A qualidade de energia elétrica é um tema que tem sido alvo de constante preocupação e motivação para novos estudos nas últimas décadas. Alguns fatores relevantes são:
• O aumento expressivo de cargas não lineares, tanto nas indústrias como nas residências, que “poluem” a rede elétrica em função do alto conteúdo harmônico das correntes drenadas por estas;
• A grande quantidade de equipamentos sensíveis conectados à rede, como os equipamentos hospitalares, por exemplo, que dependem de energia de boa qualidade para operarem corretamente;
• A maior compreensão dos fenômenos por parte dos usuários finais, que têm então condições de exigir das concessionárias (empresas de geração, transmissão e distribuição de energia) uma energia de melhor qualidade;
• A integração de processos, onde a falha de um elemento pode ter relevância global. Este fator é uma preocupação constante em indústrias, uma vez que a paralisação de processos acarreta em perdas monetárias expressivas.
A qualidade de energia não pode ser vista como uma questão unilateral, onde a única responsável é a concessionária de energia, uma vez que diversos problemas têm origem no perfil da corrente drenada pela carga, ou seja, pelo consumidor. Neste cenário, consumidores e concessionárias de energia dividem responsabilidades que são pontuadas por normas específicas. Assim, definir o termo qualidade de energia não é uma tarefa simples, podendo ser até mesmo tendenciosa conforme o ponto de vista (concessionária ou usuário). Conforme [3], um problema de qualidade de energia é qualquer problema manifestado em desvios de tensão, corrente ou freqüência, que resultem em falha ou mau funcionamento de equipamento.
Embora os estudos na área de qualidade de energia tratem de diversos problemas e fenômenos eletromagnéticos, somente os aspectos mais relevantes ao presente trabalho serão abordados.
Um fator de extrema importância é a distorção da forma de onda (tensão ou corrente), a qual é definida como o desvio em regime permanente com relação a uma forma de onda pura (senoidal na freqüência do sistema). A distorção é caracterizada principalmente pelo conteúdo espectral. Os cinco tipos primários de distorção são: offset DC, harmônicos, interharmônicos, entalhe (Notch) e ruído [3].
A - Offset DC
O offset DC consiste na presença de um valor médio na tensão ou corrente de um sistema de potência. Este pode ser causado por diversos fatores, como assimetria de operação de conversores estáticos e distúrbios geomagnéticos. Sua presença no sistema elétrico provoca problemas, principalmente nos transformadores (saturação, aquecimento, etc.).
B - Harmônicos
Os harmônicos são tensões ou correntes com freqüências múltiplas inteiras daquela dita fundamental (freqüência de operação do sistema, normalmente 50Hz ou
Márcio Silveira Ortmann
60Hz). Sendo assim, em um sistema com freqüência nominal igual a 60Hz, o segundo harmônico tem freqüência igual a 120Hz, o terceiro harmônico tem freqüência de 180Hz a assim por diante.
C - Interharmônicos
Os interharmônicos são tensões ou correntes cujas freqüências não são múltiplas inteiras da freqüência fundamental do sistema. Algumas fontes de interharmônicos são os conversores estáticos de freqüência, os fornos e dispositivos a arco. As correntes interharmônicas são particularmente preocupantes pela possibilidade de excitação de ressonâncias no sistema.
D - Entalhe (Notch)
O entalhe é um distúrbio periódico nas formas de onda das tensões, causado pela operação de dispositivos eletrônicos de potência, quando a corrente é comutada de uma fase para outra. Embora este fenômeno possa ser caracterizado e bem representado pelo espectro harmônico, ele é geralmente tratado como um caso especial.
E - Ruído
O ruído elétrico pode ser definido como qualquer distorção de sinal que não pode ser classificado como distorção harmônica ou transiente.
2.2.2 Harmônicos
Dos cinco elementos citados como causadores de distorção das formas de onda, os harmônicos são, de uma forma geral, os mais importantes. A distorção harmônica é causada pela presença de cargas não lineares no sistema. Nestes equipamentos, a corrente drenada não é proporcional a forma da tensão aplicada. Uma ferramenta matemática particularmente útil na análise harmônica é a transformada de Fourier, com a qual é possível decompor formas de onda distorcidas e periódicas como uma soma da freqüência fundamental e seus harmônicos.
A circulação de correntes harmônicas no sistema elétrico implica em diversos efeitos indesejados [4], tais como:
• Aumento da temperatura de operação e das perdas em capacitores, motores e transformadores;
• Interferência e/ou falhas de operação em equipamentos sensíveis;
• Excitação de ressonâncias nas impedâncias do sistema;
• Distorção da tensão, em função da circulação de correntes harmônicas sobre as impedâncias do sistema.
A - Normas Regulamentadoras
A grande proliferação das cargas não lineares e os conseqüentes problemas gerados por estas levaram diversas organizações a estabelecer procedimentos, critérios e normas a respeito dos níveis de harmônicas no sistema elétrico. Principais normas são a IEEE 519-1992 [5], IEC 61000-3-2 [6] e IEC 61000-3-4 [7].
A norma IEEE 519-1992 estabelece limites pra a injeção de harmônicos no PAC (ponto de acoplamento comum), sendo que estes foram estabelecidos de forma a limitar a distorção de tensão no PAC.
As normas IEC 61000-3-2 e IEC 61000-3-4 são aplicáveis a equipamentos conectados em sistemas de baixa tensão, com correntes inferiores a 16A e superiores a 16A respectivamente.
No Brasil, a Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) [8], no documento “Procedimentos de distribuição de energia elétrica no sistema elétrico nacional – Prodist módulo 8 – qualidade da energia elétrica”, propõe valores para a distorção harmônica da tensão no sistema de distribuição. Essa regulamentação ainda não está definida, mas deve seguir, em princípio, a mesma filosofia da norma IEEE 519-1992.
B - Índices e Fatores de Desempenho
Com o intuito de quantificar e avaliar o comportamento de um determinado sistema ou carga são utilizados alguns índices e fatores de desempenho.
A taxa de distorção harmônica é a medida do valor efetivo dos componentes harmônicos de uma forma de onda distorcida. As taxas de distorção harmônica de tensão e corrente são dadas respectivamente pelas equações (2.1) e (2.2).
2 nef n 2 v 1ef
v
THD
v
∞ ==
∑
(2.1)Márcio Silveira Ortmann 2 nef n 2 i 1ef
i
THD
i
∞ ==
∑
(2.2)O fator de crista FC é definido como a razão entre os valores de pico e eficaz de uma determinada forma de onda (tensão ou corrente). Assim o fator de crista de uma forma de corrente, por exemplo, pode ser calculado conforme a eq.(2.3).
pico ef