MODELAGEM E ANÁLISE DO DESEMPENHO DE UM APARELHO TELEVISOR SOB CONDIÇÕES NÃO IDEAIS DE ALIMENTAÇÃO NA PLATAFORMA ATP

MODELAGEM E ANÁLISE DO DESEMPENHO DE UM APARELHO

TELEVISOR SOB CONDIÇÕES NÃO IDEAIS DE ALIMENTAÇÃO NA

PLATAFORMA ATP

Thiago A. Silva, Germano F. Santos, Jonmil Marques Borges, Edélcio Antônio Martins, Claudinei

Jeremias de Ávila, Antônio Carlos Delaiba, Carlos E. Tavares

Universidade Federal de Uberlândia – Minas Gerais Núcleo de Qualidade e Racionalização de Energia Elétrica

[email protected],[email protected], [email protected], Edé[email protected], [email protected], [email protected], [email protected].

relacionados com a modelagem computacional, validação experimental e análise do desempenho de um aparelho televisor, quando submetido a um suprimento de energia elétrica sob condições não-ideais. O equipamento empregado para o estudo corresponde a um aparelho televisor tipo CRT, cuja entrada é constituída por uma fonte chaveada. O modelo desenvolvido está direcionado à plataforma ATP. Embora a exemplificação esteja dirigida para tal produto, a metodologia e a análise aplicadas nesta investigação podem ser prontamente estendidas para outros equipamentos que utilizam a mencionada fonte de alimentação. Os procedimentos empregados

consistem em estudos computacionais e

experimentais, com o intuito de validar o modelo implementado no ATP e de avaliar o desempenho deste aparelho quando submetido a: variações de tensão de curta duração e tensões transitórias oscilatórias.

Palavras-Chave – Aparelho Televisor, Desempenho de Equipamentos, Fonte Chaveada, Modelagem Computacional, Qualidade da Energia.

TV DEVICE MODELING AND

PERFORMANCE ANALYSIS WITH NON

IDEAL SUPPLY CONDITIONS USING

ATP SIMULATOR

Abstract

-

other equipment using the same type feeder unit. The

procedures employed are computational and

experimental studies in order to validate the model implemented in ATP and evaluate the appliance performance under voltage: swell, interruption and transient.

Keywords - Computational Modeling, TV Device,

Equipment Performance, Power Quality and

Switched Source.

I. INTRODUÇÃO

A energia elétrica de suprimento, em anos recentes, vem apresentando características diferentes daquelas consideradas ideais devido principalmente ao aumento do número de cargas com características não lineares e à complexa dinâmica de operações do sistema interligado, compreendendo a entrada e saída de grandes cargas, os mais diversos chaveamentos, energizações e possíveis contingências. Estas condições podem, por vezes, comprometer o adequado funcionamento de equipamentos eletroeletrônicos e afetar a sua integridade física, principalmente aqueles dotados de tecnologia mais moderna, que geralmente são mais sensíveis à qualidade da tensão de suprimento [1].

Diante destes aspectos, tem-se notado nos últimos anos um incremento de pedidos de ressarcimento feitos por consumidores às concessionárias de energia associados aos danos em dispositivos eletroeletrônicos, possivelmente ocasionados pelos problemas na qualidade da energia elétrica de suprimento [2].

No intuito de analisar o relacionamento entre um dano reivindicado e um dado distúrbio na tensão, a utilização de ferramentas computacionais surge como uma aproximação prometedora. Geralmente, esta estratégia compreende as seguintes etapas: modelo do equipamento, implementação computacional do dispositivo e do sistema elétrico de suprimento no domínio do tempo, validação dos modelos obtidos perante ensaios laboratoriais, e finalmente, a comparação entre a suportabilidade do equipamento e os impactos dos distúrbios na tensão de suprimento aplicada nos terminais do produto investigado.

Dentro deste contexto emergem alguns equipamentos com tecnologias conhecidas, como fontes chaveadas, amplamente utilizadas por fabricantes de

eletroeletrônicos. De acordo com informações de concessionárias, os aparelhos eletroeletrônicos, que detêm esta fonte de alimentação, estão se transformando em um motivo de grande preocupação devido ao seu custo financeiro e ao número crescente de pedidos de indenização pelos danos nos mesmos.

Portanto, visando contribuir neste complexo tema, este artigo apresenta a modelagem computacional de um aparelho televisor, que utiliza a mencionada fonte, na plataforma ATP e o desempenho deste sob condições anormais de alimentação, tais como: variações de tensão de curta duração e transitórios oscilatórios.

II. JUSTIFICATIVA QUANTITATIVA DO ESTUDO Na seqüência apresentam-se as informações coletadas nos processos de ressarcimento custeados pela CEMIG Distribuição do Triângulo Mineiro e Alto Paranaíba. São apresentados os custos de ressarcimento enumerados por equipamentos considerando os produtos eletroeletrônicos mais solicitados em pedidos de indenização por danos, ou seja: aparelho de TV, computador, aparelho de som, DVD, geladeira, telefone sem fio, receptor de TV, máquina de lavar roupa, notebook, motor, microondas, no-break, home theater e vídeo cassete.

A Figura 1 ilustra a quantidade de equipamentos que foram indenizados devido a algum distúrbio na rede elétrica da CEMIG D. Observa-se que, os televisores vigoram como o principal produto eletrônico de ressarcimento.

Fig. 1. Quantidade de equipamentos indenizados por danos. Dados estatísticos CEMIG Distribuição do Triângulo Mineiro

e Alto Paranaíba para o primeiro semestre de 2008.

De forma similar à figura anterior, as Figuras 2 e 3 mostram o custo total dos pedidos de ressarcimento para cada equipamento mencionado. Deve-se salientar que o valor total associados às indenizações é de R$ 296.343,63. Deste total, percebe-se que o aparelho de TV contribuiu com valores financeiros de aproximadamente R$ 70.000,00, ou seja, 23% do valor total das indenizações.

Fig. 2. Custo total de ressarcimento pago para cada equipamento elétrico. Dados estatísticos CEMIG Distribuição

do Triângulo Mineiro e Alto Paranaíba para o primeiro semestre de 2008.

Fig. 3 – Porcentagem de pedidos de ressarcimento deferidos para cada equipamento em relação ao custo final. Dados estatísticos CEMIG Distribuição do Triângulo Mineiro e Alto

Paranaíba para o primeiro semestre de 2008.

Dentro do exposto, percebe-se a grande importância da modelagem computacional de aparelhos eletroeletrônicos, e principalmente de aparelhos televisores por representarem grande parte dos pedidos de ressarcimento de danos.

III. MODELAGEM COMPUTACIONAL E PROCESSO DE VALIDAÇÃO

Para a obtenção de um modelo computacional referente a um aparelho televisor, que permita o estudo do comportamento do mesmo, quando submetido a condições anormais de alimentação, os seguintes passos foram seguidos:

A. Modelo Representativo do Equipamento

O equipamento considerado neste estudo está mostrado na Figura 4. Os aparelhos televisores normalmente utilizam em sua entrada uma fonte do tipo chaveada, assim como os equipamentos: DVD, microcomputadores, fax-símile, etc.

Fig. 4. Aparelho televisor estudado.

Através de catálogos de fabricantes e investigações laboratoriais usando o equipamento apresentado foi possível estabelecer o circuito equivalente indicado na Figura 5. Como pode ser visto a estratégia primou por representar os elementos encontrados na entrada do dispositivo por serem os principais componentes danificados, quando submetidos a distúrbios de tensão nas redes elétricas, segundo informações obtidas em oficinas técnicas de manutenção e reparo. Maiores

detalhes referentes ao modelo simplificado podem ser obtidos em [3].

Fig. 5. Circuito elétrico simplificado do televisor estudado.

B. Implementação Computacional

O programa usado para os estudos computacionais foi o ATP (Alternative Transients Program), o qual é uma ferramenta com boa aceitação no setor elétrico para análises no domínio do tempo de sistemas de potência.

No intuito de inserir o modelo do equipamento neste programa, os recursos do ATPDraw foram usados. Para modelar um sistema de suprimento com problemas de qualidade utilizaram-se componentes internos do ATP que não são descritos neste trabalho, maiores informações podem ser obtidas em [4]. A figura 6 mostra o circuito do televisor modelado no programa ATP.

Fig. 6. Circuito do televisor modelado no ATP

C. Estratégia de Validação dos Modelos

Uma vez que o modelo do equipamento tenha sido incluído no simulador ATP, procede-se na seqüência a validação dos mesmos. Esta etapa consiste em simular diferentes casos envolvendo condições ideais e não-ideais da tensão de alimentação e reproduzi-los em laboratório. Pela comparação dos correspondentes resultados é possível validar o circuito simplificado utilizado para representar o desempenho do dispositivo eletroeletrônico em distintas condições da tensão de suprimento.

O arranjo laboratorial, mostrado na Figura 6, compreende uma fonte programável HP6834A trifásica de 4,5 KVA e outro equipamento para registrar a forma de onda de tensão e corrente.

REDE CA FONTE PROGRAMÁVEL Fonte Chaveada Ociloscópio Ponteiras de tensão Ponteira de Corrente Equipamento Eletroeletrônico Elo CC Ref. Computador B C Neutro A

Fig. 7. Esquema de conexão para realização dos experimentos.

IV. VALIDAÇÃO DO MODELO SOB CONDIÇÕES NOMINAIS E NÃO IDEAIS DE OPERAÇÃO No intuito de conhecer o comportamento do mencionado equipamento e verificar a consistência dos modelos computacionais representativos obtidos, foram realizados vários estudos de casos. Estes compreenderam condições ideais e não ideais de suprimento, aplicadas tanto em âmbito computacional quanto experimental. Devido a limitações de espaço, serão apresentados somente a condição de alimentação ideal e os casos considerados mais críticos, conforme indicado na Tabela I.

TABELAI

CASOS ESTUDADOS

Caso Características

1 – Condição

Ideal e Nominal Tensão fundamental de 220 V, 60 Hz.

2 – Interrupção de

Tensão

Tensão nominal de 220 V, 60 Hz; Interrupção da tensão; Duração do evento de 10 ciclos

3 – Elevação de Tensão

Tensão nominal de 220 V, 60 Hz; Elevação para 120% da tensão nominal;

Duração do evento de 10 ciclos.

4 – Transitório Oscilatório de

Tensão

Tensão nominal de 220 V, 60 Hz; Valor de pico da tensão oscilatória cerca de

500 a 660 V;

Freqüência de oscilação de 1 kHz; Constante de tempo equivalente a ¼ ciclo da

V. RESULTADOS

A partir dos estudos citados é possível compreender o comportamento de fontes chaveadas, especialmente aquelas utilizadas em aparelhos televisores, operando sob condições ideais e não ideais de alimentação e, sobretudo avaliar o modelo implementado no ATP.

Para cada situação, as seguintes variáveis são consideradas para ambas as análises, computacional e experimental:

Tensão de alimentação do equipamento; Corrente de entrada;

Os resultados alcançados para a fonte chaveada estudada são apresentados a seguir.

A. Caso 1: Condições Ideais

Este caso considera a operação do aparelho televisor em condições ideais e nominais, e desse modo, servindo como base para os casos subseqüentes. As Figuras 8 (a) e (b) ilustram as formas de onda da tensão e da corrente na entrada do equipamento de forma computacional e experimental, respectivamente. (f ile tv 212.pl4; x-v ar t) factors: offsets: 1 0,00E+00 c:TV0001-XX0001 100 0,00E+00 v :XX0001 1 0,00E+00 9,879 9,899 9,919 9,939 9,959 [s]9,979 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 T T T T 1) C h 1: 100 V 10 m s 2) C h 2: 1 A 10 m s

(a) Computacional (b) Experimental

Fig. 8. Tensão e corrente na entrada do equipamento - Caso 1 - Condição Ideal.

B. Caso 2: Interrupção de Tensão

As Figuras 9 (a) e (b) mostram as formas de onda da tensão e da corrente na entrada do equipamento na mesma seqüência anteriormente apresentada.

(f ile tv 21int2.pl4; x-v ar t) factors: offsets: 1 0,00E+00 c:TV0001-XX0001 20 0,00E+00 v :TV0001 1 0,00E+00 4,8538 4,9401 5,0264 5,1126 5,1989 5,2852[s] 5,3715 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 T T T T 1) C h 1: 100 V 50 m s 2) C h 2: 5 A 50 m s

(a) Computacional (b) Experimental

Fig. 9. Tensão e corrente na entrada do equipamento - Caso 2 - Interrupção de tensão.

C. Caso 3: Elevação de Tensão

As Figuras 10 (a) e (b) ilustram as formas de onda da tensão e da corrente na entrada do equipamento.

(f ile tv 21swell2.pl4; x-v ar t) factors: offsets: 1 0,00E+00 c:TV0001-XX0001 20 0,00E+00 v :TV0001 1 0,00E+00 4,8376 4,9378 5,0380 5,1383 5,2385 [s]5,3387 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 T T T T 1) C h 1: 100 V 50 m s 2) C h 2: 5 A 50 m s

(a) Computacional (b) Experimental

Fig. 10. Tensão e corrente na entrada do equipamento - Caso 3 - Elevação de tensão.

D. Caso 4: Transitório Oscilatório de Tensão

As Figuras 11 (a) e (b) mostram as formas de onda da tensão e da corrente na entrada do equipamento de forma computacional e experimental, respectivamente.

(f ile tv 21transitorio2.pl4; x-v ar t) factors: offsets: 1 0,00E+00 v :TV0001 1 0,00E+00 c:TV0001-XX0001 40 0,00E+00 0,9917 1,0017 1,0117 1,0217 1,0317 [s]1,0417 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1) C h 1: 200 V 5 m s 2) C h 2: 5 A 5 m s

(a) Computacional (b) Experimental

Fig. 11. Tensão e corrente na entrada do equipamento - Caso 4 - Elevação transitória na tensão de fornecimento.

Como pode ser visto nas figuras anteriores, para todas as condições operacionais impostas ao equipamento, o modelo computacional implementado no ATP apresentou uma boa correlação com as formas de onda obtidas nos ensaios laboratoriais, comprovando a eficácia do método utilizado.

VI. CONCLUSÕES

Este artigo apresentou a modelagem realizada para um equipamento eletroeletrônico fundamentado na tecnologia da fonte chaveada, mais especificadamente um aparelho televisor. As representações propostas destinam-se aos estudos de desempenho deste dispositivo quanto alimentado por tensões ideais e não-ideais.

O motivo que norteou a escolha deste princípio operacional se deve a grande difusão deste produto, que utiliza o princípio de chaveamento para sua fonte de potência, e o grande número de solicitações de ressarcimento, comprovadas por dados estatísticos da CEMIG. Neste contexto, surge a necessidade de obtenção de modelos capazes de correlacionar o funcionamento no domínio do tempo de tais equipamentos com eventuais distúrbios responsáveis por danos físicos, adequados para análise de pedidos de ressarcimento de danos a consumidores.

VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] R. C. Dugan, M. F. McGranaghan, H. W. Beaty, Electrical Power Systems Quality, 2nd Edition, USA: McGraw-Hill, 2003.

[2] A. S. Jucá, “Avaliação do Relacionamento entre Consumidores e Concessionárias na Solução de Conflitos por Danos Elétricos: Proposta de Adequação”, Tese de Doutorado em Engenharia Elétrica, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, USP, São Paulo/SP, 2003.

[3] J. C. Oliveira, C. E. Tavares, A. C. Delaiba, M. V. B. Mendonça, I. N. Gondim, K. D. Rodrigues, “Uma Estratégia Computacional para Análise Técnica de Pedidos de Ressarcimento a Nível de Distribuição”, Relatório Técnico 03/07 - “Validação dos Modelos

Computacionais”, CEB-UFU, Brasília/DF,

Uberlândia/MG, Brazil, Maio 2006.

[4] Alternative Transients Program (ATP) Rule Book, Julho 1987.