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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]

Qualidade da Energia e Fator de Potência - eletrica.ufpr.breletrica.ufpr.br/mehl/te067/aulas/FP.pdf · Correção do Fator de Potência –Enfoque clássico Exemplo: Calcular o valor

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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]

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Vista noturna da Terra a partir de imagens de satélite

UFPR – Departamento de Engenharia Elétrica

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Qualidade da Energia

• Situação até 1970:Cargas Resistivas ou Resistivas-Indutivas

• Situação AtualPresença crescente de cargas eletrônicas

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Qualidade da Energia

Presença crescente de cargas eletrônicas

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Qualidade da Energia

• para a ANEEL, Qualidade do Serviço é Continuidade de Fornecimento

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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)

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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)

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Qualidade da Energia

• Índices de Qualidade: DEC & FEC

Fonte: ANEEL

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Fonte: ANEEL, 2004

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Qualidade da Energia

• Índices de Qualidade: DEC & FEC

Fonte: ANEEL

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Qualidade da Energia

• Índices de Qualidade: DEC & FEC

Fonte: ANEEL

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Qualidade da Energia

• Índices de Qualidade: DEC & FEC

Fonte: ANEEL

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Qualidade da Energia

• Índices de Qualidade: DEC & FEC

Fonte: ANEEL

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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.

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Qualidade da Energia

NÃO É SÓ

GARANTIR A

AUSÊNCIA DE

INTERRUPÇÕES

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Qualidade da Energia

• Continuidade de Fornecimento

• Nível de Tensão

• Oscilação da TensãoImpulsosTransitóriosDesequilíbrio de FasesDistorção da Oscilação Senoidal

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Qualidade da Energia

• Cintilação ou Flicker

Curva deSensibilidade

do Olho Humano

Variação deTensão de umForno a Arco

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Qualidade da Energia

• Cunha de Tensão ou Voltage Notch

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Qualidade da Energia

• Desequilíbrio de Tensão ou Voltage Imbalance– Assimetria da Rede– Tipo de Carga

Perdas nos

motores de indução

por desequilíbrio

de tensão.

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Qualidade da Energia

• Elevação de Tensão

> 2s Sobretensão ou Overvoltage

< 2s Voltage Swell

s / ms Surtos ou Spikes

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Qualidade da Energia

• Afundamento (redução) de Tensão

> 2s Subtensão ou Undervoltage

< 2s Voltage Sag

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Qualidade da Energia

• Interferência Eletromagnética- EMI-EMC– Irradiada: EMI– Conduzida: EMC

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Qualidade da Energia

• Harmônicos e Interharmônicos

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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2

1

)(1

)cos(fp

TDH

Medição do Fator de Potência – Enfoque atual• Cargas Não-Lineares

Fator de potência

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Retificador Monofásico com Correção de fp

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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

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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

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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

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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

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• 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

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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

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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

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Um Novo Retificador Trifásico

va(t) vc(t) vb(t)

t

tS3

tS2

tS1

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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

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Construção do

Protótipo

Alimentação

Vi(f-f)= 220V, 60 Hz

Indutores

La=Lb=Lc=4.25 mH

Potência de Saída

7.3 kW

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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

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• 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

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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