Análise das Distorções Harmônicas Geradas pela Proteção de Equipamentos de TI

Análise das Distorções Harmônicas Geradas pela

Proteção de Equipamentos de TI

Márcio Zamboti Fortes, Rafael Antunes de Souza e Marcos Riva Suhett

Carlos Jesivan Marques Albuquerque

Universidade Severino Sombra. Av. Exp. Oswaldo de Almeida Ramos, 280, Vassouras - RJ Resumo  Análises de perturbações harmônicas tornaram-se

mais importantes a partir da década de noventa, quando a utilização de equipamentos eletrônicos passou a crescer de forma mais intensa nas instalações prediais, comerciais e industriais em geral. Dentre esses dispositivos estão os aplicados como proteção aos monitores, CPU’s e no-breaks de empresas do setor de Tecnologia da Informação (TI). Pode-se dizer que na atualidade é essencial o emprego destes dispositivos. Porém, provocam deterioração da qualidade de energia, através de deformações provocadas nas formas de onda presentes nas instalações elétricas, o que resulta nas chamadas tensões e correntes harmônicas. Este trabalho objetiva estudar os harmônicos causados pelos principais conjuntos de equipamentos empregados em TI presentes no mercado, incluindo-se de forma particular os dispositivos de proteção, envolvendo medições práticas e respectivas análises, das correntes e tensões harmônicas provocadas, e os efeitos produzidos pelo uso destes aparelhos de proteção.

Palavras-chaves  Harmônicos, Qualidade de Energia, Equipamentos de TI.

I.INTRODUÇÃO

Nos últimos anos, o uso crescente de equipamentos elétricos e eletrônicos cada vez mais sofisticados tem propiciado um maior conforto para os usuários e uma melhoria na eficiência energética. Em paralelo, programas de conservação de energia passaram a ter um enfoque de maior destaque nas concessionárias de energia elétrica, em particular a partir do racionamento de energia elétrica ocorrido em 2001 [1].

Estes cenários impulsionaram uma maior entrada no mercado de equipamentos eficientes, porém não-lineares, nas residências brasileiras e também em estabelecimentos comerciais. Dentre esses equipamentos, estão os aplicados a empresas do setor de Tecnologia da Informação (TI), como os no-breaks, os monitores e as CPU’s. Os equipamentos categorizados como de TI constituem a principal carga não-linear em consumidores residenciais e comerciais e, conseqüentemente, na rede que os abastece. Mas junto com as diversas vantagens que propiciam, trazem o inconveniente de provocar deterioração da qualidade de energia, caracterizadas por deformações nas formas de onda presentes nas instalações elétricas, resultando tensões e correntes harmônicas.

M.Z.Fortes, mzf@vm.uff.br; R.A.Souza, rafantuness@hotmail.com; M.R. Suhett, marcosriva@yahoo.com.br, Tel. +55-21-2629-5358; C.J.M.Albuquerque, cjesivan@ig.com.br, Tel. +55-24-2471-8200;

Os harmônicos podem causar diversos efeitos na rede, como sobrecargas e sobreaquecimentos em determinados equipamentos e elementos da rede (motores, transformadores, os próprios condutores, etc.) com isso aumentando perdas elétricas, mas podendo também causar sérios danos, como os decorrentes de incêndios. Também podem ser fontes de problemas na segurança da informação, por serem por vezes causadoras de interferências no envio de informações binárias, como por exemplo, entre dois dispositivos de comando e controle. Podem também ser o motivo de queima de equipamentos de TI, como HD’s (discos rígidos), ou simplesmente, ser o motivo de falha de equipamentos de controle. Os equipamentos categorizados como de TI constituem a principal carga não-linear em consumidores residenciais e comerciais e, conseqüentemente, na rede que os abastece.

Em geral, grande parte das instalações elétricas ainda existentes foram projetadas para operar com uma forma de onda senoidal de freqüência fixa (50 ou 60 Hz), muito tempo antes de se conhecer o efeito harmônico e, mesmo depois de conhecido os efeitos e as causas deles, grande parte das instalações continuavam sendo projetadas sem considerá-los, pois não existiam normas sobre o tema [2].

Com o surgimento de normas internacionais que estabelecem limites para a emissão de harmônicos na rede, a ocorrência de projetos que levavam em consideração a presença de harmônicos se tornou mais acentuada. Porém, ainda assim essas normas não são tão restritivas quanto o recomendável pelos técnicos e engenheiros do setor.

No Brasil, o fornecimento de energia elétrica aos consumidores é regido por regulamentações formalizadas pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), que abrangem a qualidade de serviço e qualidade de produto. O primeiro é basicamente entendido como o quanto a empresa é capaz de minimizar as interrupções no sistema, sejam elas por curtos-circuitos ou por manutenções programadas. Já a segunda é caracterizada pela forma de onda de tensão provida.

II.METODOLOGIA,EQUIPAMENTOS ENSAIADOS E PARÂMETROS MEDIDOS

A. Instrumento de Medição utilizado

Utilizou-se nos ensaios o medidor “Power Platform 4300”, da Dranetz-BMI, instrumento que funciona ao mesmo tempo como multímetro de verdadeiro valor eficaz (mede sinais que

não são senoidais), osciloscópio, medidor de harmônicos e registrador (permite gravar na memória os dados coletados). Este instrumento permite medir todos os parâmetros relacionados a harmônicos, como a ordem do harmônico, sua freqüência, o valor eficaz de cada harmônico, fator de potência e a distorção harmônica total.

A Fig.1 ilustra este medidor.

B. Metodologia e Local de Medição

Para as medições dos equipamentos de TI, foram obtidos, através do medidor, os dados da tensão, da corrente, do THD de tensão, da Distorção Harmônica Total (THD) de corrente e dos módulos e ângulos de cada harmônico de corrente.

Fig. 1. Medidor Power Plataform 4300.

Como o enfoque deste trabalho é em harmônicos, os resultados apresentados serão de corrente, sendo mostrada sua forma de onda, harmônicos, valor eficaz e fator de crista (FC) no instante da medição. Para a tensão, foi extraído do medidor apenas o THD. Arquivou-se esta forma de onda no instrumento para comparações, se necessárias.

Em relação aos harmônicos de corrente, foram guardados somente até o de 31ª ordem, pois em todos os casos, os valores medidos para ordens acima deste foram muito pequenos (abaixo de 1% da componente fundamental). Como outro aspecto nos casos estudados, quase sempre se mostraram significativamente os harmônicos ímpares. Dentre os equipamentos de TI, os pares só apareceram nos no-breaks quando estes alimentavam as cargas pela sua própria fonte de alimentação.

Para facilitar a visualização das formas de onda no computador, elaborou-se um programa no Microsoft Excel, onde se digitam os valores da magnitude e do ângulo de cada harmônico e o programa mostra a forma de onda.

Os ensaios foram realizados no Laboratório de Medidas da Universidade Federal Fluminense (UFF) em Niterói. A fig.2 ilustra o local dos ensaios, com alguns dos equipamentos avaliados.

Fig. 2. Exemplo de uma das medições.

Cabe ressaltar que os ensaios se realizaram em condições idênticas quanto à qualidade relacionada à fonte de

alimentação dos equipamentos, com THDmédio de 5% na

tensão de alimentação, presença de 3º e 5º harmônicos (com 4,2% e 2,7%, respectivamente) e valor eficaz entre fase-neutro de 123 V. Procurou-se manter em todos os ensaios uma distancia de 2 metros entre o alimentador e a carga. C. Caracterização dos Equipamentos Ensaiados

A Tabela I traz as características dos equipamentos de TI e um número relacionado a cada fabricante. A amostra considerada consistiu de 03 (três) monitores e 03 (três) CPU’s, de diversos tipos e fabricantes. Na Tabela I os fabricantes estão numerados apenas conforme o tipo de aparelho. Assim, equipamentos de tipos diferentes com o mesmo número não necessariamente são do mesmo fabricante.

TABELAI. EQUIPAMENTOS DE TIENSAIADOS

FABRICANTE EQUIPAMENTO

1 Monitor convencional 15” 2 Monitor convencional 14” 3 Monitor LCD 17”

1 CPU 512 Mb, Processador Pentium III, 1,2 GHz 2 CPU 3 Gb, Processador Core 2 Duo 2,3 GHz 3 CPU 2 Gb, Processador Athlon XP, 1,7 GHz

III–MEDIÇÕES INICIAIS

A. Medições sem Dispositivos de Proteção

A Tabela II traz os equipamentos de TI medidos e respectivos THD’s associados. As medições iniciais foram realizadas com os equipamentos ligados diretamente à rede (sem dispositivos de proteção ou filtros ligados entre ele e a

rede). Como a rede já apresentava THDV médio de 5%, os

resultados dos THDV apresentados comprovam que não

ocorreu nenhuma alteração significativa neste parâmetro de analise.

As formas de onda de tensão e corrente encontradas, medindo-se no ponto de conexão dos equipamentos, estão ilustradas nas Figs. 3 e 4.

O espectro harmônico apresentado como exemplo na Fig. 5 é do monitor do fabricante 1.

Todos os equipamentos apresentaram aspectos gráficos dos resultados e demais leituras associadas próximas entre si. De uma forma geral, em todos os ensaios, a 3ª harmônica mostrou-se a mais acentuada (em torno de 80%), seguida pela 5ª (60%) e depois pela 7ª (35%). O Fator de Crista (FC) médio apresentado foi 2,6.

TABELAII. THD´S DOS EQUIPAMENTOS DE TI Item Aparelho THD (%) V I 1 Monitor fab. 1 5,1 109 2 Monitor fab. 2 5,2 106 3 Monitor fab. 3 5,2 109 4 CPU fab. 1 + Monitor fab. 1 5,3 112 5 CPU fab. 1 + Monitor fab. 2 5,2 105 6 CPU fab. 1 + Monitor fab. 3 5,1 111 7 CPU fab. 2 + Monitor fab. 1 5,2 106 8 CPU fab. 2 + Monitor fab. 2 5,2 108 9 CPU fab. 2 + Monitor fab. 3 5,3 104 10 CPU fab. 3 + Monitor fab. 1 5,2 109 11 CPU fab. 3 + Monitor fab. 2 5,2 111 12 CPU fab. 3 + Monitor fab. 3 5,3 108

Fig. 3 Forma de onda de tensão no ponto de conexão dos equipamentos

.

Fig. 4 Forma de onda de corrente do monitor do fabricante 1

Fig. 5. Harmônicos individuais de corrente do monitor do fabricante 1.

IV.ESTUDOS DE CASOS: EQUIPAMENTOS DE TI +

APARELHOS DE PROTEÇÃO [3]

Os equipamentos de TI dependem de um fornecimento estável de energia, responsabilidade que recai sobre a fonte de alimentação própria, em geral capaz de oferecer um nível moderado de proteção, incluindo filtragem de ruídos e proteção contra picos de tensão. Proteções adicionais como filtros de linha, estabilizadores de tensão e no-breaks, servem como uma primeira linha de defesa contra problemas diversos, oferecendo níveis variados de isolamento em relação aos problemas da rede elétrica.

Diversas combinações equipamentos de TI + aparelhos de proteção (filtros de linha, estabilizadores de tensão e no-breaks) foram ensaiadas. O objetivo foi ressaltar possível eficácia quanto à mitigação de harmônicos provocados, proporcionada pela proteção.

As medições foram realizadas em dois pontos: próximo ao terminal da carga (entre o aparelho de proteção e a carga – local de medição 1) e próximo ao ponto de alimentação da rede (entre a rede e o aparelho de proteção – local de medição 2). A Fig. 6 mostra estes pontos de medição, bem como a posição dos instrumentos para leitura e registro dos parâmetros em analise. Em todos os casos, a distância aproximada entre os pontos de medição 1 e 2 foi de 02 (dois) metros.

Fig. 6. Indicação dos locais de medição (LM).

A. Caso I – Equipamento de TI + Estabilizador de Tensão

Os estabilizadores, embora muito usados até a década de 1970, já caíram em desuso na maior parte do mundo. A principal exceção continua sendo o Brasil, onde ainda são massivamente produzidos até os dias de hoje. Os componentes básicos de qualquer estabilizador são um transformador e um seletor mecânico (relé), que ajusta a tensão segundo alguns degraus lógicos de aumento e redução (-12V, -6V, +6V, +12V, etc.) e na medida do possível tenta usá-los para ajustar a tensão de saída, mantendo-a próximo de 115 V. Estabilizadores de melhor qualidade incluem também varistores e um fusível, que oferecem um nível básico de proteção. Normalmente seguem a norma NBR 14373, norma da ABNT para estabilizadores de até 3 kVA, publicada em 2006.

Os resultados das medições realizadas entre os diversos aparelhos de TI e o estabilizador de tensão estão descritos na Tabela III.

Os filtros de linha são os dispositivos de proteção mais simples, geralmente baseados em um fusível e um ou mais Varistores de Óxido de Zinco (MOV), oferecendo alguma proteção, a custo baixo. Entretanto, a falta de normas claras sobre o que um filtro deve ou não fazer, permite que a qualidade dos dispositivos à venda no Brasil varie muito. Alguns oferecem proteção apenas contra raios (todos os demais problemas com a corrente elétrica passam por eles). Estes servem mais como extensões do que como dispositivos de proteção.

TABELAIII. VALORES DE CORRENTE E TENSÃO -CASO I

Nº Carga LM Corrente Tensão Irms THDi total Vrms THDv total 1 Monitor fab. 1 1 0,45 111 115 5,5 2 Monitor fab. 1 2 0,44 106 124 5,3 3 Monitor fab. 3 1 0,25 107 115 5,4 4 Monitor fab. 3 2 0,25 101 124 5,3 5 CPU fab. 1 + Monitor fab. 3 1 0,81 102 114 5,5 6 CPU fab. 1 + Monitor fab. 3 2 0,77 99 122 5,2 7 CPU fab. 2 + Monitor fab. 1 1 1,03 103 115 5,5 8 CPU fab. 2 + Monitor fab. 1 2 1,00 98 123 5,3 9 _{Monitor fab. 2} CPU fab. 3 + 1 1,05 105 115 5,4 10 CPU fab. 3 +

Monitor fab. 2 2 1,03 100 124 5,2 11 3 Monitores fab. 3 1 0,72 103 115 5,4 12 3 Monitores fab. 3 2 0,70 99 123 5,1

Existe um padrão de qualidade para filtros de linha, que contém especificações mínimas para garantir que o produto realmente seja capaz de proteger contra os problemas mais comuns. Bons filtros de linha são geralmente anunciados como Dispositivo de Proteção contra Surtos (DPS). Este foi o modelo do filtro de linha utilizado nas medições. Além da proteção contra raios, fornece uma tensão alternada de saída de 115 V, possui LED’s indicadores de quando os varistores deixam de oferecer proteção. Possuem também capacitores, um disjuntor, bobinas de ferrite e fusíveis térmicos.

Os resultados das medições feitas envolvendo os diversos equipamentos de TI associados ao filtro de linha são mostrados na Tabela IV.

Comparando as reduções resultantes da conexão do estabilizador com as resultantes da conexão do filtro, ficou evidenciado que o filtro de linha atenua um pouco mais a presença de harmônicos de corrente do que o estabilizador de tensão, sendo essa redução, entretanto, ainda pouco significativa. Essa atenuação se deve às bobinas de ferrite, que funcionam como indutância série para o circuito, como o transformador funciona no caso do estabilizador.

TABELAIV. VALORES DE CORRENTE E TENSÃO -CASO II

Nº Carga LM Corrente Tensão Irms THDi total Vrms THDv total 1 Monitor fab. 1 1 0,47 111 115 5,6 2 Monitor fab. 1 2 0,47 101 123 5,4 3 Monitor fab. 3 1 0,27 103 115 5,5 4 Monitor fab. 3 2 0,27 92 123 5,3 5 CPU fab. 1 + Monitor

fab. 1 1 1,05 104 115 5,5 6 CPU fab. 1 + Monitor

fab. 1 2 1,05 94 123 5,3 7 CPU fab. 2 + Monitor _{fab. 2} 1 1,04 105 115 5,6 8 CPU fab. 2 + Monitor

fab. 2 2 1,04 93 122 5,4 9 3 Monitores fab. 3 1 0,73 103 115 5,6 10 3 Monitores fab. 3 2 0,71 94 122 5,3

C. Caso III – Equipamento de TI + No-Break

Também conhecido como Uninterrupt Power System ou Sistema Ininterrupto de Energia (UPS), o no-break mantém a energia fornecida sem interrupções, mesmo durante os distúrbios causados na energia, como afundamento, interrupção etc. Outra função do no-break é fornecer ao sistema que estiver ligado um sinal condicionado, ou seja, estabilizado e dentro de parâmetros estabelecidos, de forma a eliminar os indesejáveis distúrbios que ocorram na rede à montante do equipamento [4].

Os resultados das medições feitas envolvendo os diversos equipamentos de TI associados ao no-break são mostrados na Tabela V.

TABELAV. VALORES DE CORRENTE E TENSÃO -CASO III

Nº Carga LM Corrente Tensão Irms THDi total Vrms THDv total 1 Monitor fab. 1 1 0,45 107 122 5,6 2 Monitor fab. 1 2 0,48 96 122 5,6 3 Monitor fab. 3 1 0,28 107 122 5,5 4 Monitor fab. 3 2 0,32 93 122 5,6 5 CPU fab. 1 + Monitor fab. 3 1 0,88 108 122 5,7 6 CPU fab. 1 + Monitor fab. 3 2 0,92 103 122 5,8 7 _{Monitor fab. 2} CPU fab. 1 + _{1 1,12 103 123 5,7} 8 CPU fab. 1 + Monitor fab. 2 2 1,18 92 122 5,8 9 CPU fab. 3 + Monitor fab. 3 1 0,87 107 122 5,8 10 CPU fab. 3 + Monitor fab. 3 2 0,91 104 122 5,8 11 2 Monitores fab.3 1 0,51 107 122 5,8 12 2 Monitores fab.3 _{2 0,55 98 123 5,8}

As Figs. 7, 8 e 9, ilustram alguns espectros com configurações de ensaios do caso III.

Fig. 7. Forma de onda da tensão do no-break quando desconectado da rede de alimentação.

Fig. 8. Corrente no no-break (desconectado da rede de alimentação) conectado à CPU e monitor do fabricante 3.

Fig. 9. Forma de onda do no-break carregando em vazio.

Complementaram-se os testes, conectando-se um

computador (monitor e CPU) em paralelo com um resistor variável e foram medidos os harmônicos. Cabe ressaltar que o resistor não injeta harmônico, e reproduz a forma de onda de tensão e conseqüentemente visualiza-se o THD. A Tabela VI apresenta os resultados desta medição.

IV.CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÕES

Este trabalho apresentou as distorções harmônicas geradas

por alguns modelos de equipamentos de TI comumente utilizados e a influencia dos dispositivos de proteção sobre os

mesmos.

Dentre os três aparelhos de proteção, observou-se que o estabilizador de tensão e o filtro de linha, por possuírem

componentes que funcionam como indutância série, produziram melhorias pouco significativas com relação às distorções harmônicas, enquanto que os no-breaks não produziram qualquer melhoria.

TABELAVI. VALORES DE CORRENTE E THDI DE UM PC COM

RESISTORES EM PARALELO

Observou-se também que os monitores e as CPU’s têm formas de onda muito parecidas entre si, com alto THD de corrente e alto fator de crista.

Observa-se ainda, através dos valores das correntes das cargas de TI que, apesar de produzirem altas taxas de distorções harmônicas, elas constituem cargas de baixo consumo, se comparadas a outras instaladas no local, como os condicionadores de ar. Assim, a distorção harmônica de corrente é em parte “diluída” devido à presença das cargas de maior potência, sendo, entretanto, ainda assim prejudiciais à rede. Isso é constatado pelo pequeno aumento do THD de tensão (no máximo 0,2%) entre o ponto de medição 1 e o ponto de medição 2 quando o aparelho de TI é conectado ao no-break.

Pode-se finalmente observar que o limite de 8% para o THD de tensão estabelecido pelas normas da IEC e da EN e o limite de 10% estabelecido pela ANEEL não foram excedidos em nenhum caso. Porém, o limite de 5% para THD de tensão estabelecido pela Recomendação da IEEE, foi excedido em todos os casos. Isso se deve ao fato de a rede utilizada para as medições já estar contaminada por outros elementos como lâmpadas fluorescentes, condicionadores de ar e outras cargas não-lineares. Esta é uma característica comum na maioria dos sistemas de alimentação de baixa potência existentes, que pode muitas vezes, induzir a uma analise de qualidade de energia incorreta.

Algumas soluções para uma atenuação significativa dos efeitos harmônicos seriam a instalação de filtros passivos ou ativos ou de transformadores com características especiais para este fim.

V.REFERÊNCIAS

[1] I. A. Pires, “Caracterização de harmônicos causados por equipamentos eletro-eletrônicos residenciais e comerciais no sistema de distribuição de energia elétrica.”, Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica, UFMG, Minas Gerais, 2006.

[2] A.A.P. Miguel; N.B. Medina; M.L. Antón, “La amenaza de los armónicos y sus soluciones.” Madrid, Ed. Paraninfo, 2004.

[3] R.A. Souza, “Estudo da Influência dos Harmônicos de Equipamentos de T.I.,” Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Elétrica, UFF, Niterói, 2010.