qqgualidade de energia · 2007. 8. 22. · - rectificador com ponte de graetz; ... devido à...

Qualidade de EnergiaQualidade de EnergiaQ gQ g

O Impacto dos Problemas de Qualidade de Energia em O Impacto dos Problemas de Qualidade de Energia em Instalações EléctricasInstalações Eléctricas

-- O Caso Particular das O Caso Particular das Perturbações HarmónicasPerturbações Harmónicas

M d E h iM d E h iPaulo J. F. CorreiaPaulo J. F. Correia

Mestrado em Engenharia Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresElectrotécnica e de Computadores

Q lid d d E i Elé t i (QEE)?Q lid d d E i Elé t i (QEE)?Qualidade da Energia Eléctrica (QEE)?Qualidade da Energia Eléctrica (QEE)?

Continuidade de serviço Continuidade de serviço –– Fornecimento sem interrupções;Fornecimento sem interrupções;çç pç ;pç ;

Qualidade da onda de tensão;Qualidade da onda de tensão;QEE

Qualidade comercialQualidade comercial Satisfação do cliente com asSatisfação do cliente com as

QEE

Qualidade comercial Qualidade comercial –– Satisfação do cliente com as Satisfação do cliente com as condições comerciais do fornecimento de EE.condições comerciais do fornecimento de EE.

QEEQEE –– Porquê dar tanta importância?Porquê dar tanta importância?QEE QEE Porquê dar tanta importância?Porquê dar tanta importância?

Grande concorrência a nível mundial;Grande concorrência a nível mundial;Grande sensibilidade dos equipamentos;Grande sensibilidade dos equipamentos;Margens de lucro marginais em alguns sectores deMargens de lucro marginais em alguns sectores deMargens de lucro marginais em alguns sectores de Margens de lucro marginais em alguns sectores de actividade;actividade;G d lif ã d ã liG d lif ã d ã liGrande proliferação de cargas não lineares nos Grande proliferação de cargas não lineares nos últimos anos.últimos anos.

QEE …QEE …

É um factor crucial para a competitividade das É um factor crucial para a competitividade das i d íi d íeconomias dos países.economias dos países.

QEEQEE –– Tipo de Perturbações EléctricasTipo de Perturbações EléctricasQEE QEE –– Tipo de Perturbações EléctricasTipo de Perturbações Eléctricas

Desequilíbrios de tensão ou corrente em Desequilíbrios de tensão ou corrente em sistemas trifásicos;sistemas trifásicos;

Perturbações na forma de onda do sinalPerturbações na forma de onda do sinalPerturbações na forma de onda do sinal Perturbações na forma de onda do sinal

Perturbações na frequência do sinal;Perturbações na frequência do sinal;Perturbações na frequência do sinal; Perturbações na frequência do sinal;

Perturbações na Perturbações na amplitude da tensão; amplitude da tensão;

QEEQEE –– Tipo de Perturbações EléctricasTipo de Perturbações Eléctricas

PPERTURBAÇÕES NAS FORMAS DE ONDAS

Devido á crescente utilização de equipamentos electrónicosç q palimentados pela rede eléctrica, tais como:

•Computadores;•Balastros electrónicos para lâmpadas de descarga;•Variadores electrónicos de velocidade;•…

Embora estes simplifiquem a execução de tarefas, ed i id d ii d fd f faumentem a produtividade, criamcriam deformaçõesdeformações nas formas

de onda da tensão e da corrente (harmónicas).

QEEQEE –– Perturbações HarmónicasPerturbações Harmónicas

Uma harmónica de tensão ou corrente não é mais que umUma harmónica de tensão ou corrente, não é mais que umsinal sinusoidal, cuja frequência é múltipla inteira dafrequência fundamental do sinal principal.frequência fundamental do sinal principal.

Fundamental(50 Hz)

3º harmónico(150 H )

+

(150 Hz)

Forma de Ondadistorcidadistorcida


OORDEM, FREQUÊNCIA E SEQUÊNCIA DAS HARMÓNICASRDEM, FREQUÊNCIA E SEQUÊNCIA DAS HARMÓNICAS

NomeNome F d 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º 9º(Ordem) Fund 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º 9º

F (H )F (H ) 50 100 150 200 250 300 350 400 450Freq. (Hz)Freq. (Hz) 50 100 150 200 250 300 350 400 450

SequênciaSequência + - 0 + - 0 + - 0

p7

Diapositivo 7

p7 As harmónicas de ordem impar são frequentes nas instalações eléctricas em geral e as de ordem par existem nos casos de haver assimetrias do sinal devido à presença da componente contínua.paulocorreia; 24-12-2006


SSEQUÊNCIA EQUÊNCIA -- EFEITO DAS HARMÓNICASEFEITO DAS HARMÓNICAS

Sequência Efeitos

PositivaPositiva SobreaquecimentosPositivaPositiva Sobreaquecimentos

NegativaNegativa Sobreaquecimentos e menor rendimento

NulaNula Somam-se no condutor de neutro


ESPECTRO HARMÓNICO

O “espectro harmónico” não é mais que a decomposição deum sinal nas suas componentes harmónicas e a suarepresentação na forma de um gráfico de barras, no

fdomínio da frequência.


TAXA DE DISTORÇÃO HARMÓNICA

A THD é definida em consequência da necessidade de sedeterminar numericamente as harmónicas presentes numdado ponto da instalação.


FACTOR DE POTÊNCIA E COSφ

Relação entre a potência activa e a potência aparenteconsumidas por um ou mais dispositivos/equipamentos deuma instalação eléctrica, independentemente das formasque as ondas de tensão e corrente apresentem.

Relação entre a potência activa e a potência aparentedefinido para cada uma das componentes harmónicas:


FACTOR DE POTÊNCIA E COSφ

• Sem a presença de harmónicas (Sinais sinusoidais semdeformação)deformação):

Factor de potência = cosφFactor de potência = cosφ

• Na presença de harmónicas quanto maior a diferençaentre o Factor de potência e o cosφ, maior será adistorção harmónica da instalação.


TIPO DE CARGAS

•• CargasCargas lineareslineares;;

•

•

Resistências, indutâncias, condensadores, motores, ondeResistências, indutâncias, condensadores, motores, ondeas suas formas de onda de tensão e corrente são sempresinusoidais (não deformadas), quando alimentadas por um( ), q psinal também ele sinusoidal.


TIPO DE CARGAS

•• CargasCargas nãonão lineareslineares;;

•

A electrónica de potência está nos dias de hoje integradat d i t d é ti i d t i iem quase todos os equipamentos domésticos e industriais.

O di iti d l t ó i d tê i tê d i dOs dispositivos de electrónica de potência têm dois modosde funcionamento:

Condução- Condução- Bloqueio


TIPO DE CARGAS

• CargasCargas nãonão lineareslineares (continuação);

A passagem de um estado para o outro é muito rápida eA passagem de um estado para o outro é muito rápida, eem qualquer instante do sinal.

- Produzem uma corrente não sinusoidal, quando atensão que os alimenta é sinusoidal.tensão que os alimenta é sinusoidal.

- Conduz a quedas de tensão com andamentoqigualmente não sinusoidal, que quando sobrepostasadequadamente com a tensão da rede a tornam tambémqnão sinusoidal.


TIPO DE CARGAS

• Cargas não linearesCargas não lineares (continuação);

- Rectificador com ponte de Graetz;

•


TIPO DE CARGAS


- Computador;

•


TIPO DE CARGAS


- VEV (Variador Electrónico de Velocidade);

•


EFEITOS E CONSEQUÊNCIAS DAS HARMÓNICAS

A poluição harmónica provoca efeitos indesejáveis quer aonível das redes de distribuição de energia eléctrica, querç g qao nível do funcionamento de instalações e equipamentosa ela ligados.

1. AQUECIMENTOS EXCESSIVOS

# Sobre# Sobre--aquecimento dos Condutores de Neutroaquecimento dos Condutores de Neutro



Na presença de harmónicas homopolares (3ª ordem esuas múltiplas), a corrente que passa no condutor neutro,mediante certas condições (em fase nas três fases R,S,T),poderá ser muito elevada.

p1

Diapositivo 20

p1 Em sistemas TN o problema pode levar à circulação em regime permanente de correntes elevadas nos condutores de protecção, destruindo as equipotencialidades e provocando aquecimentos não esperadospaulocorreia; 24-12-2006



À medida que a frequência do sinal de corrente aumenta,devido às harmónicas, ela tende a circular pela periferia dode do às a ó cas, e a e de a c cu a pe a pe e a docondutor.

Aumento da sua resistência eléctrica;Aumento das perdas por efeito Joule.

# Sobre# Sobre--aquecimentos nos condutores por correntes de altaaquecimentos nos condutores por correntes de alta--frequênciafrequência



Devido às alta-frequências e às correntes parasitas vãosurgir nos transformadores e motores sobreaquecimentossurgir nos transformadores e motores sobreaquecimentosnos enrolamentos e no núcleo.

# Sobre# Sobre--aquecimento dos enrolamentos devido às altasaquecimento dos enrolamentos devido às altas--frequências/correntes parasitasfrequências/correntes parasitas

p16

p17

Diapositivo 22

p16 as harmônicas de seqüência positiva tenderiam a fazer o motor girarno mesmo sentido que o da componente fundamental, provocando, assim, umasobrecorrente nos seus enrolamentos, que provocaria um aumento de temperatura,reduzindo a vida útil e permitindo a ocorrência de danos ao motor.paulocorreia; 26-12-2006

p17 As harmônicas de seqüência negativa fariam o motor girar em sentidocontrário ao giro produzido pela fundamental, freando assim o motor e tambémcausando aquecimento indesejadopaulocorreia; 26-12-2006



2. DISPAROS DE DISPOSITIVOS DE PROTECÇÃO

As correntes harmónicas provocam um aquecimento ouum campo magnético mais elevado do que aquele quehaveria sem a sua presença.

# Disparos intempestivos dos disjuntores # Disparos intempestivos dos disjuntores

p8

Diapositivo 23

p8 paulocorreia 24-12-2006

Devido à elevada taxa de distorção harmónica presente na corrente, o seu corte torna-se mais difícil. Isto deve-se ao facto das componentes de alta-frequência terem uma variação mais rápida na passagem por zero da corrente dificultando assim o seu corte. Por outro lado, devido aos elevados valorede pico (embora com valores eficazes pequenos), pode fazer com que alguns dispositivos de protecção termomagnéticos e diferenciais disparem, mesmo semque exista qualquer defeito. Isso ocorre, pois tal como relatado anteriormente, as correntes harmónicas provocam um aquecimento ou um campo magnéticomais elevado do que aquele que haveria sem a sua presença. paulocorreia; 25-12-2006



3. RESSONÂNCIA

Na instalação de um banco de condensadores poderáformar se um circuito ressonante com a impedância daformar-se um circuito ressonante com a impedância darede.

# Circuitos Ressonantes (LC) # Circuitos Ressonantes (LC)



4. VIBRAÇÕES E ACOPLAMENTOS

Com as altas frequências das harmónicas poderão acontecerinterferências electromagnéticas que provocam vibrações (bináriospulsantes) no veio dos alternadores/motores , em quadros eléctricos,em transformadores e em acoplamentos em redes de comunicações.

# Vibrações e acoplamentos# Vibrações e acoplamentos



5. AUMENTO DA QUEDA DE TENSÃO E REDUÇÃO DO FACTOR DE ÊPOTÊNCIA

Na presença de harmónicas numa instalação o factor deNa presença de harmónicas numa instalação o factor depotência baixa.

Aumento das perdas na instalação e rede eléctrica;

Diminuição do seu rendimento;

Aumento das quedas de tensão na rede.



6. TENSÃO ELEVADA ENTRE NEUTRO E TERRA

Com correntes elevadas no neutro, surge uma d.d.p. entreo neutro e o condutor de terra, uma vez que o cabo tem, quma certa impedância.

Provoca maus funcionamentos em equipamentos.


COMO LIDAR COM A PRESENÇA DAS HARMÓNICAS

1. Dimensionamento dos condutores de fase e neutro na presença de harmónicos (Harmónicas Homopolares)

Secção do Neutro=

Secção das Fases



2. Dimensionamento de transformadores

Desclassificação do Transformador


COMO LIDAR COM A PRESENÇA DAS HARMÓNICAS $

2. Dimensionamento de transformadores (Continuação)( ç )

p10

Diapositivo 30

p10 Em ambientes industriais com grandes cargas trifásicas, recomenda-se para a mitigação das harmónicas (sobretudo das de 5ª e 7ª ordem), o emprego de utransformador com duplo secundário, onde se realiza um desfasamento angular de 30° entre os enrolamentos ou na utilização de dois transformadores comdiferentes ligações (de forma a se obter o referido desfasamento de 30° entre as tensões). Com o desfasamento de 30º, as harmónicas ficam em oposição dfase entre os dois enrolamentos do secundário (assumindo que existem cargas trifásicas em ambos os enrolamentos), anulando-se desta forma.

paulocorreia; 25-12-2006



3. Filtros de harmónicos

3.1 Filtro passivo série - Utilização de uma indutância/condensador:

D tD t- Filtro

j it b d Desvantagens:Desvantagens:

- Peso da bobina;

rejeita-banda

- Ocupa muito espaço;

- Introduz uma queda deIntroduz uma queda de tensão na linha.

p18

Diapositivo 31

p18 Em paralelo com a indutância LF, poderá colocar-se um condensador, constituindo assim um filtro rejeita-banda.paulocorreia; 25-12-2006



3. Filtros de harmónicos (Continuação)( ç )

3.1 Filtro passivo LC (paralelo)

Proporciona um caminho alternativo

para a circulação das correntes harmónicas.

p14

Diapositivo 32

p14 Estes filtros são simples, têm um bom desempenho e ainda fazem o aumento do factor de potência da instalação, por intermédio do condensador (CP). paulocorreia; 25-12-2006




3.1 Filtros passivos

DesvantagensDesvantagens::DesvantagensDesvantagens::

Apenas eliminam/reduzem as harmónicas para qual foramp p qconcebidos, não permitindo desta forma a alteração dacarga, uma vez que alteraria o espectro harmónico a filtrar.g q p

Podem ocorrer situações de ressonância entre o filtropassivo e as outras cargas ligadas à instalação




3.1 Filtros activos (Paralelo e Série)

O filtro recolhe o espectro harmónico, analisa-o e geracorrentes de valor igual mas com fase oposta, de forma aanular as harmónicas.




3.1 Filtros activos (Paralelo )

F ãF ãFunçãoFunção::

Compensar os harmónicos das correntes nas cargas;-Compensar os harmónicos das correntes nas cargas;-Compensar a potência reactiva;Equilibrar as correntes nas três fases eliminando a-Equilibrar as correntes nas três fases, eliminando a

corrente no neutro.




3.1 Filtros activos (Série)

FunçãoFunção::FunçãoFunção::

-Compensar as tensões da rede eléctrica quando estas têm presentesCompensar as tensões da rede eléctrica quando estas têm presentesharmónicas (causadas por cargas vizinhas, por exemplo);-Reduzir as harmónicas causadas dentro da própria instalação;-Compensar sobretensões, subtensões ou mesmo interrupçõesmomentâneas.




Filtro junto às cargas que geram-Filtro junto às cargas que geram grande quantidade de harmónicas;harmónicas;

-Filtro junto aos quadros de distribuição;

-Filtro junto do quadro geral daFiltro junto do quadro geral da instalação;

“Os fenómenos harmónicos aumentam sempre os “Os fenómenos harmónicos aumentam sempre os t d d ã O h i t dt d d ã O h i t dcustos de produção. O conhecimento dos custos de produção. O conhecimento dos

fenómenos, o projecto e a especificação adequada fenómenos, o projecto e a especificação adequada de filtros e outras formas de mitigar as harmónicas de filtros e outras formas de mitigar as harmónicas

podem minimizar esses custos, tornando a indústria podem minimizar esses custos, tornando a indústria p ,p ,mais competitiva."mais competitiva."

qqgualidade de energia · 2007. 8. 22. · - rectificador com ponte de graetz; ... devido à...

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