Sistema de Monitorização de Consumos Energéticos e de Problemas de Qualidade de Energia Eléctrica

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Guimarães 2008

Universidade do Minho Escola de Engenharia

Renato Augusto de Oliveira Alves

Sistema de Monitorização de Consumos

Energéticos e de Problemas de Qualidade

de Energia Eléctrica

Dissertação submetida na Universidade do Minho para a obtenção do grau de Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores Trabalho efectuado sob a orientação do

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Agradecimentos

Ao Professor Doutor João Luiz Afonso, meu orientador nesta dissertação, pelo seu incentivo, apoio e disponibilidade demonstrados ao longo de todo o trabalho. Também pela sua ajuda e pelas sugestões prestadas ao longo do trabalho.

Ao Engenheiro José Batista, que iniciou o desenvolvimento do Monitorizador no âmbito da sua dissertação de mestrado, pela sua disponibilidade e pela sua grande ajuda sem a qual, este trabalho não seria possível.

Ao meu colega e amigo Domingos Gonçalves, com quem tive o prazer de trabalhar em vários projectos ao longo do curso. Um obrigado também pela sua disponibilidade, pelas suas sugestões e pela sua grande ajuda ao longo de todo o trabalho.

Ao pessoal do Projecto SINUS Pedro Neves, Gabriel Pinto, Ricardo Pregitzer, Raul Almeida, Luís Monteiro, por terem proporcionado um óptimo ambiente de trabalho, bem como pela ajuda e pela disponibilidade demonstrada.

Ao Engenheiro José Cunha pelas observações sempre muito pertinentes e pelas sugestões que fez ao longo do trabalho.

Aos meus colegas Filipe Ferreira, Hélder Carneiro e Telmo Santos pelo companheirismo e pela disponibilidade para ajudar.

Aos meus pais Marcelo e Celeste e aos meus irmãos Ricardo, Vitória e Marlene, pelo apoio que sempre me deram ao longo da vida.

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Resumo

Com a grande evolução que a Electrónica sofreu nas últimas décadas assistiu-se a uma proliferação de cargas não-lineares nas redes eléctricas, causando desta forma uma crescente deterioração da Qualidade de Energia Eléctrica. Essas cargas, para além de introduzirem distúrbios na rede, também são muito sensíveis, podendo uma pequena perturbação na rede ser o suficiente para o mau funcionamento, ou em casos mais extremos, para provocar a sua avaria. Numa era globalizada como a que actualmente vivemos, com um mercado tão agressivo e competitivo, pequenos pormenores podem ditar o sucesso ou o fracasso de uma empresa. Nesse sentido, é fundamental que a energia eléctrica seja de boa qualidade. Então torna-se necessário monitorizar as instalações eléctricas para detectar problemas de qualidade que possam estar a causar problemas nos equipamentos ou nas instalações, ou mesmo como forma de prevenir problemas que futuramente possam vir a causar danos.

Esta dissertação apresenta um Monitorizador de Qualidade de Energia Eléctrica desenvolvido na Universidade do Minho. O hardware do Monitorizador é constituído por quatro sensores de corrente de efeito Rogowski, quatro sensores de tensão baseados no efeito Hall, uma placa de condicionamento de sinal e um computador. O software do Monitorizador é baseado em LabVIEW, sendo constituído por várias aplicações. As aplicações desenvolvidas permitem, entre outras funcionalidades, fazer o Monitorizador funcionar como osciloscópio digital, analisar conteúdos harmónicos, detectar e registar distúrbios nas tensões (deformações nas formas de onda, interrupções, sobretensões e subtensões momentâneas), medir energias, potências, desequilíbrios e factores de potência, registar e visualizar strip charts, e gerar relatórios de forma automática.

Recorrendo ao Monitorizador desenvolvido foram realizadas monitorizações de Qualidade de Energia Eléctrica em instalações de várias empresas e na Universidade do Minho. Nesta dissertação são apresentados resultados de algumas dessas monitorizações. Também foi desenvolvido um Monitorizador para ser integrado nos Filtros Activos de Potência desenvolvidos no âmbito do Projecto SINUS. São também apresentadas algumas formas de onda registadas pelo Monitorizador integrado nos filtros activos durante a operação destes nas instalações eléctricas.

Palavras-Chave: Qualidade de Energia Eléctrica, Monitorizador de Qualidade de Energia Eléctrica, Harmónicos, Factor de Potência, True RMS,

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Abstract

With the great development of electronic equipment in recent decades, there has been a proliferation of nonlinear loads connected to the power grid, causing a growing deterioration of the Electric Power Quality. These loads, beyond introducing disturbances in the power grid, are also very sensitive, meaning that a small disturbance in the power grid can be enough to cause their malfunction, or even, in the most extreme cases, to cause their damage. In a globalised era, such as the one we live in, with an aggressive and competitive market, small details can dictate the success or failure of a company. In this sense, it is essential to have electrical power with good quality. So, it becomes necessary to monitor electrical installations to detect quality problems that may be causing problems in electrical equipment, or even as a way to prevent future problems that may cause damage.

This Dissertation presents an Electric Power Quality Monitor developed in the University of Minho. The hardware of the Monitor is constituted by four current sensors based on Rogowski effect, four voltage sensors based on Hall effect, a signal conditioning board, and a computer. The software of the Monitor consists of several applications, and it is based on LabVIEW. The developed applications allow the equipment to function as a digital scope, analyze harmonic content, detect and record disturbances in the voltage (wave shapes, sags, swells, interruptions), measure energy, power, unbalances, power factor, register and visualize strip charts, register a great number of data in the hard drive and generate reports. Using the developed Monitor, several studies were made to electrical installations in different types of industries, as well as in the University of Minho. In this dissertation is presented data from some of these studies. Also, it was developed a Monitor to be integrated into Active Power Filters developed under the Project SINUS. There are shown some voltage and current wave shapes recorded by the Monitor integrated in the active filters, showing their performance when operating in the electrical installations.

Keywords: Electric Power Quality, Power Quality Monitor, Harmonics, Power Factor, True RMS, LabVIEWTM, Project SINUS.

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Índice

Capítulo 1 - Introdução 1.1. Identificação do Problema ... 1 1.2. Motivações do Trabalho ... 2 1.3. Objectivos do Trabalho ... 4 1.4. Organização da Tese ... 5

Capítulo 2 - Qualidade de Energia Eléctrica 2.1. Introdução ... 7

2.2. Cavas de Tensão ... 9

2.3. Sobretensões de Curta Duração ... 11

2.4. Interrupções ... 12

2.5. Transitórios ... 13

2.6. Harmónicos ... 14

2.7. Ruído de Alta Frequência ... 17

2.8. Micro-Cortes (Notches) ... 17

2.9. Flutuações de Tensão (Flicker) ... 18

2.10. Desequilíbrio ... 20

2.11. Factor de Potência ... 22

2.12. Variações de Frequência ... 24

2.13. Conclusões ... 25

Capítulo 3 - Monitorizadores de Qualidade de Energia Eléctrica Disponíveis no Mercado 3.1. Introdução ... 27

3.2. Monitorizadores de QEE do Fabricante Fluke ... 27

3.2.1. Monitorizador de QEE Trifásico da Série Fluke 430 ... 27

3.2.2. Monitorizador de QEE Fluke 1760 Topas ... 36

3.2.3. Outros Equipamentos ... 39

3.3. Monitorizadores de QEE do Fabricante Gossen Metrawatt ... 40

3.3.1. Monitorizadores da Série MAVOWATT 30 40 e 70 ... 40

3.3.2. Outros Monitorizadores do Fabricante Gossen Metrawatt ... 47

3.4. Monitorizadores de QEE do Fabricante Chauvin Arnoux ... 48

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Índice

x Sistema de Monitorização de Consumos Energéticos e de Problemas de Qualidade de Energia Eléctrica

3.4.2 Monitorizador de QEE C.A 8352 ... 54

3.4.3 Outros Monitorizadores de Qualidade de Energia Eléctrica ... 56

3.5. Conclusões ... 58

Capítulo 4 - Monitorizador de Qualidade de Energia Eléctrica Desenvolvido 4.1. Introdução ... 61

4.2. Hardware ... 61

4.2.1 Computador ... 62

4.2.2 Placa de Condicionamento de Sinal ... 64

4.2.3 Sensores de Tensão ... 65

4.2.4 Sensores de Corrente ... 68

4.2.5 Carta de Aquisição ... 70

4.2.6 Circuito de Interface entre a Bateria e a Fonte de Alimentação ... 72

4.2.7 Estrutura Física do Monitorizador de QEE ... 73

4.3. Software ... 75

4.3.1. Aplicação “Scope e THD” ... 75

4.3.2. Aplicação “EventosPQ” ... 78

4.3.3. Aplicação “Registo Contínuo” ... 81

4.3.4. Aplicação “Relatórios” ... 82

4.3.5. Aplicação “Grandezas Clássicas” ... 86

4.3.6. Aplicação “Teoria p-q” ... 88

4.3.7. Aplicação “Config” ... 89

4.4. Conclusões ... 90

Capítulo 5 - Monitorizador de Qualidade de Energia Eléctrica Integrado em Filtros Activos de Potência 5.1. Introdução ... 93

5.2. Hardware ... 94

5.2.1. Placa de Condicionamento de Sinal ... 94

5.2.2. Sensor de Corrente ... 95

5.2.3. Estrutura Física do Monitorizador Integrado no FAP ... 95

5.3. Software ... 96

5.3.1. Aplicação “Scope e THD” ... 96

5.3.2. Aplicação “Eventos PQ” ... 99

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Índice

5.4. Conclusões ... 103

Capítulo 6 - Estudos de Qualidade de Energia Eléctrica em Empresas 6.1. Introdução ... 105

6.2. Monitorizações de QEE na Empresa Alliance Healthcare ... 105

6.2.1. Monitorização do Quadro Geral de Entrada ... 106

6.2.1.1. Fase a ... 106 6.2.1.2. Fase b ... 107 6.2.1.3. Fase c ... 107 6.2.1.4. Neutro ... 108 6.2.1.5. Desequilíbrios ... 109 6.2.1.6. Formas de Onda ... 109 6.2.1.7. Potência e Energia ... 110

6.2.1.8. Subtensões e Sobretensões (Sag & Swell) ... 111

6.3. Monitorizações de QEE na Empresa Lameirinho ... 111

6.3.1. Monitorização da Máquina Branqueadora Benninger Zell ... 112

6.3.1.1. Fase a ... 113 6.3.1.2. Fase b ... 113 6.3.1.3. Fase c ... 114 6.3.1.4. Neutro ... 115 6.3.1.5. Desequilíbrios ... 116 6.3.1.6. Formas de Onda ... 116 6.3.1.7. Potência e Energia ... 117

6.3.1.8. Subtensões e Sobretensões (Sag & Swell) ... 118

6.3.1.9. Deformações da Forma de Onda da Tensão (Wave Shape) ... 119

6.4. Monitorizações de QEE no Hospital Pedro Hispano ... 120

6.4.1 Monitorização do Quadro Eléctrico do Laboratório de Análise Clínicas ... 120

6.4.1.1. Fase a ... 121 6.4.1.2. Fase b ... 122 6.4.1.3. Fase c ... 123 6.4.1.4. Neutro ... 124 6.4.1.5. Desequilíbrios... 125 6.4.1.6. Formas de Onda ... 125 6.4.1.7. Potência e Energia ... 126

6.4.1.8. Deformações da Forma de Onda da Tensão (Wave Shape) ... 127

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Índice

xii Sistema de Monitorização de Consumos Energéticos e de Problemas de Qualidade de Energia Eléctrica

6.5.1 Monitorização do Quadro Eléctrico do SAPIA ... 128

6.5.1.1. Fase a ... 128 6.5.1.2. Fase b ... 129 6.5.1.3. Fase c ... 130 6.5.1.4. Neutro ... 131 6.5.1.5. Desequilíbrios ... 131 6.5.1.6. Formas de Onda ... 132 6.5.1.7. Potência e Energia ... 133

6.5.1.8. Deformações da Forma de Onda da Tensão (Wave Shape) ... 134

6.6. Conclusões ... 135

Capítulo 7 - Resultados Experimentais dos Monitorizadores de QEE Integrados nos Filtros Activos de Potência 7.1. Introdução ... 137

7.2. Resultados Obtidos na Instalação da Alliance Healthcare ... 137

7.3. Resultados Obtidos na Instalação da Lameirinho ... 139

7.4. Resultados Obtidos na Instalação do Hospital Pedro Hispano... 140

7.5. Resultados Obtidos na Instalação da Universidade do Minho ... 142

7.6. Conclusões ... 143

Capítulo 8 - Conclusões e Sugestões 8.1. Conclusões ... 145

8.2. Sugestões para Trabalhos Futuros ... 147

Referências ... 145

Anexos

Anexo 1 - Equações Matemáticas de Cálculo Utilizadas pelo Monitorizador ... A1 Anexo 2 - Exemplo de um Relatório de Monitorização de Consumos Energéticos

e de Qualidade de Energia Eléctrica Realizada Numa Indústria... A3 Anexo 3 - Exemplo de Relatórios Gerados Automaticamente pela

Aplicação "Relatórios" ... A14 Anexo 4 Principais Características do Monitorizador Desenvolvido ... A25 Anexo 5 Folheto Técnico do Monitorizador de QEE Desenvolvido ... A27

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Índice de Figuras

Figura 1.1 – Formas de ondas da tensão (V) e da corrente (I) para um computador e

gráfico de harmónicos da corrente. ... 1

Figura 2.1 – Cava de tensão instantânea. ... 10

Figura 2.2 – Sobretensão de curta duração. ... 11

Figura 2.3 – Interrupção momentânea. ... 13

Figura 2.4 – Transitório na tensão: (a) Impulsional; (b) Oscilatório. ... 14

Figura 2.5 – Forma de onda da tensão com conteúdo harmónico. ... 15

Figura 2.6 – Sinal de tensão com ruído de 2,5 kHz de frequência. ... 17

Figura 2.7 – Micro-corte causado por uma ponte de tirístores trifásica. ... 18

Figura 2.8 – Exemplo de um flicker de 5 Hz com uma variação relativa de 5%. ... 18

Figura 2.9 – Representação gráfica das componentes simétricas. ... 21

Figura 3.1 – Monitorizador de Qualidade de Energia Eléctrica Fluke 434. ... 28

Figura 3.2 – Ecrãs do modo de medição Scope do Fluke 434/435: (a) Formas de onda; (b) Fasores. ... 29

Figura 3.3 – Ecrãs do modo de medição Volt/Amps/Hertz do Fluke 434/435: a) Valores numéricos; b) Gráficos de tendências. ... 29

Figura 3.4 – Ecrãs do modo de medição Dips & Swells do Fluke 434/435: a) Gráficos de tendências; b) Tabela de eventos registados. ... 30

Figura 3.5 – Ecrãs do modo de medição Harmónicos do Fluke 434/435: a) Histograma; b) Tabela de harmónicos. ... 31

Figura 3.6 – Ecrãs do modo de medição Potência & Energia do Fluke 434/435: a) Tabela de potências e factor de potência; b) Gráfico de tendência ... 32

Figura 3.7 – Ecrãs do modo de medição Flicker do Fluke 434/435: a) Informação numérica dos parâmetros; b) Gráfico de tendências. ... 32

Figura 3.8 – Ecrãs do modo de medição Desequilíbrio do Fluke 434/435: a) Informação numérica dos parâmetros medidos; b) Gráfico de tendências. ... 33

Figura 3.9 – Modo de Inrush do Fluke 343/435. ... 34

Figura 3.10 – Ecrã do modo Monitorizador de QEE do Fluke 434/435. ... 35

Figura 3.11 – Monitorizador de QEE Fluke 1760 Topas. ... 37

Figura 3.12 – Conectores do Monitorizador de QEE Fluke 1760 Topas. ... 38

Figura 3.13 – Janela de visualização de amostras de sinais no modo Live do Monitorizador de QEE Fluke 1760 Topas. ... 39

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Índice de Figuras

xiv Sistema de Monitorização de Consumos Energéticos e de Problemas de Qualidade de Energia Eléctrica

Figura 3.14 – Vários equipamentos de monitorização de Qualidade de Energia Eléctrica do fabricante Fluke: a) Fluke 43B; b) Fluke 1744;

c) Fluke VR1710; d) Fluke 1745; e) Fluke 1735. ... 40

Figura 3.15 – Monitorizador de QEE MAVOWATT 70. ... 41

Figura 3.16 – Ecrã do modo de medição do Osciloscópio do monitorizador

MAVOWATT 30/40/70. ... 41

Figura 3.17 – Ecrã do modo Medidor do monitorizador MAVOWATT 30/40/70. ... 42

Figura 3.18 – Gráfico de barras dos harmónicos do modo Harmónicos do

monitorizador MAVOWATT 30/40/70. ... 42

Figura 3.19 – Ecrã do modo Fasor do monitorizador MAVOWATT 30/40/70. ... 43

Figura 3.20 – Gráfico de tendências de vários sinais utilizando o modo

Tendências do monitorizador MAVOWATT 30/40/70. ... 43

Figura 3.21 – Exemplo de um evento (transitório de tensão) visualizado no modo Eventos do monitorizador MAVOWATT 30/40/70. ... 44

Figura 3.22 – Ecrã do modo Relatórios Status do monitorizador

MAVOWATT 30/40/70. ... 45

Figura 3.23 –Monitorizadores de QEE do fabricante Gossen Metrawatt:

a) MAVOSYS 10; b) MAVOWATT 50 ... 48

Figura 3.24 – Monitorizador de QEE C.A 8334. ... 49

Figura 3.25 – Vários ecrãs do modo Formas de Onda: a) menu valores eficazes (correntes) b) menu valores eficazes (tensão); c) menu THD d) menu max min; e) menu todos os valores em simultâneo; f) menu fasores. .. 50

Figura 3.26 – Ecrãs do modo Harmónicos: a) As 3 fases em simultâneo; b) Apenas uma fase; c) Potência aparente; d) Harmónico das componentes

simétricas separados. ... 51

Figura 3.27 – Ecrãs do modo Potência/Energia: a) Energias e potências; b) Factor de potência. ... 51

Figura 3.28 – Ecrã do modo Transitórios. ... 52

Figura 3.29 – Tabela de eventos ocorridos durante o período de monitorização. ... 52

Figura 3.30 – Gráficos da evolução de medições durante o período de

monitorização: a) Valor eficaz das tensões; b) Valores médios da

potência. ... 53

Figura 3.31 – Monitorizador de QEE C.A 8352. ... 54

Figura 3.32 – Monitorizadores de QEE do fabricante Power Measurement (Grupo

Schneider): a) ION 8800; b) ION 8600; c) ION 7550/760. ... 56

Figura 3.33 – Monitorizadores de QEE do fabricante VOLTECH: a) PM 6000;

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Índice de Figuras

Figura 3.34 – Monitorizadores de QEE do fabricante HIOKI: a) 3196;

b) 3169-20 / 21; c) 3197. ... 57

Figura 3.35 – Monitorizadores de QEE do fabricante ZES ZIMMER: a) LMG95; b) LMG450; c) LMG500. ... 57

Figura 3.36 – Monitorizadores de QEE do fabricante EXTECH: a) 382095; b) 382091. ... 57

Figura 3.37 – Monitorizadores de QEE do fabricante YOKOGAWA: a) CW240; b) CW120. ... 58

Figura 3.38 – Monitorizadores de QEE do fabricante HT ITALIA: a) PQA824; b) VEGA76 ... 58

Figura 4.1 – Esquema de blocos do Monitorizador de QEE. ... 62

Figura 4.2 – Motherboard EPIA mini-itx, modelo MII 12000. ... 62

Figura 4.3 – Fonte de alimentação do computador (pico-PSU-60-WI). ... 63

Figura 4.4 – Placa de condicionamento de Sinal. ... 64

Figura 4.5 – Esquema da placa de condicionamento. ... 65

Figura 4.6 – Sensores de tensão LV 25-P. ... 65

Figura 4.7 – Esquema de ligação do sensor de tensão LV 25-P. ... 66

Figura 4.8 – Efeito de Hall. Um material atravessado por uma corrente eléctrica inserido num campo magnético perpendicular a essa corrente. ... 68

A Figura 4.8 foi obtida a partir de uma figura original do site: http://www.unb.br/iq/kleber/EaD/Eletromagnetismo/EfeitoHall/EfeitoHall.html. Figura 4.9 – Sensor de corrente LemFlex RR3020. ... 69

Figura 4.10 – Bobina de Rogowski. ... 70

Figura 4.11 – Carta de aquisição NI PCI-6220 da National Instruments. ... 71

Figura 4.12 – Adaptação da ficha de entradas/saídas da placa NI PCI-6220. ... 72

Figura 4.13 – Esquema do circuito de interface entre a bateria e a fonte de alimentação – também tem a função de carregar a bateria... 72

Figura 4.14 – Unidade central do Monitorizador de QEE integrado em caixa – vistas de frente e verso. ... 73

Figura 4.15 – Versão do Monitorizador sem monitor incluído na mala. ... 74

Figura 4.16 – Versão do Monitorizador de QEE com monitor integrado na mala. .... 74

Figura 4.17 – Painel “VISUALIZAÇÃO SCOPE e THD” da aplicação “Scope e THD”. ... 75

Figura 4.18 – Painel “MAIS GRÁFICOS de HARMÓNICOS…” da aplicação “Scope e THD”. ... 76

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Índice de Figuras

xvi Sistema de Monitorização de Consumos Energéticos e de Problemas de Qualidade de Energia Eléctrica

Figura 4.19 – Painel “CONFIGURAÇÃO de RELATÓRIOS” da aplicação

“Scope e THD”. ... 77

Figura 4.20 – Painel “CONFIGURAÇÃO do HARDWARE” da aplicação “Scope e THD”. ... 78

Figura 4.21 – Estrutura de directórios da aplicação “EventosPQ”. ... 79

Figura 4.22 – Painel “AQUISIÇÃO e REGISTO” da aplicação “EventosPQ”. ... 80

Figura 4.23 – Painel “CONFIGURAÇÃO de E-MAIL” da aplicação “EventosPQ”. 81 Figura 4.24 – Painel “Registo Temporizado”. ... 82

Figura 4.25 – Painel “LER DADOS STRIP CHART” da aplicação “Relatórios”. .... 83

Figura 4.26 – Painel “LER DADOS SAGS & SWELLS” da aplicação “Relatórios.”. ... 84

Figura 4.27 – Painel “LER DADOS EVENTOS WAVE SHAPE” da aplicação “Relatórios”. ... 84

Figura 4.28 – Painel “Ondas” da aplicação “Relatórios”. ... 85

Figura 4.29 – Aspecto do painel “CONFIGURAÇÃO RELATÓRIOS (HTML e Word)”. ... 86

Figura 4.30 – Aspecto do painel “FASORES” da aplicação “Grandezas Clássicas”. 87 Figura 4.31 – Gerador dos sinais que serão utilizados no modo “Simulação”. ... 88

Figura 4.32 – Interface da aplicação “Teoria p-q”. ... 89

Figura 4.33 – Interface da aplicação “Config”. ... 90

Figura 5.1 – Diagrama de blocos da ligação do Monitorizador com o FAP ... 93

Figura 5.2 – Placa de condicionamento de sinal do Monitorizador Integrado no FAP. ... 94

Figura 5.3 – Esquema de ligação do sensor de corrente da LEM de corrente LA100-P. ... 95

Figura 5.4 – Monitorizador Integrado no Filtro Activo de Potência – vistas de frente e verso. ... 95

Figura 5.5 – Protótipos de Filtros Activos de Potência desenvolvidos no Projecto SINUS. ... 96

Figura 5.6 – Painel “SCOPE” da aplicação “Scope e THD” do Monitorizador Integrado em Filtro Activo de Potência do Projecto SINUS. ... 97

Figura 5.7 – Painel “GRÁFICOS de HARMÓNICOS” da aplicação “Scope e THD” do Monitorizador Integrado em Filtro Activo de Potência. ... 98

Figura 5.8 – Painel “CONFIGURAÇÃO do HARDWARE/REGISTO de DADOS”. ... 99

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Índice de Figuras

Figura 5.9 – Painel “AQUISIÇÃO e REGISTO” da aplicação “Eventos PQ” do Monitorizador Integrado no Filtro Activo de Potência do Projecto SINUS. ... 100

Figura 5.10 – Painel “CONFIGURAÇÃO da MONITORIZAÇÃO” da aplicação “Eventos PQ” do Monitorizador Integrado no Filtro Activo Potência do Projecto SINUS. ... 101

Figura 5.11 – Painel “CONFIGURAÇÃO do E-MAIL”da aplicação “Eventos PQ” do Monitorizador Integrado no Filtro Activo de Potência. ... 102

Figura 5.12 – Interface da aplicação “Config” do Monitorizador Integrado

no FAP. ... 103

Figura 6.1 – Evolução dos valores eficazes da Fase a ao longo da monitorização do quadro geral de entrada da Alliance Healthcare: a) Tensão (V);

b) Corrente (A). ... 106

Figura 6.2 – Evolução dos valores de THD da Fase a ao longo a monitorização do quadro de entrada geral da Alliance Healthcare: a) THD tensão (%); b) THD corrente (%). ... 106

Figura 6.3 – Evolução dos valores eficazes da Fase b ao longo da monitorização do quadro geral de entrada da Alliance Healthcare: a) Tensão (V);

b) Corrente (A) ... 107

Figura 6.4 – Evolução dos valores de THD da Fase b ao longo da monitorização do quadro geral de entrada da Alliance Healthcare: a) THD tensão (%); b) THD corrente (%). ... 107

Figura 6.5 – Evolução dos valores eficazes da Fase c durante a monitorização do quadro geral de entrada: a) Tensão (V); b) Corrente (A). ... 108

Figura 6.6 – Evolução dos valores de THD da Fase c ao longo da monitorização do quadro geral de entrada Alliance Healthcare: a) THD tensão (%);

b) THD corrente (%). ... 108

Figura 6.7 – Variação da corrente no neutro ao longo da monitorização do quadro geral de entrada da Alliance Healthcare. ... 109

Figura 6.8 - Evolução dos valores de desequilíbrio durante a monitorização do quadro geral de entrada da Alliance Healthcare: a) Desequilíbrio de tensão(%); b) Desequilíbrio de corrente(%). ... 109

Figura 6.9 – Formas de onda das tensões e das correntes registada durante a

monitorização do quadro geral de entrada da Alliance Healthcare. .... 110

Figura 6.10 – Evolução do factor de potência durante a monitorização do quadro geral de entrada da Alliance Healthcare. ... 111

Figura 6.11 – Monitorizador de QEE instalado no PT2 para monitorizar o quadro eléctrico da máquina branqueadora Benninger Zell. ... 112

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Índice de Figuras

xviii Sistema de Monitorização de Consumos Energéticos e de Problemas de Qualidade de Energia Eléctrica

Figura 6.12 – Evolução dos valores eficazes da Fase a da máquina Benninger Zell do PT2 ao longo da monitorização: a) Tensão (V); b) Corrente (A). ... 113

Figura 6.13 – Evolução dos valores de THD da Fase a da máquina Benninger Zell do PT2 ao longo da monitorização: a) THD tensão (%);

Figura 6.14 – Evolução dos valores eficazes da Fase b da máquina Benninger Zell do PT2 ao longo da monitorização: a) Tensão (V); b) Corrente (A). ... 114

Figura 6.15 – Evolução dos valores de THD da Fase b da máquina Benninger Zell do PT2 ao longo da monitorização: a) THD tensão (%);

Figura 6.16 – Evolução dos valores eficazes da Fase c da máquina Benninger Zell do PT2 ao longo da monitorização: a) Tensão (V); b) Corrente (A). ... 115

Figura 6.17 – Evolução dos valores de THD da Fase c da máquina Benninger Zell do PT2 ao longo da monitorização: a) THD tensão (%);

Figura 6.18 – Variação do valor eficaz da corrente no neutro da máquina Benninger

Zell ao longo da monitorização. ... 115

Figura 6.19 – Evolução dos valores de desequilíbrio durante a monitorização da máquina Benninger Zell do PT2: a) Desequilíbrio de tensão (%);

b) Desequilíbrio de corrente (%). ... 116

Figura 6.20 – Formas de onda da tensão e das correntes nas três fases e no neutro da máquina Benninger Zell do PT2. ... 116

Figura 6.21 – Evolução do Factor de potência ao longo da monitorização da máquina

Benninger Zell do PT2. ... 118

Figura 6.22 – Algumas deformações na forma de onda das tensões da máquina

Benninger Zell do PT2: a) Evento 3; b) Evento 10 c); Evento 31;

d) Evento 40. ... 120

Figura 6.23 – Monitorizador de QEE instalado no quadro eléctrico do Laboratório de Análises Clínicas do Hospital Pedro Hispano. ... 121

Figura 6.24 – Evolução dos valores eficazes da Fase a durante a monitorização do quadro eléctrico nº 1 do Laboratório de Análises Clínicas:

a) Tensão (V); b) Corrente (A). ... 122

Figura 6.25 – Evolução dos valores de THD da Fase a durante a monitorização do quadro eléctrico nº 1 do Laboratório de Análises Clínicas:

a) THD tensão (%); b) THD corrente (%). ... 122

Figura 6.26 – Evolução dos valores eficazes da Fase b durante a monitorização do quadro eléctrico nº 1 do Laboratório de Análises Clínicas:

(20)

Índice de Figuras

Figura 6.27 – Evolução dos valores de THD da Fase b durante a monitorização do quadro eléctrico nº 1 do Laboratório de Análises Clínicas:

Figura 6.28 – Evolução dos valores eficazes da Fase c durante a monitorização do quadro eléctrico nº 1 do Laboratório de Análises Clínicas:

a) Tensão (V); b) Corrente (A). ... 124

Figura 6.29 – Evolução dos valores de THD da Fase c durante a monitorização do quadro eléctrico nº 1 do Laboratório de Análises Clínicas:

Figura 6.30 – Evolução do valor eficaz da corrente do neutro do quadro eléctrico nº1 do Laboratório de Análises Clínicas ao longo da monitorização. . 124

Figura 6.31 – Evolução dos valores de desequilíbrio durante a monitorização do quadro eléctrico nº 1 do Laboratório de Análises Clínicas: a)

Desequilíbrio de tensão (%); b) Desequilíbrio de corrente (%). ... 125

Figura 6.32 – Formas de onda das tensões e das correntes do quadro eléctrico nº 1 do Laboratório de Análises Clínicas. ... 126

Figura 6.33 – Evolução do factor de potência durante a monitorização do quadro eléctrico nº 1 do Laboratório de Análises Clínicas. ... 127

Figura 6.34 – Alguns eventos do tipo Wave Shape ocorridos durante a monitorização do quadro eléctrico nº 1 do Laboratório de Análises Clínicas do

Hospital Pedro Hispano: a) Evento 1; b) Evento 2; c) Evento 3;

d) Evento 4. ... 128

Figura 6.35 – Evolução dos valores eficazes da Fase a durante a monitorização do quadro eléctrico do SAPIA: a) Tensão (V); b) Corrente (A). ... 129

Figura 6.36 – Evolução dos valores de THD da Fase a durante a monitorização do quadro eléctrico do SAPIA: a) THD tensão (%);

Figura 6.37 – Evolução dos valores eficazes da Fase b durante a monitorização do quadro eléctrico do SAPIA: a) Tensão (V); b) Corrente (A). ... 130

Figura 6.38 – Evolução dos valores de THD da Fase b durante a monitorização do quadro eléctrico do SAPIA: a) THD tensão (%);

Figura 6.39 – Evolução dos valores eficazes da Fase c durante a monitorização do quadro do SAPIA: a) Tensão (V) b) Corrente (A). ... 130

Figura 6.40 – Evolução dos valores de THD da Fase c durante a monitorização do quadro eléctrico do SAPIA: a) THD tensão (%)

Figura 6.41 – Evolução do valor eficaz da corrente do neutro do quadro eléctrico SAPIA. ... 131

(21)

Índice de Figuras

xx Sistema de Monitorização de Consumos Energéticos e de Problemas de Qualidade de Energia Eléctrica

Figura 6.42 – Evolução dos valores de desequilíbrio durante a monitorização do quadro eléctrico do SAPIA: a) Desequilíbrio de tensão (%); b)

Desequilíbrio de corrente (%). ... 132

Figura 6.43 – Formas de onda das tensões e das correntes do quadro eléctrico do SAPIA. ... 132

Figura 6.44 – Evolução do factor de potência durante a monitorização do quadro eléctrico do SAPIA. ... 134

Figura 6.45 – Deformações de formas de onda ocorridos durante a monitorização do quadro eléctrico do SAPIA: a) Evento 12; b) Evento 69;

c) Evento 145; d) Evento 152. ... 135 Figura 7.1 – Formas de onda das tensões e das correntes na instalação da Alliance

Healthcare com o Filtro Activo Potência instalado em

funcionamento. ... 138

Figura 7.2 – Gráficos do conteúdo harmónico das correntes na fonte e na carga na instalação da Alliance Healthcare com o Filtro Activo de Potência em funcionamento. ... 138

Figura 7.3 – Formas de onda das tensões e das correntes na máquina branqueadora

Benninger Zell da Lameirinho com o FAP em funcionamento... 139

Figura 7.4 – Gráficos do conteúdo harmónico das correntes na fonte e na carga da máquina branqueadora Benninger Zell da Lameirinho com o FAP em funcionamento. ... 140

Figura 7.5 – Formas de onda das tensões e das correntes na instalação do Laboratório de Análises Clínicas do Hospital Pedro Hispano com o FAP instalado em funcionamento. ... 141

Figura 7.6 – Gráficos do conteúdo harmónico das correntes na fonte e na carga no Laboratório de Análises Clínicas do Hospital Pedro Hispano com o FAP em funcionamento. ... 141

Figura 7.7 – Formas de onda das tensões e das correntes na instalação do SAPIA com o Filtro Activo de Potência instalado em funcionamento. ... 142

Figura 7.8 – Gráficos do conteúdo harmónico das correntes na fonte e na carga das instalações do SAPIA com o Filtro Activo de Potência em

(22)

Índice de Tabelas

Tabela 2.1 – Categorias e características típicas dos fenómenos electromagnéticos nos sistemas eléctricos, segundo recomendações da norma

IEEE 1159 - 1995. ... 9

Tabela 2.2 – Valores dos harmónicos de tensão até á ordem 25 nos pontos de

fornecimento, expressos em percentagem da tensão nominal. ... 15

Tabela 3.1 – Algumas características do monitorizador de QEE Fluke 434/435. ... 35

Tabela 3.2 – Precisão e resolução para as várias medições do Fluke 434/435. ... 36

Tabela 3.3 – Algumas características do monitorizador de QEE Fluke 1760 Topas. 37

Tabela 3.4 – Principais características do monitorizador MAVOWATT 70. ... 46

Tabela 3.5 – Principais características do monitorizador MAVOSYS 10. ... 47

Tabela 3.6 – Principais características do monitorizador MAVOWATT 50. ... 48

Tabela 3.7 – Principais características do monitorizador C.A 8334. ... 53

Tabela 3.8 – Principais características do monitorizador de QEE C.A 8352. ... 56

Tabela 4.1 – Características da motherboard. ... 63

Tabela 4.2 – Características da fonte de alimentação do computador. ... 64

Tabela 4.3 – Valores de RM para diferentes condições de alimentação. ... 66

Tabela 4.4 – Principais características do sensor de tensão LV 25-P. ... 67

Tabela 6.1 – Valores eficazes e de THD da tensão e da corrente na Fase a da

Tabela 6.2 – Valores eficazes e de THD da tensão e da corrente na Fase b da

Tabela 6.3 – Valores eficazes e de THD da tensão e da corrente na Fase c da

Tabela 6.4 – Valores eficazes da corrente no neutro da monitorização do quadro geral de entrada da Alliance Healthcare. ... 108

Tabela 6.5 – Valores percentuais dos desequilíbrios de tensão e de corrente da

Tabela 6.6 – Dados referentes às formas de onda da Figura 6.9. ... 110

Tabela 6.7 – Consumos energéticos medidos durante a monitorização do quadro geral de entrada Alliance Healthcare... 111

Tabela 6.8 – Dados sobre o factor de potência da monitorização do quadro

(23)

Índice de Tabelas

xxii Sistema de Monitorização de Consumos Energéticos e de Problemas de Qualidade de Energia Eléctrica

Tabela 6 9 – Dados sobre a subtensão ocorrida durante a monitorização do quadro geral de entrada da Alliance Healthcare. ... 111

máquina branqueadora Benninger Zell do PT2. ... 113

máquina Benninger Zell do PT2. ... 114

Tabela 6.13 – Valores eficazes da corrente no neutro da máquina Benninger Zell do PT2. ... 115

Tabela 6.14 – Valores percentuais dos desequilíbrios de tensão e de corrente. ... 116

Tabela 6.15 – Dados referentes às formas de onda apresentadas na Figura 6.20. .... 117

Tabela 6.16 – Consumos energéticos medidos durante a monitorização da máquina

Benninger Zell do PT2. ... 118

Tabela 6.17 – Dados sobre o factor de potência da máquina Benninger Zell do

PT2. ... 118

Tabela 6.18 – Subtensões momentâneas ocorridas durante a monitorização da

Tabela 6.19 – Alguns eventos Wave Shape que ocorridos durante a monitorização da máquina Benniger Zell do PT2. ... 119

Tabela 6.20 – Valores eficazes e de THD da tensão e da corrente na Fase a da monitorização do quadro eléctrico nº 1 do Laboratório de Análises Clínicas. ... 121

Tabela 6.21 – Valores eficazes e de THD da tensão e da corrente na Fase b da monitorização do quadro eléctrico nº 1 do Laboratório de Análises Clínicas. ... 122

Tabela 6.22 – Valores eficazes e de THD da tensão e da corrente na Fase c da monitorização do quadro eléctrico nº 1 do Laboratório de Análises Clínicas. ... 123

Tabela 6.23 – Valores eficazes da corrente no neutro da monitorização do quadro eléctrico nº 1 do Laboratório de Análises Clínicas do Hospital Pedro Hispano. ... 124

(24)

Índice de Tabelas

Tabela 6.24 – Valores percentuais dos desequilíbrios de tensão e de corrente durante a monitorização do quadro eléctrico nº1 do Laboratório de Análises Clínicas. ... 125

Tabela 6.26 – Consumos energéticos medidos durante a monitorização do quadro eléctrico nº 1 do Laboratório de Análises Clínicas. ... 127

Tabela 6.27 – Dados sobre o factor de potência da monitorização quadro eléctrico nº 1 do Laboratório de Análises Clínicas. ... 127

Tabela 6.28 – Distorções da forma de onda das tensões ocorridas durante a monitorização do quadro eléctrico nº 1 do Laboratório de Análises Clínicas. ... 127

monitorização do quadro eléctrico do SAPIA. ... 129

Tabela 6.32 – Valores eficazes da corrente no neutro durante a monitorização do quadro eléctrico do SAPIA. ... 131

Tabela 6.33 – Valores percentuais dos desequilíbrios de tensão e de corrente da monitorização do quadro eléctrico do SAPIA. ... 131

Tabela 6.35 – Consumos energéticos medidos na monitorização do quadro

eléctrico do SAPIA. ... 133

Tabela 6.36 – Dados sobre o factor de potência durante a monitorização do quadro eléctrico do SAPIA. ... 134

Tabela 6.37 – Alguns eventos em que ocorreram deformações da forma de onda das tensões registadas durante a monitorização do quadro eléctrico do SAPIA. ... 134

(25)

(26)

CAPÍTULO 1

Introdução

1.1. Identificação do Problema

A rápida evolução da electrónica proporcionou que os conversores electrónicos de potência se tornassem cada vez mais comuns nos equipamentos utilizados pelas indústrias e pelos consumidores em geral. Esses equipamentos electrónicos vieram agilizar e melhorar os processos nas indústrias, e a nível doméstico trouxeram mais conforto e comodidade às pessoas. Antes da massificação da utilização dos conversores electrónicos a Qualidade de Energia Eléctrica (QEE) basicamente se resumia a interrupções no fornecimento de energia. Actualmente muitos outros factores influenciam a qualidade de energia, visto que cada vez mais as cargas são sensíveis e não-lineares. Dos principais problemas de qualidade de energia destacam-se os seguintes: faltas momentâneas de tensão (sags), sobretensões momentâneas (swells), transitórios, harmónicos, ruídos de alta frequência, micro-cortes, flutuações de tensão (flicker) desequilíbrios e variações de frequência.

Um exemplo de uma carga não-linear e sensível bastante comum a nível industrial e a nível doméstico é o computador. A Figura 1.1 apresenta as formas de onda da tensão e da corrente e o conteúdo harmónico da corrente de um computador. Pode-se verificar que o consumo de corrente contém um elevado valor de distorção harmónica, estando por isso essa carga muito longe de ser uma carga linear.

Figura 1.1 – Formas de ondas da tensão (V) e da corrente (I) para um computador e gráfico de harmónicos da corrente.

(27)

Capítulo 1 – Introdução

2 Sistema de Monitorização de Consumos Energéticos e de Problemas de Qualidade de Energia Eléctrica

Hoje em dia a Qualidade de Energia Eléctrica é um importante factor a ter-se em conta nas instalações eléctricas. Um problema de qualidade de energia pode causar prejuízos muito avultados, por exemplo numa indústria pode provocar a interrupção de um processo, e isso pode significar a paragem da empresa durante algumas horas. Dessa forma, torna-se importante realizar monitorizações de Qualidade de Energia Eléctrica, que permitam detectar e diagnosticar problemas de qualidade de energia e traçar perfis de consumo energético. As monitorizações também poderão servir para se descobrir se o problema tem origem no consumidor ou na empresa fornecedora de energia eléctrica, permitindo assim verificar se esta cumpre os parâmetros de qualidade da energia estipulados pelas normas contratualizadas.

Com as questões ambientais e a escassez de recursos naturais cada vez mais a serem uma preocupação, tanto a nível de opinião pública como também a nível político, o consumo de energia tornou-se uma preocupação mundial. Sendo assim, é uma questão importante saber como utilizar a energia de forma racional. Por isso, a monitorização dos consumos energéticos também é uma função muito importante que os equipamentos de monitorização devem ter. Dessa forma, possibilita ao consumidor conhecer o perfil de consumo das instalações e verificar se é possível adoptar medidas para reduzir as perdas energéticas. De salientar que alguns dos problemas de qualidade de energia também se reflectem num maior consumo, devido ao aumento das perdas nas instalações.

1.2. Motivações do Trabalho

Existem no mercado variadíssimos equipamentos que medem e registam os parâmetros de Qualidade de Energia Eléctrica. Normalmente os fabricantes disponibilizam no mercado equipamentos de gama baixa, média e alta, variando naturalmente, as funcionalidades e os preços de gama para gama. Os equipamentos de gama alta disponíveis no mercado têm em geral boas características e normalmente os fabricantes disponibilizam um software que analisa e produz relatórios automaticamente. Apesar das muitas opções disponíveis no mercado este trabalho justifica-se pelos seguintes motivos:

• Adquirir conhecimento na área da Qualidade da Energia Eléctrica, área na qual, o Departamento de Electrónica Industrial (DEI) da Universidade do Minho tem investido bastante nos últimos anos;

(28)

• Melhorar o equipamento que já vinha sendo desenvolvido no DEI;

• Desenvolver tecnologia relativa aos monitorizadores de QEE em Portugal uma vez que não existe nenhum equipamento português deste tipo no mercado;

• Desenvolver um equipamento de baixo custo, mas com boas características, comparativamente aos existentes no mercado;

• Realizar monitorizações de Qualidade de Energia Eléctrica recorrendo ao equipamento de monitorização desenvolvido.

Este trabalho inseriu-se no Projecto SINUS – Tecnologia para Monitorização da Qualidade de Energia, Compensação Dinâmica de Factor de Potência, Harmónicos e Desequilíbrios de Corrente e para Interface de Fontes Renováveis (www.sinus-pq.com). O projecto SINUS foi financiado pela ADI (Agência de Inovação) através do Programa de Incentivos à Modernização da Economia – PRIME. Este projecto propôs-se a desenvolver protótipos de equipamentos a serem demonstrados em funcionamento em 4 instalações diferentes: uma Indústria Têxtil, uma Indústria Farmacêutica, um Hospital e uma Universidade. Os equipamentos têm a função de monitorizar os consumos e a Qualidade de Energia Eléctrica, de compensar os harmónicos e os desequilíbrios de corrente, bem como de corrigir o factor de potência. Numa das instalações o equipamento também funciona como interface de fontes de energia renovável com a rede eléctrica. Os equipamentos de compensação desenvolvidos são Filtros Activos de Potência do tipo Paralelo. Antes de se projectar os filtros activos era importante conhecer as características eléctricas das instalações. Para isso era necessário monitorizar as instalações em causa. As monitorizações deveriam decorrer por um período de tempo suficientemente grande para se obter uma imagem mais correcta do perfil eléctrico das instalações. Mas sendo assim teria que se adquirir vários equipamentos de monitorização, o que seria bastante dispendioso. O desenvolvimento de um sistema de monitorização de QEE permitiu reduzir os custos, mas também promover as características do equipamento mais de acordo com o pretendido, de outra forma ficava-se dependente das características dos equipamentos a adquirir no mercado. Outra função importante era o facto de se poder aceder ao equipamento remotamente através de ferramentas de internet, isto para evitar as constantes idas às instalações para configurar o equipamento e para recolher os dados da monitorização. Por isso a utilização de um computador para o sistema de monitorização facilitou essa questão porque se pôde recorrer a dispositivos móveis de acesso à internet.

(29)

Uma mais-valia a acrescentar aos filtros activos desenvolvidos foi a integração de um monitorizador de QEE. Além da possibilidade de monitorizar e registar as influências dos filtros activos nos parâmetros de QEE das instalações também permitiu visualizar as formas de onda das tensões e correntes, possibilitando desta forma uma rápida percepção da actuação dos Filtros Activos de Potência desenvolvidos.

1.3. Objectivos do Trabalho

• Desenvolver uma estrutura física para o Monitorizador de QEE compacta para facilitar o seu transporte e a sua instalação;

• Melhorar as capacidades do Monitorizador anteriormente desenvolvido no DEI. Esse monitorizador foi desenvolvido no âmbito de uma dissertação apresentada em 2004 na Universidade do Minho [1]. Além do registo dos valores eficazes e das energias consumidas, pretendeu-se registar também os seguintes parâmetros: factor de potência para todas as fases, potências de todas as fases e total (aparente, activa e reactiva), THD (Total Harmonic Distortion – distorção harmónica total) da tensão e da corrente, desequilíbrios de tensão e de corrente;

• Desenvolver um monitorizador para ser integrado nos Filtros Activos de Potência desenvolvidos no projecto SINUS;

• Realizar estudos de Qualidade de Energia Eléctrica nas instalações das 4 entidades demonstradoras do projecto SINUS (Universidade do Minho, Empresa Têxtil Lameirinho, Hospital Pedro Hispano e Empresa Farmacêutica Alliance Healthcare de Aveiro);

• Melhor a aplicação de software de análise de dados das monitorizações;

• Desenvolver uma nova aplicação de software que permita visualizar os dados medidos pelo Monitorizador Integrado nos Filtros Activos de Potência;

• Desenvolver uma aplicação de registo contínuo, que registe as medições e os problemas de QEE para o Monitorizador Integrado;

• Desenvolver uma aplicação de software para a configuração dos ganhos e dos valores de offset do Monitorizador Integrado.

(30)

1.4. Organização da Tese

No Capítulo 2 são apresentadas algumas definições de Qualidade de Energia Eléctrica e são também caracterizados os principais problemas de qualidade de energia.

O Capítulo 3 descreve alguns dos principais monitorizadores disponíveis no mercado.

O Capítulo 4 descreve o software e o hardware do Monitorizador de QEE desenvolvido. Na parte do software são descritos todos os componentes físicos que constituem o Monitorizador, enquanto na parte do software são descritas todas as aplicações disponibilizadas pelo equipamento.

No Capítulo 5 repete-se a situação do capítulo anterior mas em relação ao Monitorizador de QEE Integrado em Filtros Activos de Potência.

No Capítulo 6 são apresentados vários dados referentes a monitorizações realizadas nas empresas demonstradoras do Projecto de SINUS.

No Capítulo 7 são apresentados dados recolhidos pelos Monitorizadores Integrados em Filtros Activos de Potência nas empresas em que os mesmos estão ligados a compensar as correntes das instalações.

O Capítulo 8 apresenta as principais conclusões retiradas deste trabalho, bem como algumas sugestões de trabalhos futuros com vista a melhorar o equipamento de monitorização desenvolvido.

(31)

(32)

CAPÍTULO 2

Qualidade de Energia Eléctrica

2.1. Introdução

Devido ao grande crescimento da utilização de cargas não-lineares nos sistemas eléctricos a rede eléctrica tem sofrido uma crescente deterioração das formas de onda da tensão e da corrente. Devido a esse facto surge um novo termo no âmbito da energia eléctrica que é a Qualidade de Energia Eléctrica (QEE). Geralmente, este termo é aplicado a uma grande variedade de fenómenos electromagnéticos que ocorrem nos sistemas eléctricos. Há várias definições para Qualidade de Energia Eléctrica, tais como: “Qualquer problema manifestado na tensão, corrente ou variação da frequência, que resulte numa falha ou mau funcionamento em equipamentos do utilizador” [2]. Outra definição é: “A qualidade da energia corresponde a um conjunto de limites das grandezas eléctricas que permitem que determinado equipamento funcione de forma correcta, sem perdas significativas do seu desempenho ou do seu tempo de vida esperado” [3].

A Qualidade de Energia Eléctrica é hoje em dia um parâmetro muito importante na implementação de um sistema eléctrico, uma vez que os equipamentos eléctricos cada vez mais incorporam elementos electrónicos, que para além de consumirem correntes distorcidas, também requerem parâmetros de energia eléctrica cada vez mais apertados, podendo uma pequena perturbação desses mesmos parâmetros ser o suficiente para o não funcionamento, ou em casos mais extremos, para provocar a avaria desses equipamentos. Por esses motivos, têm aparecido em torno da QEE grandes interesses científicos, económicos e sociais. Impulsionada pelos interesses económicos, visto que uma pequena falha de na energia eléctrica poderá significar milhares de euros de prejuízos, a investigação em torno da Qualidade de Energia Eléctrica ganhou grande importância para as empresas fabricantes de equipamentos de medições eléctricas, bem como nos meios académicos.

O problema latente a este, bem como a qualquer meio de prestações de bens e serviços, prende-se com a dificuldade em quantificar a “qualidade”, uma vez que, se um cliente fica satisfeito com a qualidade de um determinado serviço, porque este satisfaz as suas necessidades, para um outro cliente o mesmo serviço já não é satisfatório, visto

(33)

Capítulo 2 – Qualidade de Energia Eléctrica

que este pode não preencher os requisitos necessários para a sua situação. Mesmo dois equipamentos eléctricos iguais podem reagir de maneira diferente aos mesmos parâmetros de Qualidade de Energia Eléctrica, já que os componentes que os constituem têm tolerâncias, que os tornam diferentes, e o processo de fabrico pode também influenciar o comportamento dos equipamentos. Por estes motivos existem entidades que criam normas e definições técnicas que regularizam os serviços prestados e as possíveis ocorrências de problemas associados a esses mesmos serviços.

Na Europa o CENELEC (Comité Europeu de Normalização Electrotécnica) criou uma norma, denominada EN 50160. Esta norma estabelece, no ponto de entrega ao cliente (PCC – Point of Common Coupling), os parâmetros de qualidade da tensão fornecida por uma rede de distribuição pública, em Baixa Tensão ou Média Tensão. Esta norma já foi adoptada por vários países europeus. Outras organizações internacionais como a Comissão Electrotécnica Internacional (CEI ou IEC –

International Electrotechnical Commission) e o Instituto dos Engenheiros

Electrotécnicos e Electrónicos (IEEE) também elaboraram normas visando limitar os conteúdos harmónicos nas tensões dos sistemas eléctricos, nomeadamente a norma IEEE–519 e a norma IEC 61000.

O IEEE também publicou a norma IEEE 1159–1995, que classifica vários fenómenos electromagnéticos, causados por problemas de Qualidade de Energia Eléctrica, presentes nos sistemas de eléctricos, tais como: transitórios de tensão, subtensões, sobretensões, cavas de tensão, flutuações de tensão, variações de frequência, harmónicos, inter-harmónicos,

entre outros. A Tabela 2.1 apresenta esses fenómenos electromagnéticos e a sua

(34)

Tabela 2.1 – Categorias e características típicas dos fenómenos electromagnéticos nos sistemas eléctricos, segundo recomendações da norma IEEE 1159–1995.

Categorias Duração Típica Amplitude Típica Transitórios Impulsos Nanosegundos < 50 ns Microsegundos 50 ns a 1 ms Milisegundos > 1ms Oscilações Alta Frequência 5 μs 0 a 4 pu Média Frequência 20 μs 0 a 8 pu Baixa Frequência 0,3 a 50 ms 0 a 4 pu Variações de Curta Duração

Instantâneas Sag 0,5 a 30 ciclos 0,1 a 0,9 pu

Swell 0,5 a 30 ciclos 1,1 a 1,8 pu

Momentâneas Interrupção 0,5 ciclos a 3 s < 0,1 pu

Sag 30 ciclos a 3 s 0,1 a 0,9 pu Swell 30 ciclos a 3 s 1,1 a 1,4 pu Temporárias Interrupção 3 s a 1 min. < 0,1 pu Sag 3 s a 1 min. 0,1 a 0,9 pu Swell 3 s a 1 min. 1,1 a 1,2 pu Variações de Longa Duração

Interrupção Persistente > 1 min. 0,0 pu

Subtensão > 1 min. 0,8 a 0,9 pu

Sobretensão > 1 min. 1,1 a 1,2 pu

Desequilíbrio de Tensão Regime Permanente 0,5 a 2 %

Distorção da Forma de Onda

Offset DC Regime Permanente 0,0 a 0,1 %

Harmónicos Regime Permanente 0 a 20 % Interharmónicos Regime Permanente 0 a 2 %

Notching Regime Permanente

Ruído Regime Permanente 0 a 1 %

Flutuações de Tensão Intermitente 0,1 a 7 %

Variações de Frequência < 10 s

Os itens apresentados a seguir descrevem os pormenores típicos de problemas de Qualidade de Energia dos sistemas eléctricos.

2.2. Cavas de Tensão

Um afundamento de tensão ou cava de tensão (voltage sag) é um fenómeno de curta duração, entre meio ciclo da rede até 1 minuto [4] [5], que se manifesta no abaixamento do valor eficaz (RMS - Root Mean Square) da tensão. A norma IEEE 1159-1995 considera a ocorrência duma cava quando o valor eficaz da tensão

(35)

baixa para valores entre 90% e 10% do valor nominal. A norma EN 50160 considera um intervalo um pouco maior (90% até 1%). Uma cava de tensão poderá ocorrer, caso o sistema seja trifásico, nas três fases simultaneamente, ou em duas fases, ou apenas numa fase, levando nestes dois últimos casos à ocorrência de desequilíbrios na tensão.

Segundo a norma IEEE 1159–1995 as cavas de tensão podem ser classificadas mediante as suas durações:

• Instantâneas: duração de 0,5 a 30 ciclos; • Momentâneas: duração de 30 ciclos a 3 s; • Temporárias: duração de 3 s a 1 minuto.

Normalmente as cavas de tensão são causadas por cargas que ao serem ligadas requerem uma corrente muito elevada. Uma outra possível causa poderá ser, por exemplo, um curto-circuito momentâneo num ramal da instalação eléctrica, que passados alguns milissegundos volta ao normal porque o disjuntor do ramal em curto abre.

Os variadores electrónicos de velocidade de motores são particularmente susceptíveis a estes fenómenos deixando de funcionar correctamente quando as cavas de tensão acontecem. Os equipamentos de processamento de dados também são um dos principais alvos das cavas de tensão, podendo levar a perdas de informação ou mesmo o bloqueio de computadores [6] [1] [7].

A Figura 2.1 ilustra um exemplo de uma cava de tensão com uma duração de 5 ciclos da rede e com um abaixamento de tensão de 0,5 p.u.

(36)

2.3. Sobretensões de Curta Duração

Segundo a norma IEEE 1159–1995 uma sobretensão de curta duração (voltage

swell) consiste no aumento do valor eficaz da tensão entre 10% e 80% do valor

nominal, com uma duração entre 0,5 ciclos da rede e 1 minuto. A norma EN 50160 considera uma sobretensão quando a tensão ultrapassa em 10% o valor da tensão nominal. Quando o sistema é trifásico a sobretensão pode ocorrer nas três fases, em duas fazes, ou apenas numa fase, tendo como consequência nestes dois últimos casos o facto de provocar o desequilíbrio das tensões.

A norma IEEE 1159–1995 classifica as sobretensões mediante a sua duração nas seguintes três categorias:

• Instantâneas: duração de 0,5 a 30 ciclos; • Momentâneas: duração de 30 ciclos a 3 s; • Temporárias: duração de 3 s a 1 minuto.

Uma possível causa deste fenómeno é a saída de grandes cargas da rede. Os dispositivos electrónicos, como por exemplo os computadores podem apresentar falhas ou mesmo danificarem-se na ocorrência deste fenómeno, mas o grande problema que advém das sobretensões tem a ver com o desgaste mais acelerado dos isolamentos dos cabos eléctricos. Os transformadores, os motores e os bancos de condensadores também têm a vida útil diminuída perante estas condições [6] [1].

A Figura 2.2 ilustra um exemplo de uma sobretensão com uma duração de 5 ciclos da rede em que o valor da tensão sobe até 1,5 p.u.

(37)

2.4. Interrupções

A norma IEEE 1159–1995 considera uma interrupção quando o valor de tensão decresce abaixo de 10% do valor nominal. Já a norma EN 50160 tem como limite 1% do valor nominal. Muitas vezes uma interrupção é precedida de uma cava de tensão, isto pode acontecer devido ao tempo que o dispositivo de protecção demora a actuar depois de ocorrer um curto-circuito no sistema [6].

A norma IEEE 1159–1995 classifica as interrupções quanto à sua duração como: • Interrupções momentâneas: duração entre 0,5 ciclos e 3s;

• Interrupções temporárias: duração entre 3s e 1 minuto; • Interrupção persistente: duração de mais de 1 minuto.

Já norma europeia EN 50160 classifica as interrupções como: • Interrupção longa: duração superior a 3 minutos;

• Interrupção breve: duração inferior a 3 minutos.

Normalmente as interrupções persistentes resultam de um dano na rede de distribuição. Esses danos podem ser causados por condições meteorológicas destrutivas, choques de veículos com os postes de distribuição, animais, entre muitos outros. Uma possível causa de uma interrupção momentânea ou temporária pode ser, por exemplo, a ocorrência de um curto-circuito momentâneo, que acciona o disjuntor de protecção, e cujo disjuntor volta a ligar-se automaticamente caso o curto-circuito já não se verifique no sistema eléctrico.

As interrupções podem parar processos industriais causando prejuízos avultados. Muitos desses processos, uma vez interrompidos, para voltarem a estar em pleno funcionamento podem demorar algumas horas. Outra consequência grave de uma interrupção, mesmo momentânea, pode ser a perda de dados nos computadores.

(38)

Figura 2.3 – Interrupção momentânea.

2.5. Transitórios

Os transitórios são fenómenos de muito curta duração (quase sempre menos de um ciclo) que se manifestam pela brusca alteração na forma de onda da tensão. Apesar da sua curta duração a amplitude da tensão pode atingir valores muito elevados. Os transitórios podem ser divididos em dois grupos: impulsional (Figura 2.4(a)) e oscilatório (Figura 2.4(b)). Cada grupo de transitórios pode ser dividido em três subcategorias, indicadas na Tabela 2.1, sendo os oscilatórios definidos pela sua frequência e os impulsionais definidos pelo seu tempo de subida. As três subcategorias dos transitórios impulsionais são: Nanosegundos, Microsegundos, Milisegundos. Os transitórios oscilatórios dividem-se nas seguintes três subcategorias: Baixa Frequência, Média Frequência e Alta Frequência.

Este fenómeno pode acontecer devido a vários factores, externos ou internos à instalação eléctrica, tais como: descargas atmosféricas, arcos eléctricos, comutação de grandes cargas, comutação de bancos de condensadores e de transformadores, actuação de elementos de corte (seccionadores e interruptores), etc. Destes factores destacam-se as descargas atmosféricas, que podem atingir qualquer consumidor. As descargas atmosféricas por vezes elevam os valores da amplitude da tensão de tal forma que levam à destruição dos equipamentos. A comutação de bancos de condensadores é outra causa muito frequente a gerar transitórios, mas neste caso quase exclusivamente atinge as indústrias.

Frequentemente os transitórios não causam danos visíveis no momento da ocorrência, mas a médio prazo esses efeitos fazem-se sentir, nomeadamente na redução

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da vida útil dos equipamentos, bem como na deterioração dos isolamentos dos cabos eléctricos.

Figura 2.4 – Transitório na tensão: (a) Impulsional; (b) Oscilatório.

2.6. Harmónicos

Quando a forma de onda deixa de ser puramente sinusoidal então diz-se que esta tem componentes harmónicas, ou seja, a forma de onda é o resultado da soma de várias sinusóides. Essas sinusóides têm frequências múltiplas da frequência da sinusóide de origem, também chamada de frequência fundamental. Cada harmónico é caracterizado pelo seu número de ordem, que designa a sua frequência, pela sua amplitude e pela sua fase. Normalmente o conteúdo harmónico de um sinal é quantificado por uma grandeza expressa em percentagem designada por THD (Total Harmonic Distortion – Distorção Harmónica Total). Quanto menor for o THD menos distorcido é o sinal, sendo que um sinal puramente sinusoidal tem um THD de 0%. Esta grandeza pode ser calculada através da seguinte expressão:

THD_%=

∑i=ni=2Ai2

A₁ ×100%

(2.1)

Onde Ai representa o valor eficaz da componente harmónica i e A1 o valor eficaz da componente fundamental.

A Figura 2.5 mostra o exemplo de uma forma de onda de tensão com conteúdo harmónico. Neste exemplo a forma de onda sofre uma deformação devido à existência de um harmónico de ordem 3. O valor eficaz da fundamental é de 230 V enquanto o valor eficaz do 3º harmónico é 56,6 V, sendo o THD da forma de onda de 24,6%.

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Figura 2.5 – Forma de onda da tensão com conteúdo harmónico.

A norma europeia EN 50160 estabelece os limites para cada tensão harmónica, indicados na Tabela 2.1 [5]. Para o período de monitorização de uma semana, 95% dos valores eficazes médios (média de um período de 10 minutos) de cada tensão harmónica não deve exceder os valores indicados pela tabela. A mesma norma também estabelece um limite de 8% para o valor de THD da tensão, incluindo harmónicos até à ordem 40.

Tabela 2.2 – Valores dos harmónicos de tensão até á ordem 25 nos pontos de fornecimento, expressos em percentagem da tensão nominal.

Harmónicos ímpares

Harmónicos pares

Não múltiplas de 3 Múltiplas de 3

Ordem n Tensão relativa (%) Ordem n Tensão relativa (%) Ordem n Tensão relativa (%) 5 7 11 13 17 19 23 25 6,0 5,0 3,5 3,0 2,0 1,5 1,5 1,5 3 9 15 21 5,0 1,5 0,5 0,5 2 4 6 - 24 2,0 1,0 0,5

Nota: Os valores correspondentes aos harmónicos de ordem superior a 25, por serem geralmente baixos e muito imprevisíveis (devido aos efeitos de ressonância), não são indicados nesta tabela

Geralmente as distorções harmónicas são produzidas por cargas não-lineares, ou seja, cargas que não consomem correntes com a mesma forma de onda da tensão de alimentação. As correntes com harmónicos provocam quedas de tensão com harmónicos ao passarem pelas impedâncias da rede eléctrica, fazendo com que a tensão nas cargas tornem-se distorcidas. Hoje em dia, com o grande desenvolvimento da electrónica, a

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maior parte das cargas são não-lineares, podendo destacar-se as seguintes: equipamentos industriais (máquinas de solda, variadores de velocidade de motores, fornos eléctricos, etc), equipamentos de escritório (computadores, impressoras, fotocopiadoras, fax, etc), aparelhos domésticos (TVs, fornos de microondas, aparelhos de som, etc). Os efeitos dos harmónicos são variados, podendo interferir com maior ou menor gravidade no funcionamento dos equipamentos e dispositivos, e provocando os seguintes problemas, dentre outros [6] [1] [8]:

• Actuação incorrecta dos aparelhos de protecção;

• Ressonância com bancos de condensadores e filtros passivos; • Redução da vida útil dos equipamentos;

• Aumento das despesas de manutenção dos equipamentos e dispositivos;

• Maior aquecimento, ressonância com as capacidades do sistema, saturação, vibrações nos enrolamentos e desgaste do isolamento entre lâminas dos transformadores;

• Aquecimentos, vibrações, binários pulsantes e ruído nas máquinas rotativas; • Aumento das interferências electromagnéticas nos equipamentos de comunicação.

Um problema associado aos harmónicos que ocorre frequentemente é o facto da forma de onda da tensão ficar achatada nos picos, e há equipamentos electrónicos que nessas condições simplesmente não funcionam. A existência de harmónicos de ordem múltipla de 3 nas correntes faz com que apareça corrente no neutro, mesmo em cargas distribuídas de forma equilibrada palas três fases. Em muitas instalações, devido a essa situação, a corrente de neutro chega a ser bem mais elevada do que as correntes nas fases. Uma consequência directa é o aumento dos custos na instalação eléctrica por ter de se utilizar um cabo para o neutro com uma secção maior do que aquela que a princípio seria necessário. Além disso as perdas na instalação aumentam por haver correntes no neutro.

Existem equipamentos que consomem harmónicos com frequências que não são múltiplas da fundamental, designando-se por inter-harmónicos. São exemplo dessas cargas os cicloconversores (conversores estáticos de frequência) e os fornos a arco. Pode-se quantificar a distorção inter-harmónica em percentagem (TIHD Total

Interharmonic Distortion), através da seguinte expressão:

%

∑

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Onde Qi representa o valor eficaz da componente inter-harmónica i e Q1 o valor eficaz da componente fundamental.

2.7. Ruído de Alta Frequência

O ruído é um sinal eléctrico indesejado com altas frequências (inferior a 200 kHz) que se sobrepõe ao sinal de tensão ou corrente [4]. Pode ser produzido por comutações rápidas de conversores electrónicos de potência, presentes, por exemplo, em variadores de velocidade de motores ou em fontes comutadas. O ruído pode causar distúrbios em sistemas com microcontroladores ou em sistemas de comunicações.

Figura 2.6 – Sinal de tensão com ruído de 2,5 kHz de frequência.

2.8. Micro-Cortes (Notches)

Um micro-corte é uma perturbação na forma de onda da tensão com uma curta duração (inferior a 1ms) como é visível na Figura 2.7 [6]. Essa perturbação provoca o aparecimento de harmónicos de ordem muito elevada, normalmente impossíveis de ser medidos pala maioria dos equipamentos de medida. Geralmente os notches são causados pela comutação de semi-condutores presentes nos controladores de potência. A IEEE usa o termo notche num sentido mais abrangente, definindo-o como qualquer redução de tensão com duração inferior a meio ciclo da rede.

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Figura 2.7 – Micro-corte causado por uma ponte de tirístores trifásica.

2.9. Flutuações de Tensão (Flicker)

As flutuações de tensão são provocadas por cargas que consomem grandes correntes com variações periódicas. As flutuações de tensão normalmente não representam grandes problemas para os equipamentos. Este problema pode, contudo, manifestar-se na variação da intensidade da iluminação eléctrica. Essas variações, dependendo da sua frequência e amplitude, podem causar grandes incómodos às pessoas (dores de cabeça, irritação, stress, cansaço, etc), uma vez que por vezes são perceptíveis aos olhos humanos. Na Figura 2.8 pode-se observar um flicker de 5Hz, isto é, a tensão varia 300 vezes por minuto, sendo essa variação de 5%.