Análise da penetração harmônica em redes de distribuição ... ?· Análise da penetração harmônica…

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  • Anlise da penetrao harmnica em redes de distribuio desequilibradas devido s cargas

    residenciais e comerciais com a utilizao do ATP

    RENATO VINHAL NUNES

    Orientador:

    MANUEL LOSADA y GONZALEZ Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao de Engenharia Eltrica da UFMG, como parte dos requisitos para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Eltrica.

    PPGEE UFMG Dezembro de 2007

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    AGRADECIMENTOS

    Agradeo a Deus pelo ontem, hoje e o amanh. Aos meus pais pelo investimento em mim realizado e os anos de carinho e dedicao que foram fundamentais para que eu me tornasse quem sou hoje. A minha namorada pelo companheirismo, carinho, pacincia e apoio incondicional nos diversos momentos de alegria e de dificuldades. Ao meu orientador, prof. Manuel, pela pacincia e colaborao neste trabalho e a todos os professores do PPGEE, em especial a Porfrio Cabaleiro, Glssio Costa e Ivan Jos da Silva que contriburam por diversas vezes com seu tempo na soluo de dvidas. Aos meus companheiros do Laboratrio de Conservao de Energia que me apoiaram em todos os momentos na escrita desta dissertao. UFMG pela oportunidade de me tornar Mestre em Engenharia Eltrica. CAPES pelo apoio financeiro.

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    RESUMO

    Com a necessidade cada vez maior de um consumo eficiente de energia eltrica e a crescente popularizao do uso de equipamentos eletrnicos eficientes atravs de incentivos do PROCEL, a distoro harmnica de corrente injetada na rede eltrica devido aos setores residencial e comercial vem aumentando, tornando-se considervel em relao ao setor industrial. Em um futuro prximo, tal distoro harmnica pode assumir valores que sejam superiores aos limites determinados pelos padres vigentes, e, conseqentemente, seus efeitos podem ser danosos aos equipamentos/componentes dos sistemas eltricos e consumidores.

    Este trabalho tem como objetivo analisar a penetrao harmnica em um sistema de distribuio devido s correntes injetadas por cargas no-lineares residenciais e comerciais. A partir de medies de tenses e correntes harmnicas em residncias e transformadores, alm de dados fsicos sobre o sistema, componentes presentes em um sistema de distribuio (transformadores, linhas de distribuio e bancos de capacitores) e cargas residenciais e comerciais foram modelados computacionalmente utilizando o software ATPDraw. Estes modelos foram utilizados na construo e simulao de um alimentador secundrio e um alimentador primrio. As tenses e correntes obtidas nesta simulao foram analisadas e comparadas com as distores harmnicas mximas de tenso e corrente permitidas por guias internacionais de harmnicos, possibilitando concluses sobre a qualidade de energia dos mesmos.

    Em seguida, uma situao futura com cargas de maior potncia e maior contedo harmnico (chuveiros eletrnicos) foi avaliada e simulada, permitindo quantificar quais seriam as futuras distores harmnicas de corrente e tenso nos mesmos alimentadores. Atravs dos resultados obtidos, notou-se que tais distores excediam os limites permitidos. Por fim, para minimizar tais distores harmnicas, filtros passivos foram dimensionados e as novas distores harmnicas calculadas. Esta soluo retornou os valores mximos dos harmnicos a valores inferiores aos limites definidos pelos guias e normas nacionais e internacionais.

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    ABSTRACT

    With the increasing need for efficient electrical energy consumption and the constant increase in efficient electronic equipment encouraged by PROCEL incentives, the current harmonic distortion injected into the electrical system by residential and commercial loads has been increasing, becoming considerable when compared to industrial load injection. In the near future, this harmonic distortion can achieve higher values than the limits determined by standards and, consequently, their effects can be harmful to electrical system equipment / components and consumers.

    This work analyzes the harmonic penetration in a distribution system due to current injection by non-linear residential and commercial loads. Using voltage and current harmonic measurements of residences and transformers, in addition to physical data about the system, common components in a distribution system (transformers, distribution lines, capacitor banks) and residential and commercial loads were modeled and simulated by ATPDraw. Then the models were used in the simulation of a secondary and a primary feeders. Their voltage and current were compared with maximum voltage and current harmonic distortions defined by international standards. So, conclusions about the system power quality were obtained.

    From this simulation, a future situation with larger power loads and larger harmonic content (electronic showers) was proposed and simulated, quantifying the future voltage and current harmonic distortions in the same primary feeder. The results showed that such distortions exceeded the limits defined by the same standards. Finally, to minimize such future harmonic distortions, passive filters were designed and new harmonic distortions calculated. This solution reduced the maximum harmonic values to limits under those set by standards.

  • iv

    SUMRIO 1 Introduo ........................................................................................................................ 1

    1.1 Qualidade de energia eltrica ...................................................................................... 2

    1.2 Relao entre conservao e qualidade de energia ..................................................... 2

    1.3 Sistemas eltricos equilibrados x desequilibrados ...................................................... 5

    1.4 Normalizao Europia x Referncia Norte Americana ............................................. 6

    1.5 Objetivos deste trabalho .............................................................................................. 6

    2 Harmnicos no sistema eltrico: fontes, efeitos e limites ............................................. 8

    2.1 Indicadores harmnicos .............................................................................................. 8

    2.1.1 Distoro Harmnica Total (DHT) ..................................................................... 8

    2.1.2 Distoro Total de Demanda (DTD) ................................................................... 9

    2.1.3 Fator K .............................................................................................................. 10

    2.1.4 Fator de Perdas Harmnicas ( HLF ) ................................................................... 10

    2.1.5 Indicadores de interferncia telefnica ............................................................. 11

    2.2 Equipamentos residenciais e comerciais geradores de harmnicos .......................... 12

    2.2.1 Retificadores ..................................................................................................... 12

    2.2.2 Triac .................................................................................................................. 18

    2.3 Equipamentos e componentes sensveis aos harmnicos ....................................... 21

    2.3.1 Mquinas eltricas (geradores e motores) ......................................................... 21

    2.3.2 Transformadores ............................................................................................... 21

    2.3.3 Banco de capacitores ......................................................................................... 23

    2.3.4 Sistemas de proteo ......................................................................................... 24

    2.3.5 Sistemas de comunicao .................................................................................. 25

    2.4 Guias existentes sobre harmnicos ........................................................................... 25

    2.4.1 Guia IEEE Std 519-1992 ................................................................................... 26

    2.4.2 Norma IEC 61000 ............................................................................................. 26

    2.4.3 Procedimento de rede - Submdulo 2.2 ............................................................ 29

    2.4.4 Comparao entre recomendaes .................................................................... 30

  • v

    2.5 Concluses gerais ..................................................................................................... 30

    3 Modelos de equipamentos/componentes e cargas ........................................................ 31

    3.1 Linhas de transmisso ............................................................................................... 31

    3.1.1 Modelos existentes na literatura ........................................................................ 31

    3.1.2 Modelos de linhas de transmisso/distribuio utilizados no ATPDraw .......... 36

    3.1.2.1 Modelo de parmetros concentrados ......................................................... 36

    3.1.2.2 Modelo de parmetros distribudos ........................................................... 37

    3.1.2.3 Modelos do LCC ....................................................................................... 37

    3.1.3 Avaliao dos modelos de linha do ATP .......................................................... 39

    3.1.4 Concluses sobre modelos de linhas ................................................................. 43

    3.2 Modelos de transformadores ..................................................................................... 44

    3.2.1 Modelos existentes na literatura .................................