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9 de agosto de 2015
3 de novembro de 2014
NOTCHING
No artigo anterior, tratamos dos cálculos para os
desequilíbrios de tensão em diversas normas. Neste artigo, vamos falar de um
distúrbio que não é muito falado, mas que pode afetar a instalação elétrica e o
funcionamento de equipamentos, principalmente se eles usam como princípio as
passagens por zero, ou como conhecido “cortes de tensão” ou ainda “zero
crossing”.
De acordo com a norma IEEE 1159-2009, o corte de
tensão (notching) é um fenômeno de qualidade da energia elétrica caracterizado
por ser uma distorção da forma de onda (podendo a tensão, neste corte,
oscilar), com polaridade oposta à da mesma e duração inferior a meio ciclo.
Estes cortes aparecem sempre de forma periódica. O fenômeno pode ser visto na
imagem abaixo:
Sua caracterização pode ser pela sua amplitude
relativa ou altura relativa (Notch depth) que é a razão entre o valor médio da
profundidade e a magnitude da onda de tensão no momento do corte. Outra forma
de caracterizar é pela área (notch area).
Os notchings, normalmente aparecem em instalações onde
há conversores com alta distorção harmônica, e com fontes de baixa potência de
curto circuito. Esta relação é o ambiente ideal para o surgimento destes cortes
de tensão.
Os notchings são gerados a partir da comutação de
pontes retificadoras entre os ciclos e pode ser interpretada como
curtos-circuitos instantâneos entre as fases, por este motivo a importância da
potência de curto-circuito da fonte. Por ocorrerem nas comutações e estas
comutações ocorrerem periodicamente, como é o caso de um conversor de 6 pulsos,
que ocorrem a cada 60 graus, os notchings são considerados fenômenos
periódicos.
Para se identificar os cortes de tensão, é necessário
que o instrumento tenha leitura de, no mínimo, 512 amostras por ciclo.
Como conceito, este distúrbio pode causar problemas de
funcionamento de circuitos e deve ser considerado nas análises. Como já
dissemos anteriormente, mas vale ressaltar, os distúrbios devem ser sempre
estudados de forma correlata e neste caso não é diferente em relação às
harmônicas, por exemplo.
5 de outubro de 2014
COMO SE CALCULA O DESEQUILÍBRIO DE TENSÃO.
Oficialmente devemos calcular usando as fórmulas do PRODIST.
No artigo anterior tratamos do desequilíbrio de tensão
com relação aos parâmetros do Prodist, com o conceito e a forma de cálculo para
este requisito, definido no Prodist e que pode ser visto novamente na figura 1
abaixo. Entretanto, há algumas outras formulas que permitem calcular o índice
de desequilíbrio de tensão e que são apresentadas abaixo:
Cálculo de desequilíbrio de tensão pelo Prodist.
A NEMA – National Electrical Manufactorer Association
– A Associação dos fabricantes de equipamentos e produtos elétricos, define o
desequilíbrio como sendo a relação entre a variação de tensão dividido pelo
valor médio.
Já o IEEE – Instituto de Engenheiros Eletricistas e
Eletrônicos define o cálculo de forma diferente.
Abaixo podemos ver um resumo das principais formulas
de cálculo do desequilíbrio de tensão.
Entretanto vale lembrar que os valores devem ser
medidos pela fórmula do Prodist para efeito de cumprimento de legislação.
No próximo artigo vamos falar de um conceito pouco
tratado, mas que pode afetar os equipamentos, o Notching. Então até lá!
4 de outubro de 2014
O DESEQUILÍBRIO DE TENSÃO E O PRODIST
Os limites para um desequilíbrio de tensão aceitos pelo PRODIST.
No artigo anterior tratamos da Variação de Tensão de
Curta Duração com relação ao Prodist – Procedimento de Distribuição da ANEEL.
Neste artigo o assunto será o desequilíbrio de tensão ainda com base no Prodist.
Mas antes vamos discorrer um pouco sobre o conceito de desequilíbrio de tensão.
O desequilíbrio de tensão em um sistema elétrico
trifásico é uma condição na qual as fases apresentam tensão com módulos
diferentes entre si, ou defasagem angular entre as fases diferentes de 120°
elétricos ou, ainda, as duas condições simultaneamente. Sabe-se que a presença
de cargas trifásicas desequilibradas conectadas a um sistema trifásico causa um
desequilíbrio de tensão, uma vez que as correntes absorvidas nas três fases não
são simétricas, isto é, não são iguais em módulo nem tão pouco defasadas de
120°. Normalmente, em sistemas de alta tensão não existem grandes
desequilíbrios, exceto quando alimentam instalações com cargas monofásicas de
grande porte, tais como trens com tração elétrica ou fornos elétricos
monofásicos.
Abaixo uma representação gráfica de tensões
desequilibradas:
Pelo Prodist – módulo 8 - a definição de desequilibro de tensão é o
fenômeno associado a alterações dos padrões trifásicos do sistema de
distribuição.
Estes desequilíbrios causam aquecimento em
equipamentos como motores e transformadores causando assim a redução de suas
vidas úteis. Também são responsáveis por desperdício de energia, devido a perda
Joule. Durante um webminar com o Professor José Carlos de Oliveira da
Universidade Federal de Uberlândia, foi apresentado o seguinte gráfico abaixo:
Efeito do desequilibro de tensão na corrente e na
temperatura de um motor de indução trifásico.
Observa-se que um desequilíbrio de 5% pode elevar a
temperatura em mais de 20 graus. Considerando que a cada 10 graus de aumento de
temperatura um motor perde 50% de sua vida útil, teremos que esta condição
reduziria a vida útil deste equipamento a uma porcentagem muito pequena (cerca
de 20%).
Para o cálculo do desequilíbrio, o Prodist define como
sendo:
Onde:
O Prodist define ainda como sendo o valor de
referência máximo para efeito de planejamento elétrico para qualidade de
energia elétrica o valor máximo de 2% de desequilíbrio, em média e alta tensão
(item 5.6.1)
Como podemos ver, o desequilíbrio de tensão é um fator
de perda de energia e de vida útil, além de causar graves problemas no
funcionamento de equipamentos.
PRODIST E O VTCD
Variação de tensão de curta duração vista pelo PRODIST.
No artigo anterior falamos sobre a seção 4 do módulo 8
do PRODIST –Procedimento de Distribuição da ANEEL, que visa regulamentar a
qualidade da energia elétrica nas redes de transmissão e distribuição da
energia elétrica. Neste artigo conheceremos os parâmetros descritos na seção 7
que versa sobre variação de tensão de curta duração ou simplesmente VTCD.
Como já vimos em artigos anteriores, a variação de
tensão de curta duração pode ser classificada em momentânea e temporária
e tem sua classificação em função da duração e da variação da amplitude em
relação ao valor eficaz, como pode ser visto na tabela abaixo:
Pelo Prodist VTCD são desvios significativos no valor
eficaz da tensão em curtos intervalos de tempo e são classificados conforme a
tabela acima.
Para a identificação, o Prodist determina a
metodologia de medição tratado no item 7.4 como podemos ver abaixo:
7.4 Metodologia de medição.
7.4.1 Além dos parâmetros duração e
amplitude já definidos, a severidade da VTCD, medida entre fase e neutro, de
determinado barramento do sistema de distribuição é também caracterizada pela
frequência de ocorrência. Esta corresponde à quantidade de vezes que cada
combinação dos parâmetros duração e amplitude ocorrem em determinado período de
tempo ao longo do qual o barramento tenha sido monitorado.
7.4.2 O indicador a ser utilizado para
conhecimento do desempenho de um determinado barramento do sistema de
distribuição com relação às VTCD corresponde ao número de eventos grupados por
faixas de amplitude e de duração, discretizados conforme critério estabelecido
a partir de levantamento de medições.
7.4.3 Num determinado ponto de
monitoração, uma VTCD é caracterizada a partir da agregação dos parâmetros
amplitude e duração de cada evento fase-neutro. Assim sendo, eventos
fase-neutro simultâneos são primeiramente agregados compondo um mesmo evento no
ponto de monitoração (agregação de fases).
7.4.4 Os eventos consecutivos, em um
período de três minutos, no mesmo ponto, são agregados compondo um único evento
(agregação temporal).
7.4.5 O afundamento ou a elevação de
tensão que representa o intervalo de três minutos é o de menor ou de maior
amplitude da tensão, respectivamente.
7.4.6 A agregação de fases deve ser
feita pelo critério de união das fases, ou seja, a duração do evento é definida
como o intervalo de tempo decorrido entre o instante em que o primeiro dos
eventos fase-neutro transpõe determinado limite e o instante em que o último
dos eventos fase-neutro retorna para determinado limite.
7.4.7 As seguintes formas alternativas
de agregação de fases podem ser utilizadas:
a) agregação por parâmetros críticos - a
duração do evento é definida como a máxima duração entre os três eventos
fase-neutro e o valor de magnitude que mais se distanciou da tensão de
referência;
b) agregação pela fase crítica - a
duração do evento é definida como a duração do evento fase-neutro de amplitude
crítica, ou seja, amplitude mínima para afundamento e máxima para elevação.
7.4.8 Afundamentos e elevações de tensão
devem ser tratados separadamente.
7.5 Instrumentação.
7.5.1 Os instrumentos de medição devem
observar o atendimento aos protocolos de medição e às normas técnicas vigentes.
7.6 Valores de referência.
7.6.1 Não são atribuídos padrões de
desempenho a estes fenômenos.
7.6.2 As distribuidoras devem acompanhar
e disponibilizar, em bases anuais, o desempenho das barras de distribuição
monitoradas. Tais informações poderão servir como referência de desempenho das
barras de unidades consumidoras atendidas pelo SDAT e SDMT com cargas sensíveis
a variações de tensão de curta duração.
Como podemos ver, o Prodist define o protocolo de medição e remete os
instrumentos ás normas técnicas. Também estipula que as distribuidoras
acompanhem as medições para serir como referencia de desempenho.
No próximo artigo vamos continuar explorando o
PRODIST, falaremos da seção 5 Desequilíbrio de tensão. Então até lá!
PRODIST E AS HARMÔNICAS
PRODIST - O Procedimento de distribuição de energia elétrica.
No artigo anterior falamos sobre a diferença entre os
valores RMS e RMS verdadeiro e suas variações em função da forma de onda.
Neste artigo, falaremos sobre um documento chamado
Prodist, que vem da junção de parte das palavras Procedimento de Distribuição. De
forma completa, o Prodist é: Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema
Elétrico Nacional. Este procedimento - PRODIST são documentos elaborados pela
ANEEL e normatizam e padronizam as atividades técnicas relacionadas ao
funcionamento e desempenho dos sistemas de distribuição de energia
elétrica.
O PRODIST contém nove Módulos como mostrado abaixo:
O PRODIST contém nove Módulos como mostrado abaixo:
Destes nove módulos, o oitavo módulo diz respeito à
qualidade da energia elétrica. O módulo 8 contém prescrições para diversos
distúrbios, como descrito abaixo:
·
Tensão em regime
permanente,
·
Fator de potência,
·
Harmônicos,
·
Desequilíbrio de
tensão,
·
Flutuação de
tensão,
·
Variação de tensão
de curta duração e
·
Variação de
frequência.
No item 4 temos os harmônicos, que envolvem as
correntes e a tensão, porém o Prodist só trata das tensões distorcidas, as
harmônicas. Vejamos então o que diz o Prodist neste quesito:
Definição: As distorções harmônicas são fenômenos
associados com deformações nas formas de onda das tensões e correntes em
relação à onda senoidal da frequência fundamental.
Terminologia:
A tabela acima define as terminologias adotadas no
Brasil para as harmônicas. Como as harmônicas foram estudadas por anos, com
base em documentos da IEC e do IEEE, é comum, conhecer DTT, por THD – Total
Harmonic Distortion, por exemplo.
A metodologia de medição é apresentada abaixo e diz
respeito à distorção harmônica individual e total:
Ainda no item 4.4 e 4.5 se definem alguns parâmetros
da metodologia de medição e de instrumentação, para que seja garantida a
unicidade das medições.
4.4.1 Os sinais a serem monitorados devem utilizar
sistemas de medição cujas informações coletadas possam ser processadas por meio
de recurso computacional.
4.4.2 A capacidade de armazenamento dos sistemas de
medição deve atender os requisitos de banco de dados do protocolo de medição a
ser definido pela ANEEL.
4.4.3 Para os sistemas elétricos trifásicos, as
medições de distorção harmônica devem ser feitas através das tensões
fase-neutro para sistemas estrela aterrada e fase-fase para as demais
configurações.
4.5 Instrumentação.
4.5.1 Os instrumentos de medição devem observar o
atendimento aos protocolos de medição e às normas técnicas vigentes.
4.5.2 O espectro harmônico a ser considerado para fins
do cálculo da distorção total deve compreender uma faixa de frequências que
considere desde a componente fundamental até, no mínimo, a 25ª ordem harmônica
(hmin = 25).
4.5.3 Os TPs utilizados em um sistema trifásico devem
ter as mesmas especificações e suas cargas devem corresponder a impedâncias
semelhantes, e serem conectadas em Y – Y aterrado, independentemente do tipo ou
classe de tensão. Para os casos sem conexão à terra podem ser utilizados
arranjos para os TPs do tipo V.
O item 4.6 traz os valores de referência para as
distorções harmônicas de tensão como pode ser visto abaixo:
4.6.1 Os valores de referência para as distorções
harmônicas totais estão indicados na Tabela 3 a seguir. Estes valores servem
para referência do planejamento elétrico em termos de QEE e que,
regulatoriamente, serão estabelecidos em resolução específica, após período
experimental de coleta de dados.
4.6.2 Devem ser obedecidos também os valores das
distorções harmônicas individuais indicados na Tabela 4 a seguir.
Podemos observar que o Prodist traz vários parâmetros
sobre as harmônicas, e se aplicam às redes de distribuição de energia, mas
sempre digo que este documento poderá ser usado para uma futura tarifação dos
consumidores, já que o Prodist se refere a produtores, distribuidores e
consumidores. Fique atento.
RMS X RMS VERDADEIRO
True RMS é necessário.
No artigo anterior, falamos da potência de distorção
harmônica, ou seja, a potência que é gerada pelas harmônicas – consumida - mas
não realiza trabalho.
Neste artigo, falaremos sobre um assunto importante, a
diferença entre a medida RMS e a TRUE-RMS ou RMS Verdadeiro. Primeiramente,
vamos definir o que é RMS, que vem do inglês – Root Mean Square ou valor quadrado médio, que em algumas condições
significa o valor eficaz. Veja definição
abaixo:
Em Matemática, o valor quadrático médio ou RMS ou valor
eficaz é uma medida
estatística da magnitude de uma quantidade variável. Pode-se
calcular para uma série de valores discretos ou para uma função variável contínua. O nome deriva do fato
de que é a raiz quadrada da média aritmética dos quadrados dos valores. É
um caso especial da potência média com o expoente p = 2.
Como podemos ver, o valor RMS é obtido para uma função
variável contínua como, por exemplo, uma senoide. Entretanto, quando alteramos
a forma de onda de senoidal para uma função variável não contínua, o cálculo
deve mudar.
Na presença de harmônica, como já vimos, a forma de
onda é alterada e, portanto, o valor original RMS deixa de ser verdadeiro, pois
foi baseado na senoide. É aí que entra o RMS verdadeiro, que vai avaliar a
forma de onda do momento e então criar a função para calcular o valor.
Instrumentos de medição convencionais, ou somente RMS,
usam o fator de correção de 1.11 para os valores senoidais retificados em onda
completa, como mostra o desenho abaixo:
Instrumento RMS medindo
corretamente – sinal senoidal
Na presença de harmônicas, a senoide deixa de existir
e, portanto, o valor passa a ser errado, como indicado abaixo:
Instrumento RMS medindo
de forma errada – Sinal não senoidal
A solução é usar equipamentos com a característica RMS
Verdadeiro, que usa um sistema comparador para identificar o valor real e então
apresentá-lo.
Veja abaixo a representação gráfica do que falamos:
Instrumento RMS
Verdadeiro
Com as representações acima, conseguimos ver que um
equipamento RMS, pode apresentar medidas erradas em situações em que o sinal é
distorcido. Uma destas situações é com relação à distorção harmônica. Portanto,
na presença de harmônicas é necessário usar equipamentos RMS Verdadeiro, ou
TRUE RMS como é conhecido no mercado.
No próximo artigo vamos falar dos procedimentos
de distribuição PRODIST com relação às harmônicas. Então
até lá.27 de março de 2014
POTÊNCIA DA DISTORÇÃO HARMÔNICA
Consome energia mas não realiza trabalho.
No artigo anterior falamos dos estes efeitos harmônicos e mostramos algumas causas nas instalações elétricas. Neste artigo, continuaremos falando destes efeitos. Vamos saber sobre a potência da distorção harmônica.
É isto mesmo, a alteração da forma de onda por meios
de senoide com frequências e amplitudes diferentes possuem suas potências
características que, por sua vez, afetam o consumo de energia elétrica.
Portanto, se fizermos uma avaliação comparativa em nível macro, podemos dizer
que ao eliminarmos ou minimizarmos os efeitos das harmônicas em uma instalação
podemos reduzir o consumo de energia elétrica, já que a energia é a potência X
tempo.
Outro ponto que podemos destacar como parâmetro que se
altera pela distorção harmônica é o fator de potência que, no conceito de
senoide, é dado pela relação entre potência aparente e potência ativa, sendo
comparada ao cosseno Fi (cos Φ), mas na presença de harmônicas este valor deve
sofrer uma correção em função dos índices de harmônicas, como pode ser visto na
fórmula abaixo:
FP – Fator de Potência
cos Φ – Cosseno do ângulo formando entre Potência
aparente e Potência ativa
THDi – Distorção harmônica Total de corrente
Podemos verificar que o fator de potência ganha um elemento
de correção em relação ao ângulo das potências que tem como base a distorção
harmônica total de corrente. Como
podemos ver no gráfico abaixo:
Veja que a potência total em KVA passa a ser:
Ou seja, a potência total levará em conta a potência
da distorção harmônica e, com isto, o consumo de energia aumenta, pois o
transformador deverá fornecer esta potência de distorção, porém esta não
realizará trabalho sendo desperdiçado.
É importante salientar que devemos estudar os
distúrbios de forma integrada para que todos os parâmetros possam ser
avaliados. Se tomarmos como base somente o que apresentamos neste artigo,
veremos que a redução da potência reativa pode depender também da redução da
potência de distorção, com pena de ao reduzir a potência reativa o fator de potência
continuar baixo.
Podemos concluir então que um circuito com a presença
de harmônicas altera parâmetros como o fator de potência, além dos já vistos
anteriormente.
No próximo artigo vamos falar de como identificar e os
equipamentos que medem RMS Verdadeiro, até lá.
HARMÔNICA - EXEMPLOS
As somatória de varias senoides deformam a senoide fundamental.
No artigo anterior fizemos uma conceituação básica sobre as harmônicas, citando inclusive a série de Fourier. Neste artigo, vamos falar um pouco do que estes efeitos harmônicos causam nas instalações elétricas.
Primeiramente, vamos lembrar que as distorções
harmônicas ocorrem devido, principalmente, a existência de componentes não
lineares na rede elétrica. Estes dispositivos distorcem as correntes. Estas
distorções dependem da frequência e da amplitude para afetar o sinal original,
chamado de frequência fundamental, de uma forma ou de outra.
Vejamos abaixo o efeito causado por uma frequência de
terceira ordem (180 Hz) em um sinal senoidal fundamental (60Hz).
Veja agora o efeito de uma harmônica de quinta ordem (300Hz)
neste mesmo sinal senoidal (60Hz).
Podemos observar duas coisas. A primeira, diz respeito
às formas diferentes que os sinais de 180 e 300 Hz afetam o sinal senoidal. A
segunda, apresenta o reflexo na tensão de alimentação do barramento, de forma
diferente para cada harmônica. Esta distorção, como citado no artigo anterior,
afetará também o funcionamento de outros circuitos, podendo, criar problemas
nas instalações em geral. Em um circuito com vários dispositivos não lineares,
como é comum no dia a dia, há várias distorções compostas, afetando o circuito
elétrico. Sem contar que estes circuitos, são dinâmicos, e, portanto, mudam de
características a todo o momento, sendo muito difícil estabelecer um padrão.
Outro problema que surge com o aparecimento das
distorções harmônicas é com relação às grandezas características do sinal
senoidal que passam a ser alteradas, ou seja, o valor eficaz calculado de uma
forma para um sinal senoidal, não obterá o mesmo resultado para um sinal não senoidal. O mesmo acontece com os
valores de pico, fatores de crista, valores médios e também com o fator de
potência, que tradicionalmente, quando considerado uma senóide, é calculado
pela relação entre potência aparente e potência ativa, considerando o valor do
coseno formado entre o ângulo destas potências. Porém, com a presença das
distorções harmônicas este valor não será o correto.
Haverá outra potência neste circuito
a ser considerada, a potência de distorção harmônica. Mas este é um assunto
paro a próximo artigo.
Então até lá.
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