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Efeito Harmônico da Associação de Lâmpadas

Fluorescentes Compactas

Luiz Otavio Lopes, Antônio Marcos Estrela Pereira, Márcio Zamboti Fortes, Adriano Pinheiros Fragoso e Geraldo Martins Tavares

Universidade Federal Fluminense (UFF), Niterói, RJ, Brasil

Resumo O presente trabalho visa analisar a compensação da Distorção Harmônica Total THD - (Total Harmonic Distortion) causado pela associação de grandes quantidades e diferentes modelos de lâmpadas fluorescentes compactas – LFC’s na rede de energia elétrica. Esses equipamentos eletrônicos possuem fontes chaveadas e acabam gerando múltiplas frequências, causando impactos negativos na rede elétrica das concessionárias e clientes. Todavia, quando analisado em grandes quantidades, verifica-se que os impactos acabam se atenuando, fato esse que não ocorre observando uma lâmpada individualmente.

Palavras-chaves Distorção Harmônica Total, Lâmpadas Fluorescentes Compactas, Qualidade de Energia Elétrica.

I.INTRODUÇÃO

A massiva divulgação e aplicação de lâmpadas fluorescentes compactas (LFC´s) em substituição a outras tecnologias de iluminação para redução de consumo têm levado diversos grupos de pesquisa a analisar o efeito desta inserção na rede de distribuição. As preocupações incluem, em especial, o efeito da distorção harmônica total na rede (ponto de conexão), como reportado em [1]-[2], que pode ter como impactos, atuação da proteção sem identificação característica, efeito flicker, aumento de perdas por efeito joule em condutores, aumento do consumo de reativos, entre outros. Todos os efeitos descritos atuam diretamente para a redução da qualidade de energia vista pelo equipamento alimentado e redução da eficiência energética dos sistemas conectados.

Estudos avaliando o impacto de LFC´s são vários com diferentes softwares de simulação, como: PSCAD [3]-[4]-[5], Matlab [6], DigSilent [7], entre outros. Não se deve esquecer de citar os estudos referentes a análises por simulação do circuito eletrônico das LFC´s procurando melhorar a performance do equipamento frente a parâmetros como distorção harmônica de corrente e fator de potência. Nestas análises pode se utilizar o software SPICE como em [8]. Outras preocupações dentro do contexto de substituição massiva dos sistemas de iluminação convencionais para LFC´s são: meio ambiente e impactos [9]; a educação e conscientização da aplicação da tecnologia [10]; o uso de LFC e LED e aspectos econômicos comparando as tecnologias [11], o ciclo de vida dos novos equipamentos [12], entre outras.

O uso de laboratórios de luminotécnica que possuem grande capacidade de pontos de teste é uma das alternativas para avaliar estes impactos e características específicas das lâmpadas. A Universidade Federal Fluminense (UFF), que possui um laboratório para esta finalidade, tem realizado trabalhos nesta linha de estudo, como os reportados em [13]-[14]-[15].

Tomando-se como base as recomendações e normas relacionadas ao tema [16]-[17]-[18], este artigo apresenta algumas considerações sobre o uso de LFC´s conectadas em paralelo e a minimização do impacto do conteúdo harmônico a rede de distribuição.

II.CARACTERIZAÇÃO DOS ENSAIOS

A. Caracterização do ambiente do estudo

As medições deste trabalho foram realizadas nas instalações do Laboratório de Luminotécnica da Universidade Federal Fluminense – LABLUX. O ambiente de medição possui uma estrutura que disponibiliza 200 kVA de potência para a energização de LFC’s e equipamentos sofisticados de medição. O laboratório dispõe de salas com 7.000 pontos para ensaios, com tensão estabilizada em ±1% da tensão da nominal, com controle de temperatura. Esses pontos são distribuídos em grupos para controle de tempo e otimização da operação do laboratório.

B. Descrição do objeto de medição

Para produzir uma iluminação de qualidade, as LFC´s possuem reatores operando em altas frequências, que variam entre 20kHz-50kHz. Tais frequências produzem distorções harmônicas na rede. Isso já é sabido e é um grande tópico destacado nos estudos de LFC’s. Este trabalho visa analisar como o aumento da carga, em forma de lâmpadas, age na geração das harmônicas. Outro ponto destacado é o baixo fator de potência destes dispositivos, algumas vezes compensados pelos fabricantes devido à exigência de normas nos países onde os produtos serão aplicados.

C. Esquema de ligação das Medições

Para a avaliação no Laboratório utilizou-se um Analisador de Energia, classe A, com exatidão de 0,2%, que possibilita a identificação dos conteúdos harmônicos de ordem 3 a 49. Ajustou-se um período de integração de 100 ms e aquisição

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de dados com intervalos de alguns minutos entre cada medição, para avaliar os efeitos de variações de carregamento dos circuitos decorrentes das operações de ligar os conjuntos de lâmpadas em teste. As medições foram feitas nos condutores localizados na entrada do quadro de distribuição e calculadas considerando os índices das harmônicas detectadas (1). Onde representam o valor eficaz das harmônicas de ordem 1,2,3...,n (distorção harmônica total de corrente, DHTi).

(1) A alimentação dos quadros foi realizada por fonte conectada em Y aterrada e utilizou-se a conexão representada na Fig. 1 no analisador de qualidade de energia para registro dos dados.

Fig. 1 Esquema de conexão do analisador.

As salas de sazonamento são dividas em grupos, cada grupo corresponde a algumas dezenas de pontos de luz, onde são ensaiadas as lâmpadas que foram utilizadas para a realização das medições. Cada grupo, pela dinâmica do laboratório, apresenta um número diferente de lâmpadas com potências diversas, assim as cargas foram aumentadas adicionando grupo a grupo até a maior carga possível disponível no laboratório, durante os ensaios deste trabalho. A apresentação dos valores das cargas em seus respectivos grupos se encontra na Tabela I. As cargas foram divididas em 11 grupos, conforme registrado.

TABELA I.TABELA DOS GRUPOS

Grupos Potência (W) Quantidade de lâmpadas 1 2 3 4 5 5 7 8 9 10 11 2904 3440 1615 2560 4535 2406 2005 4367 1700 2280 2815 196 99 19 94 129 118 104 152 20 52 134 III.ENSAIOS

Foram realizados 11 cenários de medições diferentes, inserindo-se um novo grupo a cada nova medição. Neste

texto, iremos descrever somente 5 destes resultados, mas a análise final será considerando as 11 medidas.

No apêndice I esta apresentada uma tabela com mais detalhes e informações dos grupos e medições.

Na Medição 1 será alimentado somente o circuito do grupo 1. A Fig. 2 mostra a distorção harmônica da fase A e a Tabela II os percentuais de cada harmônico. Neste ensaio, a corrente rms encontrada foi 12,42 A e a distorção harmônica de corrente (DHTi) de 103,583%.

Fig.2. Valores das distorções harmônicas na medição 1. TABELA II.Percentuais dos harmônicos na Medição 1

Harmônico RMS(A) %FUND. FASE (GRAUS)

1 3 5 7 9 11 13 15 8,626 6,798 4,375 2,93 2,063 1,043 0,383 0,469 100 78,8 50,72 33,96 23,91 12,09 4,43 5,43 232,07 357,05 127,96 271,8 49,21 182,76 0,83 170,15 Na Medição 2 serão alimentados os circuitos dos grupos 1 e 2. A Fig. 3 mostra a distorção harmônica da fase C e a Tabela III os percentuais de cada harmônico. Neste ensaio, a corrente rms encontrada foi 26,36 A e a distorção harmônica de corrente (DHTi) de 83,47%.

Fig. 3. Valores das distorções harmônicas na Medição 2. TABELA III.Percentuais dos harmônicos na Medição 2

1 3 5 7 9 11 13 15 20,236 13,695 8,462 4,385 2,235 1,162 0,403 0,314 100 67,67 41,81 21,67 11,04 5,74 1,99 1,55 79,14 250,4 65,69 249,69 75,58 254 60,99 315,08 Na Medição 3 serão alimentados os circuitos dos grupos 1 ao 4. A Fig. 4 mostra a distorção harmônica da fase A e a Tabela IV os percentuais de cada harmônico. Neste ensaio, a corrente rms encontrada foi 43,46 A e a distorção harmônica de corrente (DHTi) de 60,03%.

Fig.4Valores das distorções harmônicas na Medição 3.

Na Medição 4 serão alimentados os circuitos dos grupos 1 ao 7. A Fig. 5 mostra a distorção harmônica da fase B e a

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Tabela V os percentuais de cada harmônico. Neste ensaio, a corrente rms encontrada foi 74,08 A e a distorção harmônica de corrente (DHTi) de 57,82%.

TABELA IV.Percentuais dos harmônicos na Medição 3

1 3 5 7 9 11 13 15 37,262 19,207 10,175 4,387 2,138 1,842 0,368 0,421 100 51,54 27,3 11,77 5,73 4,94 0,98 1,12 85,64 264,02 94,79 285,64 137,32 329,28 179,51 86,04

Fig.5 Valores das distorções harmônicas na Medição 4. TABELA V.Percentuais dos harmônicos na Medição 4.

1 3 5 7 9 11 13 15 65,156 30,73 14,46 4,303 2,241 3,668 1,148 0,369 100 47,16 22,19 6,6 3,43 5,62 1,76 0,56 193,84 223,19 264,46 304,62 40,47 75,41 101,25 277,91 Na Medição 5 serão alimentados os circuitos dos grupos 1 ao 11. A Fig. 6 mostra a distorção harmônica da fase B e a Tabela VI os percentuais de cada harmônico. Neste ensaio, a corrente rms encontrada foi 85,76 A e a distorção harmônica de corrente (DHTi) de 35,84%.

Fig.6 Valores das distorções harmônicas na Medição 5. TABELA VI. Percentuais dos harmônicos na Medição 5

1 3 5 7 9 11 13 15 80,729 27,036 8,151 4,384 2,867 3,2 0,783 0,351 100 33,48 10,09 5,43 3,55 3,96 0,97 0,43 159,3 125,99 103,35 120,41 94,3 42,58 153,98 96,59

A. Tratamento das medições

Ao final de todas as medições foi possível a criação de uma Tabela (Tabela VII) com 11 medições e a elaboração de um gráfico em que fica clara a mudança nos valores de DHT para cargas maiores. Deve-se observar também uma melhoria no fator de potência verdadeiro (FP), visto no ponto de medição e com dados representados na Tabela VIII.

TABELA VII.RESULTADOS DAS MEDIÇÕES GRUPO A GRUPO. Medição Soma das

lâmpadas Soma Potências grupos (W) DHT fase A DHT fase B DHT fase C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 196 295 314 408 537 655 759 911 931 983 1.117 2.904 6.344 7.959 10.519 15.054 17.460 19.465 23.832 25.532 27.812 30.627 103 78 65 60 58 57 57 59 53 49 39 97 69 57 54 53 52 53 54 48 44 35 106 83 67 63 59 57 58 60 55 50 41 TABELA VIII.FP DAS FASES EM CADA MEDIÇÃO

Medição FP. - Fase A FP.-Fase B FP.-Fase C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0,679 0,777 0,824 0,834 0,840 0,842 0,837 0,830 0,850 0,869 0,900 0,696 0,808 0,845 0,854 0,857 0,863 0,858 0,852 0,877 0,891 0,919 0,760 0,808 0,823 0,838 0,844 0,839 0,832 0,839 0,850 0,870 0,900 O gráfico da Fig. 7 ilustra o comportamento e a melhoria do fator de potência nas três fases do sistema com o incremento de cargas (aumento de lâmpadas em medição).

Fig.7 Comportamento do fator de potência com ao aumento das cargas. Na Fig.8 tem-se a representação da Distorção Harmônica Total de Corrente com o incremento de cargas (aumento de lâmpadas em medição).

Fig.8. Gráfico de Corrente e N de Lâmpadas ligadas por DHTi. Na Fig.9 está representada, a título de exemplo, a forma de onda de corrente na medição com 6 grupos.

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Fig.9. Exemplo da forma de onda da corrente. II.OBSERVAÇÕES FINAIS

Neste estudo identificou-se que algumas afirmativas, quanto à aplicação massiva de LFC´s, devem ser reavaliadas. Em especial, referente ao tópico que quanto maior o número de lâmpadas LFC´s instaladas, maior será a distorção harmônica total de corrente e pior será o fator de potência.

O que os ensaios demonstraram é que esta afirmativa dependerá da qualidade das LFC´s aplicadas e do mix de fornecedores. Nos ensaios realizados com 1.117 unidades de diversas potências e diferentes fabricantes, percebeu-se uma redução das distorções harmônicas e melhoria do fator de potência global.

Desta forma, as afirmativas até agora difundidas na literatura devem ser reavaliadas, visto que os fabricantes estão melhorando a qualidade de seus produtos, os países estão normatizando e qualificando os produtos a serem comercializados e os filtros aplicados individualmente têm se mostrado eficazes.

Outro ponto importante a se destacar é o modelo utilizado nas simulações de aplicações massivas de LFC´s. Estes devem ser baseados em medições reais e nas simulações devem ser, também, considerados projetos de potências diferentes com características próprias a cada potência, que é o cenário que mais se aproxima do real.

III.REFERÊNCIAS

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[13] J.E.V.Fassarela, M.Z.Fortes, A.P.Fragoso, G.M.Tavares, “Analysis and Suggested Solution of Power Quality Problems in Lighting Laboratory”, IEEE Latin America Transactions, vol.12, no.6, pp.1019-1026, 2014. [14] M.Z. Fortes, A.M.E.Pereira, A.P.Fragoso, G.M.Tavares, “Avaliação de

LFC´s nos Limites de Tensão do PRODIST”, Engevista, v.16, no.3, pp.283-291, 2014.

[15] M.Z. Fortes, J.E.V.Fassarela, A.P.Fragoso, G.M.Tavares, “O Uso do Laboratório de Luminotécnica para Estudos de Qualidade de Energia”, Revista de Ensino de Engenharia, vol.32, no.2, pp.1-7, 2013.

[16] IEEE Power and Energy Society, IEEE Standard 519-2014 – IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems, 2014.

[17] ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica, Procedimento de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST, Módulo 8- Qualidade de Energia, 2010.

[18] IEC, IEC Standard 61000-4-30, Testing and measurement techniques – Power quality measurements methods, 2003.

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APÊNDICE-1-CARACTERIZAÇÃO DOS GRUPOS COM QUANTIDADE EPOTÊNCIAS DAS LÂMPADAS. LFC(W) Grupos 7 8 9 11 15 17 18 20 21 23 25 30 32 35 36 45 85 125 150 Potência total (W) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 20 20 20 20 20 20 59 20 20 20 37 20 19 13 35 15 18 15 20 20 37 20 40 40 49 47 49 17 20 20 20 57 15 20 20 10 20 20 18 20 20 20 20 20 19 15 20 12 16 2904 3440 1615 2560 4535 2406 2005 4367 1700 2280 2815