A Influência da não Linearidade e do Fluxo de
Rea-tivo das Cargas Eletrônicas no Barramento das
Uni-dades Consumidoras e da Concessionária.
CÁTIA SANCHEZ ROBOREDO; MARLLON WELTER SCHLISCHTING; ARNULFO BARROSO DE VAS-CONCELLOS; FABRÍCIO PARRA SANTILHO; ROBERTO PERILLO BARBOSA DA SILVA;
Universidade Federal de Mato Grosso - UFMT. Av. Fernando Corrêa da Costa, nº 2367 - Bairro Boa Esperança. Cuiabá - MT.
TERESA IRENE RIBEIRO DE CARVALHO MALHEIRO;
Instituto Federal de Mato Grosso - IFMT. Avenida Sen. Filinto Müller , 953. Cuiabá - MT.
Resumo O enfoque principal deste artigo é analisar o perfil de lâmpadas LED, tubulares e compactas, presentes em unidades consumidoras dos grupos A e B. O avanço tecnológico atual propiciou um crescente uso de cargas eletrônicas em todos os setores, principalmente, nos consumidores residenciais e comer-ciais. Nas medições em laboratório utilizando lâmpadas LEDs, observou-se que o fluxo de potência reativa injetada no barra-mento é equivalente ou maior ao fluxo de potência ativa consu-mida pelas lâmpadas, podendo influenciar no fator de potência do sistema elétrico. Este artigo apresenta medições em cargas eletrônicas composta por lâmpadas LEDs, comuns em instala-ções de Unidades Consumidoras e analisa sua influência no sistema de tarifação e na qualidade da energia.
Palavras-chaves Eficiência Elétrica, Qualidade de Energia, Fluxo de Potência Reativa, Lâmpadas de LED, Lâmpadas Fluo-rescentes.
I. INTRODUÇÃO
qualidade da energia elétrica entregue pelas empresas distribuidoras aos consumidores sempre foi objeto de interesse. Porém, até algum tempo atrás, a qualidade de ener-gia elétrica tinha a ver, sobretudo, com a continuidade dos serviços de distribuição, baseados na disponibilidade do sis-tema e dos parâmetros da rede. Para tanto, era necessário o estudo de estado do sistema, para definir meios de manter o sistema operando com qualidade.
Porém, a crescente evolução da eletrônica proporcionou o aumento do uso de equipamentos eletroeletrônicos, introdu-zindo no sistema elétrico um grande número de cargas eletrô-nicas, de forma que os estudos a serem realizados em um sistema elétrico não podem mais desconsiderar a influência de tais cargas e as suas consequências. Por exemplo, ao reali-zar os estudos do fluxo de potência em um sistema, estes sempre levaram ao uso de elementos lineares, banco de capa-citores e indutores, para a compensação de reativos e controle do nível de tensão. Entretanto, analisando o comportamento de certas cargas eletrônicas, observa-se um fluxo de reativo capacitivo que pode se comportar como uma compensação interna do sistema.
As compensações de reativos através das cargas eletrôni-cas presentes no sistema impactariam no desempenho deste e
também no faturamento do excedente de energia elétrica reativa, principalmente em sistemas predominantemente indutivos. Como já é de conhecimento, grandes consumidores são penalizados através da tarifação de energia reativa exce-dente, caso, por exemplo, de indústrias que operam com um significativo número de motores elétricos de indução com fator de potência inferior ao estabelecido por norma. Nesse sentido, o comportamento do fluxo de reativo das cargas eletrônicas pode ajudar na compensação de reativo, dimi-nuindo a quantidade de banco de capacitores a serem instala-dos.
Desta forma, este artigo tem como objetivo analisar o flu-xo de potência reativa de cargas eletrônicas, especificamente de lâmpadas LEDs compactas e tubulares [1].
II. CONSIDERAÇÕES REFERENTES À ENERGIA REATIVA EXCEDENTE NO SISTEMA ELÉTRICO A Resolução Normativa nº 414 [2], de 9 de Setembro de 2010, que estabelece as condições gerais de fornecimento de Energia Elétrica de forma atualizada e consolidada, diz que para os consumidores do grupo A, o fator de potência de referência “fr”, indutivo ou capacitivo, tem como limite mí-nimo permitido, o valor de 0,92.
“Aos montantes de energia elétrica e demanda de potência reativa que excederem o limite permitido, aplicam-se as co-branças estabelecidas nos arts. 96 e 97, a serem adicionadas ao faturamento regular de unidades consumidoras do grupo A, incluídas aquelas que optarem por faturamento com apli-cação da tarifa do grupo B nos termos do art. 100.” (Resolu-ção Normativa nº414, 2010, p. 84)
“Art. 96. - Para unidade consumidora que possua equipa-mento de medição apropriado, incluída aquela cujo titular tenha celebrado o CUSD, os valores correspondentes à ener-gia elétrica e demanda de potência reativas excedentes são apurados conforme as seguintes equações:” (Resolução Nor-mativa nº414, 2010, p. 84-87)
Sendo:
ERE: valor correspondente à energia elétrica reativa exce-dente à quantidade permitida pelo fator de potência de refe-rência “fr”, no período de faturamento, em Reais (R$);
EEAMT: montante de energia elétrica ativa medida em ca-da intervalo “T” de 1 (uma) hora, durante o período de fatu-ramento, em Megawatt-hora (MWh);
fr: fator de potência de referência igual a 0,92;
ft: fator de potência da unidade consumidora, calculado em cada intervalo “T” de 1 (uma) hora, durante o período de faturamento;
VRERE: valor de referência equivalente à tarifa de energia "TE" aplicável ao subgrupo B1, em Reais por megawatt-hora (R$/MWh);
DRE(p): valor, por posto tarifário “p”, correspondente à demanda de potência reativa excedente à quantidade permiti-da pelo fator de potência de referência “fr” no período de faturamento, em Reais (R$);
PAMT: demanda de potência ativa medida no intervalo de integralização de 1 (uma) hora “T”, durante o período de faturamento, em quilowatt (kW);
PAF(p): demanda de potência ativa faturável, em cada posto tarifário “p” no período de faturamento, em quilowatt (kW);
VRDRE: valor de referência, em Reais por quilowatt (R$/kW), equivalente às tarifas de demanda de potência - para o posto tarifário fora de ponta - das tarifas de forneci-mento aplicáveis aos subgrupos do grupo A para a modalida-de tarifária horária azul e das TUSD-Consumidores-Livres, conforme esteja em vigor o Contrato de Fornecimento ou o CUSD, respectivamente;
MAX: função que identifica o valor máximo da equação, dentro dos parênteses correspondentes, em cada posto tarifá-rio “p”;
T: indica intervalo de 1 (uma) hora, no período de fatura-mento;
p: indica posto tarifário ponta ou fora de ponta para as modalidades tarifárias horárias ou período de faturamento para a modalidade tarifária convencional binômia;
n1: número de intervalos de integralização “T” do período de faturamento para os postos tarifários ponta e fora de ponta; n2: número de intervalos de integralização “T”, por posto tarifário “p”, no período de faturamento.
Assim sendo, por mais que o valor a ser pago seja referen-te ao Reativo Excedenreferen-te, esreferen-te é proporcional ao montanreferen-te da energia elétrica ativa medida no intervalo de tempo referente à medição e a relação do fator de potência de referência com o fator de potência da unidade consumidora.
Para a apuração dessas grandezas, há também um período de 6 (seis) horas consecutivas (a critério da distribuidora) entre 23h 30min e 6h e 30min, no qual se considera apenas os fatores de potência “ft” inferiores a 0,92 capacitivo, verifica-dos em cada intervalo de uma hora “T”. Ao período diário
complementar, se considera apenas os fatores de potência inferiores a 0,92 indutivo, verificados no mesmo tempo.
Sendo as cargas estudadas nesse trabalho de natureza ele-trônica e capacitiva, há então uma influência direta na sua utilização com a medição dos valores de reativo excedente descrito na resolução normativa, pois estas, em tese, ao inje-tar reativo capacitivo no barramento, contribuem para a alte-ração no valor do fator de potência registrado a cada hora. Esta situação levanta novas discussões no meio acadêmico sobre de que maneira e quão relevante será essa influência, em função do considerável acréscimo de cargas eletrônicas nos barramentos residenciais, comerciais e industriais.
III.CONSIDERAÇÕES REFERENTES ÀS DISTORÇÕES H ARMÔNI-CAS NOS SISTEMAS ELÉTRICOS
Para a rede básica de energia, o Operador Nacional do Sis-tema (ONS) estabelece, desde 2002, parâmetros de qualidade para a tensão suprida. Mas, do ponto de vista do consumidor, as restrições a serem consideradas são (na maioria) as do sistema de distribuição, as quais ainda estão em discussão.
A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), no do-cumento “Procedimentos de distribuição de energia elétrica no sistema elétrico nacional – PRODIST Módulo 8 – Quali-dade da Energia Elétrica” [3], propõe valores de referência para a distorção harmônica da tensão no sistema de distribui-ção, tal como ilustrado na Tabela I.
TABELAI.VALORES DE REFERÊNCIA DE DTT Tensão Nominal do
Barramento
Distorção Harmônica Total de Tensão [%]
Vn ≤ 1 kV 10
1 kV ≤ Vn ≤ 13,8 kV 8
13,8 kV ≤ Vn ≤ 69 kV 6
69 kV ≤ Vn ≤ 138 kV 3
As lâmpadas LEDs utilizadas na experiência laboratorial apresentam características não lineares, o que resulta em formas de onda de correntes com significativas distorções. Entretanto, para as tensões no barramento de suprimento das cargas, não se observou distorções harmônicas significativas, permanecendo dentro dos limites recomendados pela resolu-ção normativa estabelecida pela ANEEL [4]. Assim, inde-pendentemente da carga eletrônica ser linear, ou não linear, o comportamento do fluxo da potência reativa apresenta-se de forma análoga, ou seja, no sentido da carga para a fonte, caracterizando fluxo de potência reativa capacitiva.
Os equipamentos empregados para o registro das grande-zas elétricas das lâmpadas no laboratório correspondem ao analisador de energia MARH-21, fabricante RMS, ilustrado na Fig. 1 e o Fluke434, que são medidores registradores de grandezas em tempo real para sistemas elétricos monofásicos, bifásicos e trifásicos em baixa, média e alta tensão.
Fig. 1. Analisador de energia utilizado na medição VI.MEDIÇÕES EM LABORATÓRIO
Para este estudo, foi utilizado em laboratório um conjunto de 3 diferentes tipos de lâmpadas LEDs, de variadas potên-cias ativas, que foram analisadas separadamente, conforme apresentado na Tabela II. Posteriormente, foram realizadas medições, através do uso de medidores de grandezas elétricas e analisadores de energia, para avaliar o comportamento do fluxo da potência reativa das cargas eletrônicas no barramen-to do sistema elétrico. Conduziram-se estudos tanbarramen-to da com-pensação reativa, quanto da qualidade da energia.
TABELA II.CARACTERÍSTICAS DAS LÂMPADAS.
Tipo de lâmpada LED Potência Tensão Tubular 20W 220V Compacta 10W 127V Compacta 12W 127V Inicialmente, foram realizadas medições de formas de on-da de tensões, correntes além de potências ativas e reativas e fator de potência em diferentes tipos de lâmpadas LED, ge-ralmente presentes em Unidades Consumidoras dos grupos A e B.As formas de ondas da tensão e corrente no barramento do laboratório que alimenta a lâmpada LED tubular de 20W e 220V estão ilustradas na Fig. 2, onde pode-se observar que a forma de onda da tensão é praticamente senoidal. A forma de onda da corrente apresentou a presença de harmônicas de corrente de sequências positiva, negativa e zero, como mostra o espectro harmônico da corrente ilustrado na Fig. 3 [5] e [6].
Fig. 2 - Formas de ondas da tensão e corrente da lâmpada LED tubular de 20W, medida em laboratório.
Fig. 3.Espectro harmônico da corrente da lâmpada LED tubular de 20 W.
A Fig. 4 ilustra o diagrama fasorial da tensão e corrente que alimenta a lâmpada LED, obtido através do analisador de energia Fluke. Nota-se que a corrente está adiantada em rela-ção à tensão.
Fig. 4. Diagrama fasorial da tensão e corrente que alimenta a lâmpada LED tubular de 20W.
A Fig. 5 mostra que o fluxo das potências ativas e reativas no barramento que alimenta a lâmpada LED tubular caracte-riza uma absorção de 20W de potência ativa e uma injeção de 20VAr de potência reativa capacitiva. A Fig. 5 ilustra tam-bém a diferença entre o fator de deslocamento, que representa o cosseno do ângulo da tensão e corrente em 60 Hz (DPF), cujo valor é 0,95, e o fator de potência (PF) que leva em conta todas as frequências presentes na forma de onda da corrente, sendo esta de valor bem menor e igual a 0,65. A relação entre potência ativa retirada do barramento e potência reativa injetada é ilustrada na Fig. 6.
Fig. 5. Tela capturada do analisador de energia elétrica Fluke indicando a característica de potência reativa capacitiva injetada no sistema pela lâmpada
LED tubular de 20W.
Fig. 6. Potência ativa absorvida e potência reativa capacitiva injetada pela lâmpada LED tubular de 20W no barramento de energia elétrica do sistema.
Prosseguindo na análise do comportamento da qualidade de energia e do fluxo de reativo das cargas eletrônicas conec-tadas a um barramento, analisou-se uma lâmpada LED com-pacta de 10W e 127V encontrada no mercado oficial com um fabricante que possui o Selo do Inmetro [7].
A Fig. 7 ilustra as formas de onda da tensão e corrente so-licitada pela lâmpada ao barramento. A forma de onda da tensão não apresentou distorção harmônica significativa, já a forma da corrente apresentou uma forte presença de harmôni-cas de sequências positivas, negativas e zero, ilustradas no espectro harmônico de corrente da Fig. 8.
Fig. 7.Forma de onda da corrente da fase "a" em relação a tensão da lâmpada LED compacta de 10W.
Fig. 8. Espectro harmônico de corrente da lâmpada LED compacta de 10W. No diagrama fasorial entre a tensão e corrente ilustrada na Fig.9, percebe-se que a corrente está adiantada em relação a tensão. Dessa maneira, nota-se a característica capacitiva da lâmpada de LED, comprovada na Fig.10 pela imagem retira-da do analisador de energia.
Fig. 9.Diagrama fasorial entre a tensão e corrente que alimenta a lâmpada LED compacta de 10W.
Fig. 10.Tela capturada do analisador de energia elétrica Fluke indicando a característica de potência reativa capacitiva injetada no sistema pela lâmpada
LED compacta de 10W.
São ilustradas na Fig.11 a potência ativa absorvida e a po-tência reativa injetada no barramento pela lâmpada de LED. Percebe-se, nesse gráfico, que a potência ativa absorvida é equivalente a potência reativa injetada.
Fig. 11.Potência ativa absorvida e potência reativa capacitiva injetada pela lâmpada LED compacta de 10W no barramento de energia elétrica do
siste-ma.
Para uma analise diferenciada, foi realizada uma medição através dos analisadores de energia em uma lâmpada LED compacta de 12W e 127V encontrada no mercado paralelo.
Novamente, foram analisadas as formas de ondas da ten-são e corrente solicitadas pela lâmpada ao barramento, con-forme mostrado na Fig. 12.Verificou-se que, similarmente às medições anteriores, a forma de onda da tensão não apresen-tou distorção harmônica significativa, já a forma da corrente apresentou um forte conteúdo harmônico de sequências posi-tivas, negativas e zero, ilustradas no espectro harmônico da corrente da Fig.13.O elevado conteúdo harmônico observado pode ser justificado pela ausência de filtro em determinados fabricantes quando comparados com as lâmpadas de fabrican-tes que possuem um controle de qualidade [8].
Fig. 12.Formas de ondas da tensão e corrente da lâmpada LED compacta de 12W do mercado paralelo.
Fig. 13. Espectro harmônico de corrente da lâmpada LED compacta de 12W do mercado paralelo.
De acordo com a Fig. 14, que ilustra o diagrama fasorial da tensão e corrente que alimenta a lâmpada LED compacta de 12W obtido no analisador de energia, percebe-se que a corrente está adiantada em relação à tensão, mostrando sua característica capacitiva. Essa característica é reforçada na Fig.15 através da tela retirada do analisador de energia Fluke.
Fig. 14.Diagrama fasorial da tensão e corrente que alimenta a lâmpada LED compacta de 12W do mercado paralelo.
Fig. 15.Tela capturada do analisador de energia elétrica Fluke indicando a característica de potência reativa capacitiva injetada no sistema pela lâmpada
LED compacta de 12W do mercado paralelo.
Observando-se a característica da potência ativa e reativa nesse tipo de carga eletrônica específica, evidencia-se através da tela da Fig.15 e do gráfico da Fig.16, uma maior injeção de potência reativa no barramento do sistema analisado em relação à potência ativa absorvida pela lâmpada.
Fig. 16. Potência ativa absorvida e potência reativa capacitiva injetada pela lâmpada LED compacta de 12W do mercado paralelo no barramento de
energia elétrica do sistema.
Analisando os resultados obtidos em relação à qualidade da energia, observou-se que a lâmpada LED do mercado parale-lo apresentou uma distorção harmônica total de corrente em torno de 130%, muito superior a distorção apresentada pela lâmpada LED do mercado oficial que ficou em torno de 70%. Isto pode acarretar um aumento significativo no valor eficaz verdadeiro da corrente, devido a forte presença das harmôni-cas de sequência positiva, negativa e zero na lâmpada LED do mercado paralelo. Um aumento também significativo nas harmônicas de sequência zero pode acarretar um acréscimo na corrente do neutro dos sistemas onde estas lâmpadas fo-rem conectadas. Quanto à injeção de potência reativa capaci-tiva no barramento, pelas cargas eletrônicas constituídas pelas lâmpadas LED’s, tanto tubulares, quanto compactas, estas podem melhorar o fator de potência nas dezoito horas do horário indutivo, onde se exige que o fator de potência fique acima de 0,92 indutivo, proporcionando uma diminui-ção do excedente de energia reativa cobrado das Unidades Consumidoras do Grupo A neste período. Entretanto, nas seis horas complementares, onde se exige que o fator de potência fique acima de 0,92 capacitivo, a característica capacitiva destas cargas eletrônicas injetando reativo no barramento, podem aumentar o excedente de energia reativa faturado das Unidades Consumidoras, também do Grupo A [9].
V.CONCLUSÃO
No presente artigo foi analisada a influência das cargas eletrônicas na qualidade da energia e no sistema de tarifação, quando conectadas nos barramentos das unidades consumido-ras dos grupos B e A. Nos experimentos laboratoriais foram utilizadas lâmpadas LEDs tubulares e compactas com fortes características não lineares. Através dos dados registrados nos analisadores de energia foi possível observar um fluxo de reativo capacitivo para o barramento de alimentação. A não linearidade das cargas eletrônicas proporcionou uma elevada distorção de corrente, com a presença significativa das har-mônicas de sequências positivas, negativas e zero, que pode-rão elevar o valor eficaz das correntes nas fases do barramen-to e no condubarramen-tor neutro, através da circulação das harmônicas
de sequência zero. Portanto, os barramentos dos sistemas elétricos das Unidades Consumidoras dos grupos B e A que apresentam um elevado número de cargas eletrônicas, devem ser constantemente monitorados, para verificar as condições de aquecimento dos condutores das fases e do neutro, devido a presença das correntes de múltiplas frequências injetadas. A injeção de potência reativa capacitiva no barramento pelas cargas eletrônicas pode contribuir para a alteração do fator de potência das unidades consumidoras e consequentemente influenciar no cálculo do excedente de energia reativa, tanto no horário indutivo, quanto no horário capacitivo. É impor-tante lembrar que, assim como as lâmpadas LEDs utilizadas para análise neste trabalho, as lâmpadas fluorescentes com-pactas apresentam também forte não linearidade e injeção de reativo capacitivo no barramento. Ambas as tecnologias têm sido recomendadas aos consumidores do grupo B e A, para substituição das lâmpadas incandescentes, com o intuito de contribuir para uma maior eficiência elétrica, no que tange o consumo de energia ativa. Por fim, verifica-se a necessidade de estudos mais aprofundados sobre o impacto da injeção de reativo pelas cargas eletrônicas em Unidades Consumidores do grupo B e A e a influencia destas no sistema de tarifação de energia. Além disso, os estudos devem contemplar tam-bém análises da interferência das múltiplas frequências das correntes injetadas pelas cargas eletrônicas não lineares nas Unidades Consumidoras e nos barramentos da concessionária distribuidora de energia.
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VI. REFERÊNCIAS
[1] Bullough, J. D. “Lighting Answers: Led Systems”. National Lighting Product Information Program, Lighting Research Cen-ter, Rensselaer Polytechnic Institute. Vol. 7, Issue 3, 2003. [2] ANEEL. Resolução Normativa nº414. 9 de setembro de 2010. [3] ANEEL. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no
Sistema Elétrico Nacional (Prodist), módulo 8.
[4] ANEEL. Resolução Normativa nº641. 01 de janeiro de 2015. [5] IEEE Task Force, “The Effects of Power System Harmonics on
Power System Equipment and Loads”, IEEE Trans. Power App. and Systems, vol. 104, no. 9, Set. 1985, pp. 2555-2563. [6] Castro, A. G.; Muños, A. M.; Bollen, M.. “Estudo de harmônicos
em lâmpadas com uso da norma IEC 61000-3-6”. Revista Elet-ricidade Moderna. Ed. 479. págs. 110 – 117. Fev. 2014.
[7] Knoop, M.. “Medidas para qualidade da iluminação interna com sistemas a LEDs”. Revista Eletricidade Moderna. Ed. 459. págs. 50 – 59. Jun. 2012.
[8] R. D. Henderson e P. J. Rose, “Harmonics: The Effects on Power Quality and Transformers,” IEEE Trans. Industry Applications, vol. 30, 1994, pp. 528-532.
[9] IEEE Standard 519-1992, “Recommended Practices and Re-quirements for Harmonic Control in Electric Power Systems”, 1992.
