CENTRO UNIVERSITÁRIO DO LESTE DE MINAS

UnilesteMG Trabalho de Conclusão de Curso I

Engenharia Elétrica

Alan Bruno Fonseca

ANÁLISE DE DISTURBIOS EM REDES ELÉTRICAS

CAUSADOS POR CARGAS NÃO LINEARES

Coronel Fabriciano

2012

Alan Bruno Fonseca

ANÁLISE DE DISTURBIOS EM REDES ELÉTRICAS

CAUSADOS POR CARGAS NÃO LINEARES

Projeto de Pesquisa Apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica do Unileste MG, como requisito parcial para a elaboração do Trabalho de Conclusão de Curso.

Professor (a) Orientador (a): Viviane Cota Silva

Coronel Fabriciano

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2011

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1- Formado ideal de uma onda monofásica fase – neutro......................... 6 Figura 2 - Deformações das ondas de tensão ......................................................... 9Figura 3 - Monitoramento dos distúrbios ............................................................... 12 Figura 4 - Filtros Série e Paralelo Monofásico........................................................ 14 Figura 5- Paralelo não Compensado e Compensado............................................. 15 Figura 6 - Esquema do Filtro Paralelo e Série......................................................... 16 Figura 7 - Resultado de uma Compensação de Onda Quadrada......................... 17 Figura 8 - Resultado de uma Compensação de Onda Quadrada......................... 17

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO.........................................................................................................51.1Tema.......................................................................................................................6

1.2 Problema...............................................................................................................6

1.3 Objetivos...............................................................................................................7

1.3.1 Objetivos Gerais.................................................................................................7

1.3.2 Objetivos Específicos.........................................................................................7

1.4 Justificativa..........................................................................................................7

2. DISTURBIOS............................................................................................................8

2.1 Conhecendo um Pouco Mais..............................................................................8

2.1.1 Harmônicos, Ruídos e Inter-harmônicos.............................................................9

2.1.2 Interrupção, Subtensão e Sobretensão Momentâneos.....................................10

2.1.3 Flutuação da Tensão, Micro Cortes de Tensão e

Transitórios..........................10

2.2. Problemas..........................................................................................................10

3 METODOLOGIA DA PESQUISA ...........................................................................12

3.1 Tipo De Pesquisa ...............................................................................................12

3.2 Amostra...............................................................................................................12

3.3 Instrumentos.......................................................................................................13

3.4 Procedimentos....................................................................................................13

3.4.1 Filtro De Baixa Potência Monofásica.................................................................13

3.4.2 Media E Alta Potência.......................................................................................14

3.4.3 Filtro Ativo Paralelo...........................................................................................15

3.4.4 Filtro Ativo Série................................................................................................15

3.5 Tratamentos Dos Dados....................................................................................16

4. CONCLUSÃO.........................................................................................................18

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................19

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1.INTRODUÇÃO

Devido o alto desenvolvimento tecnológico na eletrônica de potência cada vês

mais surgiram equipamentos com capacidade de controles de processos industriais

e residenciais que proporcionam mais comodidade, melhor desempenho e maior

produtividade em diversos setores de aplicação, porem, esse desenvolvimento

trouxe também problemas com os quais tem sido cada vês mais necessário a

atenção, devido a queda na qualidade da energia elétrica causada por distúrbios

devolvidos a rede causado por cargas não lineares.

Este artigo apresenta os principais distúrbios causados nas formas de ondas

nas linhas de transmissão e algumas medidas de controle sobre eles.

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1.1 Tema

Analise de efeitos causadores de distúrbios na formação de ondas elétricas

em linhas de fornecimentos de baixa e media tensão, causas desses distúrbios e

alguns métodos para a solução desse problema.

1.2 Problema

O sinal elétrico fornecido ao consumidor deve ter a melhor forma possível,

que é o senoidal, qualquer deformação nele pode causar problemas dos mais

diversos pois compromete a entrega da energia elétrica não fornecendo os valores

nominais de entrega podendo causar uma série de problemas nos equipamentos

além de um comprometimento com o fator de potência da rede devido o alto valor de

reativo devolvido na rede, prejudicando também assim o fornecedor. É considerado

sinal impuro qualquer que não tenha a forma a senoidal como mostra abaixo.

Figura 1: Formado ideal de uma onda monofásica fase – neutro.

Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAANIoAJ/analise-fourier

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1.3 OBJETIVOS

1.3.1 OBJETIVOS GERAIS

-Adquirir mais conhecimento no assunto;

-Se interar de novas questões que sejam derivados do curso de Engenharia

Elétrica.

1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

- Demonstrar as causas que levam as formas de onda se modificar da original

e senoidal;

- Verificar os efeitos e danos que estas ondas podem causar a equipamentos,

consumidores e fornecedores;

- Apresentar algumas possíveis formas de compensação e reparo através de

técnicas e equipamentos.

1.4 JUSTIFICATIVA

Este tema foi escolhido devido o interesse no assunto que hoje em dia é foco

de atenção e responsabilidade para os profissionais que atuam na área de

Engenharia Elétrica.

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2. DISTURBIOS

2.1 CONHECENDO UM POUCO MAIS

Segundo Souza (2000) os motivos de distúrbios em redes elétricas mais

comuns são entre eles:

-Distorção harmônica: Causado comumente por cargas não lineares na rede

elétrica e devido a corrente também possuir essa interferência acontece queda de

tensão nas impedâncias fazendo com que as ondas da alimentação também fiquem

distorcidas como computadores, televisão, impressoras, circuitos eletrônicos para

lâmpadas de descarga nos setores residenciais e comerciais que possuem na

maioria em circuitos eletrônicos retificadores à sua entrada seguido por conversor do

tipo CC-CC ou CC-CA.

-Interferência eletromagnética: São ruídos de alta freqüência, podem ser

produzidos por comutações de alta velocidade de circuitos de potência como

conversores eletrônicos.

-Inter harmônicos: Acontecem quando há oscilações que se somam com a

freqüência fundamental normalmente (50Hz ou 60hz), normalmente são produzidos

por equipamentos que alteram a freqüência de trabalho como por exemplo ciclo

conversores para alimentação de motores síncronos.

-Interrupção momentânea: Causados por aberturas e dispositivos de proteção

contra curtos-circuitos.

-Subtensão momentânea (sag): Geralmente causado por sobrecargas em

outros ramais de mesma alimentação.

-Sobretensão momentânea (swel): Podem ser causados por falta de fase por

exemplo, ou saída momentânea de um bloco muito grande de carga.

-Flutuação de tensão: São caudadas devido a variações intermitentes de

algumas cargas.

-Micro corte de tensão: São causadas devido a pequenos cortes periódicos na

forma de onda da tensão (os retificadores com filtro capacitivo ou indutivo por

exemplo).

-Transitórios: Normalmente acontecem em descargas atmosféricas.

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Figura 2: Deformações das ondas de tensão

Fonte: Revista o Electricista, nº 9, 3º trimestre de 2004, ano 3, pp. 66-71

2.1.1 HARMÔNICOS, RUÍDOS E INTER-HARMÔNICOS

Os distúrbios que os aparelhos eletrônicos em larga utilização podem

provocar são devido aos chaveamentos por diodos e SCRs. Segue a forma em que

a onda pode chegar a ficar e algumas fotos de aparelhos que possuem esses

equipamentos capazes de alterar a forma original da onda.

O conversores CA/CC e CC/CC são os retificadores ou circuitos controladores

de tensão. Ao ver televisão e ligar um liquidificador o sinal da televisão fica chiando,

isso é uma espécie de interferência também.

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2.1.2 INTERRUPÇÃO, SUBTENSÃO E SOBRETENSÃO MOMENTANEOS

As interrupções são causadas normalmente por acionamentos de dispositivos

como relés, fusíveis, disjuntores entre outros equipamentos de fornecimento e

bloqueio de tensão.

Subtensão momentânea geralmente ocorre quando há uma sobrecarga nas

proximidades do ramal fornecedor, como por exemplo um curto circuito. Um exemplo

pratico de subtensão é o de instalações antigas que tinham o circuito de iluminação

igual o do chuveiro em residências e ao ligar o chuveiro sua demanda de energia faz

haver uma queda de tensão na lâmpada da instalação.

Sobretensão momentânea geralmente ocorre quando uma carga muito

grande sai de operação fazendo variar a rede até a nova corrente de fornecimento

se ajustar com o valor de impedância.

2.1.3 FLUTUAÇÃO DA TENSÃO, MICRO CORTES DE TENSÃO E

TRANSITÓRIOS

As flutuações ocorrem normalmente e três formas:

-Flutuações Aleatórias: causados por oscilações a nível de curto-circuito

-Flutuação Repetitivas: causados por máquinas de solda e laminadores por

exemplo.

-Flutuações Esporádicas: causadas pela partida direta de motores de alta

potência.

Micro-cortes de tensão: consistem em pequenos cortes periódicos na forma

de onda da tensão, que resultam de quedas de tensão nas indutâncias do sistema

eléctrico, ocorridas devido a cargas que consomem correntes com variações

bruscas periódicas (caso dos retificadores com filtro capacitivo ou indutivo) de

acordo Afonso (2004). Transitórios normalmente acontecem em descargas

atmosféricas.

2.2. PROBLEMAS

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Conforme Edgar 2000 essas deformações são ocasionadas por cargas não

lineares, e vem sendo implantas em larga escala no sistema elétrico Brasileiro.

Algumas delas são:

Circuitos de iluminação com lâmpadas de descarga;

Fornos a arco;

Compensadores estáticos tipo reator saturado, etc.

Motores de corrente contínua controlados por retificadores;

Motores de indução controlados por inversores com comutação forçada;

Processos de eletrólise através de retificadores não-controlados;

Motores síncronos controlados por ciclo conversores;

Fornos de indução de alta freqüência, etc.

Fornos de indução controlados por reatores saturados;

Cargas de aquecimento controladas por tiristores;

Velocidade dos motores CA controlados por tensão de estator;

Reguladores de tensão a núcleo saturado;

Computadores;

Eletrodomésticos com fontes chaveadas, etc.

A revista O Eletricista afirma que toda esta modificação que um sinal elétrico

sofre muitos equipamentos podem ter um mal desempenho ou falha como:

– Aumento das perdas (aquecimento), saturação, ressonâncias, vibrações nos

enrolamentos e redução da vida útil de transformadores;

– Aquecimento, binários pulsantes, ruído audível e redução da vida útil das

máquinas elétricas rotativas;

– Disparo indevido dos semicondutores de potência em retificadores controlados e

reguladores de tensão;

– Problemas na operação de relés de proteção, disjuntores e fusíveis;

– Aumento nas perdas dos condutores elétricos;

– Aumento considerável na dissipação térmica dos condensadores, levando à

deterioração do dielétrico;

– Redução da vida útil das lâmpadas e flutuação da intensidade luminosa (flicker –

para o caso de ocorrência de sub harmônicos);

– Erros nos medidores de energia elétrica e instrumentos de medida;

– Interferência eletromagnética em equipamentos de comunicação;

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– Mau funcionamento ou falhas de operação em equipamentos eletrônicos ligados à

rede elétrica, tais como computadores, controladores lógicos programáveis (PLCs),

sistemas de controlo comandados por micro controladores, etc. (cabe lembrar que

estes equipamentos controlam frequentemente processos de fabrico).

3 METODOLOGIA DA PESQUISA

3.1 TIPO DE PESQUISA

Esta pesquisa foi baseada na procura por formas de amenizar as distorções

nas redes elétricas.

3.2 AMOSTRA

A utilização de monitores para a observação de qualidade de energia é a

melhor forma de detectar e diagnosticar problemas nos sistemas elétricos de

potência. Estes equipamentos permitem basicamente medir e registrar ao longo do

tempo valores de tensões, correntes e potências em vários canais. Com base na

informação que vai sendo recolhida é possível gerar alarmes e produzir relatórios de

diversos tipos através da seleção de diferentes aplicações.

No mercado existe um leque bastante variado de equipamentos para

monitorizar a qualidade da energia elétrica, contudo, estes equipamentos são

normalmente muito caros, sobretudo os que apresentam bons desempenhos e

múltiplas funções. Por essa razão é ainda hoje interessante desenvolver

monitoramentos de baixo custo. De acordo com Santos 2010 um sistema de

monitoração baseado na utilização de um PC com uma placa de aquisição de dados

standard, e no software LabView tem boa aplicabilidade.

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Figura 3: Monitoramento dos distúrbios

Fonte: Revista o Eletricista, nº 9, 3º trimestre de 2004

3.3 INSTRUMENTOS

Como variados tipos de distúrbios existem houve a necessidade de se

projetar diversos filtros capazes de absorver ou suprir estas variações. Segundo

Afonso e Martins 2004 serão mostrados alguns equipamentos que podem ser

utilizados:

– As fontes de alimentação ininterrupta (UPS’s - Uninterruptable Power Supplies) ou

os geradores de emergência são as únicas soluções para as interrupções

prolongadas no fornecimento de energia elétrica.

– Os supressores de transientes, ou varistores (TVSS – Transient Voltage Surge

Suppressors) garantem proteção contra os fenômenos transitórios, que causam

picos de tensão nas linhas.

– Os filtros de interferência eletromagnética garantem que o equipamento poluidor

não conduz ruído de alta frequência para a rede elétrica.

– Os transformadores de isolamento com blindagens eletrostática garantem não só

isolamento galvânico como também evitam a propagação de picos de tensão ao

secundário.

– Os transformadores ferro ressonantes assegura a regulação de tensão e bem

resolvem os problemas de sobretensão.

– A regulação de tensão pode também ser garantida por meio de transformadores

com várias saídas associados a um esquema eletrônico de comutação por meio

tirístores.

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3.4 PROCEDIMENTOS

3.4.1 FILTRO DE BAIXA POTÊNCIA MONOFÁSICA

O mais simples dos filtros passivos consiste num indutor em série com a entrada do

“equipamento poluidor”, que frequentemente consiste num retificador com um filtro

capacitivo na saída. Trata-se de uma solução fiável e de baixo custo. Contudo, o

indutor é pesado (devido ao ferro do seu circuito magnético) e ocupa muito espaço,

o que limita praticamente esta solução a equipamentos de baixa potência (inferior a

600 VA). Uma alteração muito comum feita no projeto de equipamentos eletrônicos

monofásicos, de forma a reduzir significativamente os harmônicos produzidos,

consiste na utilização de um conversor CC-CC do tipo step-up após a ponte

retificadora. Esse circuito, quando corretamente controlado, permite que a corrente

consumida pelo equipamento seja praticamente sinusoidal, podendo ser utilizado até

à potência normalmente disponível nas tomadas monofásicas (cerca de 3 kVA).

Figura 4: Filtros Série e Paralelo Monofásico

Fonte: Revista o Eletricista, nº 9, 3º trimestre de 2004

3.4.2 MEDIA E ALTA POTÊNCIA

Durante muito tempo, as companhias de distribuição de energia elétrica têm

imposto aos consumidores industriais apenas limites para a potência reativa

consumida. A solução normalmente adotada pelas indústrias tem consistido na

utilização de bancos de capacitores para correção do fator de potência da

instalação.

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Mais recentemente, os problemas com os harmônicos de corrente que

circulam na rede elétrica, têm obrigado muitos consumidores industriais a aplicar

técnicas de redução de harmônicos baseadas em filtros passivos. Contudo esta

solução apresenta várias desvantagens, nomeadamente: os filtros passivos apenas

filtram as frequências para as quais foram previamente sintonizados; precisam

frequentemente ser sobre dimensionados, uma vez que como não é possível limitar

a sua operação a uma certa carga, acabam por absorver harmônicos do próprio

sistema elétrico, podem ocorrer fenômenos de ressonância entre o filtro passivo e as

outras cargas ligadas à rede, com resultados imprevisíveis; o dimensionamento dos

filtros passivos deve ser coordenado com as necessidades de potência reativa da

carga, sendo difícil fazê-lo de forma a evitar-se que o conjunto opere com fator de

potência capacitivo em algumas condições de funcionamento. Para ultrapassar

estas desvantagens, recentemente têm sido feitos esforços no sentido de

desenvolver filtros ativo de potência.

3.4.3 FILTRO ATIVO PARALELO

O filtro ativo de potência do tipo paralelo tem como função compensar os

harmônicos das correntes nas cargas, podendo ainda compensar a potência reativa

(corrigindo o fator de potência). Permite ainda equilibrar as correntes nas três fases

(eliminando a corrente no neutro, mesmo na existência de harmônicos de 3ª ordem).

Conforme se mostra na Figura 5(a), como resultado da atuação do filtro ativo

paralelo, a corrente nas linhas torna-se sinusoidal, e a sua amplitude diminui,

reduzindo as perdas nos condutores, e evitando distorções nas tensões de

alimentação dos receptores. A Figura 5(b) apresenta o esquema elétrico de um filtro

ativo paralelo trifásico. O filtro é basicamente composto por um inversor, que produz

as correntes de compensação, e pelo seu controlador.

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Figura 5: Filtro Paralelo não Compensado e Compensado

Fonte: Revista o Eletricista, nº 9, 3º trimestre de 2004

3.4.4 FILTRO ATIVO SÉRIE

O filtro ativo de potência do tipo série (Figura 6) é o dual do filtro ativo paralelo. A

sua função é compensar as tensões da rede elétrica, para os casos em que estas

contenham harmônicos, de forma a tornar as tensões na carga sinusoidais. Em

certos casos, dependendo da duração dos fenômenos e da energia que o filtro ativo

puder disponibilizar, é ainda possível compensar sobretensões, ou mesmo

interrupções momentâneas.

Figura 6: Esquema do Filtro Paralelo e Série

Fonte: Revista o Eletricista, nº 9, 3º trimestre de 2004

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3.5 TRATAMENTOS DOS DADOS

Segue alguns resultados de um compensador de onda quadrada conforme

Silva e Pires 2011:

Figura 7: Resultado de uma Compensação de Onda Quadrada

Fonte: Revista o Eletricista, nº 9, 3º trimestre de 2004

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Figura 8: Resultado de uma Compensação de Onda Quadrada

Fonte: Revista o Eletricista, nº 9, 3º trimestre de 2004

4. CONCLUSÃO

De acordo com os estudos propostos pode-se concluir que os filtros são uma

boa forma de reduzir ou até mesmo eliminar indesejáveis distorções em um sistema

elétrico de baixa, média ou alta tensão, sendo assim, um interessante assunto a se

tratar onde há grande proveito didático e aplicabilidade no mercado de trabalho.

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5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

http://www.schneider-electric.com.br/documents/cadernos-tecnicos/

harmon.pdf

Qualidade de Energia - Causas, Efeitos e Soluções

http://wavelet.yolasite.com/resources/DissertacaoElcioFArruda.pdf

http://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/18419/000728387.pdf?

sequence=1

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