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V SBQEE
Seminário Brasileiro sobre Qualidade da Energia Elétrica 17 a 20 de Agosto de 2003
Aracaju – Sergipe – Brasil
Código: AJU 07 055 Tópico: Indicadores e Limites
IMPACTOS DAS FLUTUAÇÕES DE TENSÃO SOBRE EQUIPAMENTOS: ANÁLISE EXPERIMENTAL SOB O ENFOQUE DOS INDICADORES DE FLICKER
Carlos A. G. Medeiros* José Carlos de Oliveira
UFU UFU
RESUMO
Este trabalho investiga a influência das flutuações de tensão sobre equipamentos residenciais, comerciais e industriais, com níveis atrelados aos indicadores de cintilação luminosa brasileiros. As flutuações de tensão estão representadas pela modulação em amplitude (tipo retangular), cujas magnitudes e freqüências de oscilação são relacionadas ao indicador PST. São realizados
ensaios experimentais laboratoriais a fim de examinar o desempenho de cargas representativas nas condições impostas. Os resultados obtidos fornecem subsídios para uma melhor compreensão da relação entre os valores dos limites adotados e os impactos sobre o funcionamento de equipamentos.
PALAVRAS-CHAVE
Qualidade da Energia, Flutuações de Tensão, Desempenho de Equipamentos.
1.0 - INTRODUÇÃO
A relação entre os indicadores de Qualidade da Energia Elétrica e os impactos dos fenômenos por estes retratados, sobre componentes do sistema e equipamentos, é assaz importante para que a aplicação de seus limites tenha significado prático e sustentação técnica para o estabelecimento dos padrões a serem atendidos. Em se tratando das flutuações de tensão, sabe-se que a sua medição/avaliação bem como as recomendações e normas pretéritas e atuais se
baseiam nas oscilações de luz decorrentes, emitidas por uma lâmpada incandescente (extremamente sensível às tensões flutuantes) e percebidas pelo sistema visual humano, o que vem a ser a cintilação luminosa ou flicker [1]. Entretanto, é notável que, tanto as lâmpadas como os equipamentos modernos, apresentam os mais diferentes graus de sensibilidade e suportabilidade face aos desvios das condições ideais de tensão. Somando-se a este fato, a lâmpada incandescente, referência dos métodos de medição via cintilação luminosa, está sendo preterida em função da popularização das fluorescentes compactas (em geral menos sensíveis [2]). Portanto, esta forma de avaliação onde os indicadores estão exclusivamente associados à lâmpada incandescente, deixa indagações do tipo: Os valores limites estão coerentes com o funcionamento normal dos demais equipamentos ou os padrões estabelecidos são muito restritivos? É possível estabelecer limites flexíveis ao invés daqueles de caráter geral somente?
Levando em conta estas questões e objetivando contribuir nesta direção, este trabalho contempla ensaios laboratoriais a fim de observar o funcionamento de equipamentos representativos face ao fenômeno enfocado, com níveis associados aos limites dos indicadores de flicker brasileiros [3], advindos do Método Internacional UIE/IEC [4].
Para as investigações propostas, utilizou-se o índice básico denominado de Indicador de
Severidade de Flicker de Curto-Prazo, PST. Sua
relação com os parâmetros das tensões flutuantes foi estabelecida pela simulação do modelo do medidor de cintilação UIE/IEC, elaborado pelos autores em trabalho anterior [5]. A partir dos resultados obtidos torna-se então viável uma reflexão crítica sobre a interação entre os impactos das oscilações de tensão e os limites normalizados.
2.0 - FLUTUAÇÕES DE TENSÃO
As flutuações de tensão podem ser definidas como variações sistemáticas do valor de pico ou eficaz da tensão, na faixa de 0,9 a 1,1 pu e em freqüências até 35 Hz. Podem ser classificadas, de uma maneira geral, em periódicas e aleatórias, cujas características dependem do agente causador e de seu ciclo de trabalho [1].
A título ilustrativo, a Figura 1 mostra uma variação do tipo retangular, periódica, que pode ser causada pelo chaveamento de cargas resistivas, máquinas de solda ou processos controlados que exigem variações de potência abruptas. A tensão oscila na freqüência fm = 1/Tm,
sendo a magnitude da variação (pico-a-pico) denotada por ∆V. A variação percentual de tensão, ∆V/V%, é dada pela relação entre ∆V e a tensão média de pico V.
Figura 1 - Flutuação de tensão retangular.
A Figura 2 ilustra uma flutuação de tensão mais próxima da realidade operacional. Esta se apresenta de forma aleatória e pode ser atribuída ao funcionamento de fornos a arco elétrico, britadores, etc. Este comportamento, como é conhecido, pode se apresentar com diversas e simultâneas freqüências e magnitudes.
Figura 2 - Flutuação de tensão aleatória.
Como mostrado a seguir, em ambos os casos, o medidor UIE/IEC pode estimar o efeito da cintilação luminosa decorrente destas perturbações de tensão.
3.0 - MEDIDOR DE CINTILAÇÃO UIE/IEC
Para os propósitos deste trabalho é importante entender o significado físico dos indicadores de cintilação luminosa, principalmente o do PST.
Desta forma, esta seção apresenta uma descrição resumida dos aspectos funcionais dos blocos que compõem o medidor UIE/IEC [4], ilustrados na Figura 3. S (t)f Adaptador da tensão de entrada Demodu-lador quadrático Filtragem e ponde-ração em freqüência Operação quadrática e média Avaliação estatística do nível de flicker
Bloco 1 Bloco 2 Bloco 3 Bloco 4 Bloco 5
PST
v(t)
Figura 3 - Blocos do medidor de cintilação UIE/IEC. Essencialmente, os Blocos 1 a 4 simulam o processo de conversão das oscilações de tensão em variações luminosas percebidas pelo sistema visual humano, como ilustra a Figura 4. O comportamento aleatório e a persistência do fenômeno são também levados em conta no tratamento estatístico efetuado pelo Bloco 5.
Figura 4 - Função dos Blocos 1 a 4 do medidor. • Bloco 1 – Adaptador do Sinal de Entrada: normaliza a tensão de entrada pela média móvel do último minuto do valor eficaz, fornecendo um nível de referência para os blocos posteriores. • Bloco 2 – Demodulador Quadrático: realiza a demodulação do sinal normalizado elevando-o ao quadrado, simulando a produção das variações luminosas pelas lâmpadas incandescentes.
• Bloco 3 – Filtragem e Ponderação em Freqüência: é constituído basicamente por três filtros em série. O primeiro elimina o nível c.c. do sinal de saída do Bloco 2. O segundo, elimina as componentes de dupla freqüência fundamental. O terceiro, corresponde ao Filtro de Ponderação, que simula a resposta em freqüência de uma lâmpada incandescente padrão combinada ao sistema visual humano. O ganho deste filtro é normalizado tendo como referência a freqüência crítica do olho humano de 8,8 Hz. As lâmpadas incandescentes padronizadas são as de 230 V/60 W e 120 V/60 W, e as freqüências da rede de 50 e 60 Hz, conforme ilustra a Figura 5.
• Bloco 4 – Média Móvel Quadrática: eleva ao quadrado o sinal ponderado e efetua uma operação de média móvel, representando a não linearidade e a memorização do cérebro. O sinal assim processado reproduz a percepção de cintilação, sendo denominado de Sensação Instantânea de Flicker, Sf(t). Este sinal é
normalizado, de forma que, Sf(t) = 1 pu retrata a
ocorrência do limiar de percepção de flicker. • Bloco 5 – Análise Estatística: realiza um tratamento estatístico de Sf(t) durante um
determinado período, usualmente 10 minutos. Calcula a Função de Probabilidade Cumulativa, a partir da qual obtém-se o PST, o qual é dado por:
) 1 ( 8 28 57 . 6 25 . 5 14 . 3 1 . 0 0.1 1s 3s 10s 50s ST P P P P P P = + + + +
onde: P0,1, P1s, P3s, P10s, P50s são os níveis de
Sf(t) que excedem em 0,1, 3, 10, e 50% o tempo
de observação. O sufixo “s” indica que são usados valores suavizados [4].
0 10 20 30 40 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Freqüência (Hz) Ga nh o 230 V / 60 W / 50 Hz 120 V / 60 W / 60 Hz
Figura 5 - Ponderação em Freqüência do Bloco 3, representando a percepção do olho humano.
É importante destacar que o PST indica o grau de
irritação ou desconforto, sendo PST = 1 pu
representativo da ocorrência do limiar de irritação devido a cintilação luminosa.
O outro índice fornecido pelo método é o Indicador de Severidade de Flicker de Longo Prazo, PLT, obtido a cada duas horas
consecutivas e ininterruptas de registros, sendo expresso por: ) 2 ( 12 1 3 12 1 3
∑
= = i ST LT P P4.0 - EQUIPAMENTOS E CASOS ESTUDADOS Os seguintes dispositivos foram considerados para as investigações reportadas neste trabalho: a) Fonte linear regulada: presente em eletrodomésticos como televisores, CD players, rádio relógios, etc.
b) Fonte chaveada 01: presente em microcomputadores, monitores de vídeo, impressoras, scanners, etc., e em alguns modelos de televisores, aparelhos de fax, entre outros.
c) Fonte chaveada 02: fonte de alimentação de Controladores Lógico Programáveis (CLPs), usados principalmente no setor industrial.
d) Motor monofásico: representando geladeiras, condicionadores de ar e outros equipamentos desta categoria.
e) Motor de indução trifásico: de 3 hp, rotor em gaiola de esquilo, acoplado a uma carga mecânica com conjugado constante e fator de carga de 75%.
f) Conversor de freqüência: tipo PWM-VSI trifásico, de 3kVA, alimentado o mesmo motor e a carga mecânica do item anterior.
Cada dispositivo foi testado sob as sete condições de alimentação listadas na tabela I. O Caso 1, ou Caso Base se refere à alimentação ideal. Os Casos 2 a 7 (equilibrados quando trifásicos) representam flutuações de tensão retangulares com freqüências acima e abaixo da freqüência crítica do olho humano (ver Figura 5), resultando nos valores de ∆V/V% e PST indicados.
O menor valor de PST, igual a 2 pu, foi escolhido
tendo como base o limite superior do PST diário
(PSTD95% < 2 pu) indicado pelo ONS para
sistemas < 69 kV [3].
Foi tomada como referência a lâmpada 120 V/60 W, por implicar em maiores valores de ∆V/V% do que a lâmpada de 230 V/60 W, para um mesmo PST (valores conservativos).
Tabela 1. Valores de PST para os casos experimentais.
Caso 1 2 3 4 5 6 7
fm (Hz) - 3 10 20 3 10 20
∆V/V% - 1,20 0,76 2,22 2,41 1,51 4,43
PST 0 2 4
A Figura 6 apresenta o arranjo laboratorial utilizado para os estudos.
Equipamento sob teste Rede da Concessionária v(t), i(t) Fonte Programável Aquisição de dados variáveis observadas
Figura 6 - Montagem Laboratorial.
A título de exemplificação, a Figura 7 ilustra a tensão de suprimento fase-neutro (127 V nominal) do Caso 7. Esta situação foi a escolhida
por representar a condição de alimentação mais crítica em relação a intensidade do fenômeno sob observação.
1 >
1) Ch 1: 50 Volt 50 ms
Figura 7 - Tensão de suprimento: Caso 7. 5.0 - RESULTADOS EXPERIMENTAIS 5.1 Fonte Linear Regulada
A fonte linear ensaiada foi a de um aparelho de som tipo micro-system, observando-se as duas saídas reguladas da fonte, +5V e +10V, que alimentam os principais circuitos internos do equipamento. Considerou-se os modos de operação rádio, toca-fitas, CD e gravação de fita por CD. A Figura 8 mostra as tensões reguladas para os Casos 1 e 7. A fim de oferecer uma melhor visualização dos resultados, os oscilogramas correspondentes aos dois casos encontram-se propositalmente deslocados no eixo vertical. Em outras palavras as suas referências não as mesmas. Para as demais formas de onda na seqüência foi aplicado o mesmo procedimento. 1 1 >2 2 > 3 3 > 4 > 1) Ch 1: 5 Volt 50 ms 2) Ch 2: 5 Volt 50 ms 3) Ch 1: 5 Volt 50 ms 4) Ch 2: 5 Volt 50 ms (a) (b)
Figura 8 - Fonte linear, saídas reguladas +5V e +10V: (a) Caso Base. (b) Caso 7.
Os outros casos resultaram em formas de onda semelhantes e por isso foram omitidos. Em todos os ensaios não foi observada nenhuma alteração no funcionamento do equipamento.
5.2 Fonte Chaveada 01
A fonte utilizada foi a de um microcomputador pessoal comum, monitorando-se as saídas +5V e +12V que alimentam a placa principal, o disco rígido, etc. Foram contempladas as situações de uso de editor de textos, acesso a internet, uso de disquete e cópia de dados do CD-ROM para o disco rígido. A Figura 9 mostra as tensões reguladas dos Casos 1 e 7, as quais foram semelhantes às dos outros casos, não se encontrando qualquer diferença funcional, inclusive no monitor de vídeo.
1 1 >2 2 > 3 3 > 4 > 1) Ch 1: 5 Volt 50 ms 2) Ch 2: 5 Volt 50 ms 3) Ch 1: 5 Volt 50 ms 4) Ch 2: 5 Volt 50 ms (a) (b)
Figura 9 - Fonte Chaveada 01 (Microcomputador), saídas reguladas +5V e +12V: (a) Caso Base. (b) Caso 7. 5.3 Fonte Chaveada 02
Dois CLPs de diferentes fabricantes foram testados, enfocando-se as saídas de +5V e +24V que alimentam o circuito de processamento bem como o módulo de relés. Os dispositivos foram programados para chavearem simultaneamente os relés de saída. Os resultados obtidos para os CLPs foram semelhantes e por isso apenas àqueles referentes a um deles é mostrado. A Figura 10 exibe as tensões dos Casos 1 e 7.
1 1 >2 2 > 3 3 > 4 > 1) Ch 1: 5 Volt 50 ms 2) Ch 2: 10 Volt 50 ms 3) Ch 1: 5 Volt 50 ms 4) Ch 2: 10 Volt 50 ms (a) (b)
Figura 10 - Fonte chaveada 02 (CLP), saídas reguladas +5V e +24V: (a) Caso Base. (b) Caso 7.
Além das semelhanças entre as formas de onda dos Casos 1 a 7, não foram constatadas quaisquer alterações no chaveamento programado dos relés dos CLPs.
+5V +10V +5V +10V +5V +12V +5V +12V +24V +5V +24V +5V
5.4 Refrigerador
Representado a categoria dos motores monofásicos de pequeno porte, foi ensaiado um refrigerador doméstico comum. A Figura 11 apresenta a corrente obtida dos Casos 1 e 7.
1 1 > 2 > 1) Ch 2: 2 A 20 ms 2) Ch 2: 2 A 20 ms (a) (b)
Figura 11 – Geladeira, corrente de alimentação: (a) Caso Base. (b) Caso 7.
A Figura 12 mostra as variações de corrente em valores eficazes para os Casos 1 a 7.
1 4 7 10 13 16 0 0.5 1 1.5 2 Ciclos C orre nt e E fic az ( A ) Caso 4 Caso 7
Figura 12 – Geladeira: variações das correntes eficazes de alimentação, Casos 1 a 7.
Da figura anterior nota-se que as oscilações de corrente de todos os casos ocorrem em torno do resultado associado ao Caso 1, sobressaindo-se os Casos 4 e 7. Conjugados oscilantes e variações de velocidade surgem em função das variações da alimentação, embora não tenha sido percebido nenhuma alteração funcional. Notou-se, todavia, que a lâmpada incandescente no interior do refrigerador apresentou cintilação luminosa em todos os casos.
5.5 Motor de Indução Trifásico
O motor de indução ensaiado foi um de 3 hp, 220 V, ligação delta. A Figura 13 mostra a corrente na fase A do motor dos Casos 1 e 7 (as correntes das outras fases se mostraram semelhantes).
1 > 2 > 1) Ch 2: 10 A 20 ms 2) Ch 2: 10 A 20 ms (a) (b)
Figura 13 - Motor trifásico: corrente de alimentação na fase A: (a) Caso Base. (b) Caso 7.
A Figura 14 apresenta as variações de corrente eficaz dos casos estudados.
1 4 7 10 13 16 0 2 4 6 8 Ciclos C orre nt e E fic az ( A ) Caso 4 Caso 7
Figura 14 - Motor trifásico, variações das correntes eficazes: Casos 1 a 7.
Mais uma vez, as variações são maiores para os Casos 4 e 7, mostrando as oscilações em torno do Caso 1. Embora as alterações nos conjugados e velocidades, não se percebeu nenhuma vibração mecânica ou outro efeito.
5.6 Conversor de Freqüência VSI-PWM
Utilizou-se um conversor de 3 kVA/380 V, com freqüência de chaveamento de 2,5 kHz. O motor do item anterior, ligado em estrela isolada (380 V), com a mesma carga mecânica, foi alimentado pelo conversor. A Figura 15 mostra a tensão de linha Vac na saída do conversor dos Casos 1 e 7.
1 > 2 > 1) Ch 1: 300 Volt 50 ms 2) Ch 1: 300 Volt 50 ms (a) (b)
Como mostra a Figura 15, a tensão de saída do conversor acompanha as variações da entrada. Isto ocorre porque o barramento c.c. presente nestes dispositivos não atenua as flutuações de tensão [6]. A Figura 16 apresenta a corrente na fase A do motor para os Casos 1 e 7.
1 1 > 2 > 1) Ch 2: 5 A 20 ms 2) Ch 2: 5 A 20 ms (a) (b)
Figura 16 - Conversor VSI-PWM, corrente de saída na fase A: (a) Caso Base. (b) Caso 7.
Nota-se que a corrente do motor apresentou uma forma de onda modulada em baixa freqüência (20 Hz) semelhante à situação do motor diretamente ligado. As formas de onda dos outros casos se mostraram similares, porém com variações menores. A Figura 17 apresenta as variações de corrente na fase A do motor em termos eficazes.
1 4 7 10 13 16 0 1 2 3 4 5 Ciclos C or ren te E fi caz ( A ) Caso 4 Caso 7
Figura 17 - Conversor VSI-PWM, valores eficazes da corrente de saída na fase A: Casos 1 a 7.
Novamente os Casos 4 e 7 são os que apresentaram maiores variações. Conjugados e velocidades oscilantes ocorrem devidos a estas condições de alimentação. Contudo, vale mencionar que durante os testes, não foi percebida nenhuma vibração mecânica diferente do Caso 1.
6.0 - AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a CAPES pelo suporte financeiro para a realização dos estudos.
7.0 - CONCLUSÕES
Os resultados obtidos indicam que a interação entre as flutuações de tensão retangulares impostas não afetou significativamente o desempenho dos equipamentos considerados. Ressalta-se que as tensões flutuantes apresentam normalmente um espectro de freqüências composto, o que implica em intensidades de ∆V/V% mais brandas, para os
mesmos valores de PST, do que as aqui
consideradas. Em outras palavras os Casos, 4 e 7, que mais sensibilizaram as cargas motoras, representam condições severas e de mais rara ocorrência.
A partir do exposto e face aos altos custos para redução do nível de flicker, fica sempre o questionamento sobre a necessidade de compensação para circunstâncias específicas onde, os níveis iguais ou superiores aos limites normalizados, não afetariam de maneira considerável o desempenho de outros equipamentos que não as lâmpadas incandescentes propriamente ditas. Nestas situações, deve haver, ao menos, o compromisso de uma profunda discussão sobre os impactos locais e distantes antes de uma tomada final de posicionamento por parte do supridor e consumidor.
8.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] UIE, WG Disturbances, "Flicker measurement and evaluation," Union Internationale d' Electrothermie, Tech. Rep., 2nd revised ed., 1991.
[2] UIE – Guide to Quality of Electrical Supply for Industrial Installations – Part V – Flicker and Voltage Fluctuations, 1999.
[3] ONS – Submódulo 2.2 – “Padrões de Desempenho da Rede Básica”, 2002.
[4] IEC 61000-4-15: Flickermeter - Functional and
Design Specifications, International Standard,
Electromagnetic Compatibility - Part 4: Testing and Measurement Techniques - Section 15, 1997-11. [5] MEDEIROS, C. A. G., OLIVIERA J. C.,
“Implementação Computacional do Modelo do Medidor de Cintilação Luminosa UIE/IEC para Calibração de Medidores Práticos”, XIV Congresso
Brasileiro de Automática (CBA), 02 a 05 de
Setembro de 2002, Natal-RN.
[6] MEDEIROS, C. A. G., OLIVEIRA, J. C., “Effects of Voltage Fluctuation Associated to Flicker Limits on Equipments Performance”, X International
Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP), CD-ROM, Rio de Janeiro, Brasil, Outubro
