo
Lt
Rede 3
va
vb
vcid=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
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
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
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
Escalas: Tensão = 50 V/div; Corrente = 10 A/div; Tempo = 5ms/div
Tensão Fase-Neutro Corrente de EntradaVo = 291.5 V
Po = 7.35 kW
• 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)
Resultados Experimentais
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 com elevado FP: Existem
e dão bons resultados