Optimização de Análise Energética em Edifício Escolar

(1)

F

ACULDADE DE

E

NGENHARIA DA

U

NIVERSIDADE DO

P

ORTO

Otimização de Análise Energética em

Edifício Escolar

Tomás Francisco Sequeira Monteiro de Sá Coelho

Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Orientador: Prof. Dr António Machado e Moura

Co-orientador: Eng.oTiago Fernandes

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c

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Resumo

Face às elevadas necessidades energéticas e às excessivas emissões de dióxido de carbono, é imprescindível a implementação de novas políticas de eficiência e de sustentabilidade ambiental, mas sobretudo, mudar certos cânones pré-estabelecidos, que permitam a evolução para um novo paradigma.

Devido a uma tendência, cada vez mais acentuada de aumento de preços das tarifas energéti-cas, associada às inevitáveis limitações temporais impostas pela utilização de combustíveis fosseis, é necessário promover, cada vez mais, o recurso a energias renováveis, diminuindo a dependência energética face ao carvão e ao petróleo.

A presente dissertação, aborda uma análise energética num edifício escolar com aprofunda-mento na escolha adequada das tarifas, (fornecedor de energia elétrica), qualidade da energia e análise luminotécnica. O objetivo é quantificar, de modo preciso, a energia necessária para o cor-reto funcionamento deste edifício e analisar de que maneira é que é possível otimizar tal valor. Este projeto, tem por objetivo melhorar a eficiência energética de grandes edifícios, estudar os proble-mas que surgem com a propagação de harmónicos, a implementação de um sistema fotovoltaico de micro geração e as suas vantagens e benefícios.

Palavras-Chave

Distorção harmónica, Edifício escolar, Eficiência energética, Fotovoltaico, Gestão de energia, Qualidade de energia.

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Abstract

In the face of high energy needs and excessive Carbon dioxide emissions, there is a need for the implementation of new efficiency and sustainability policies and to change certain pre-established canons.

Due to continually increasing energy tariffs and the temporal limitations imposed by fossil fuels, the implementation of an increased share of renewable energies is needed to reduce fossil fuel dependency.

This dissertation focuses on an energy analysis in a school building with special attention given to the appropriate choice of tariffs (electricity supplier), energy quality, and lighting analysis. The main objective is the accurate quantification of the required amount of energy to ensure the proper operation of this building and to analyse how that value can be optimised. This project consisted of improving the energy efficiency of large buildings and studying the problems that arise with the propagation of harmonics. The implementation of a microgeneration photovoltaic system and its advantages and benefits were also analysed.

Keywords

Energy efficiency, Energy management, Energy quality, Harmonic distortion Photovoltaic, Scholars buildings.

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Agradecimentos

Este projeto, teve a colaboração de diversas pessoas, que através de compreensão, mentoria e ensinamentos tornaram a realização desta dissertação possível através de um forte, árduo e recom-pensador trabalho.

Agradecer, em primeiro lugar, ao Professor Dr. António Carlos Sepúlveda Machado e Moura, orientador desta dissertação, pela oportunidade de realizar este projeto, pela clareza rigor e dispo-nibilidade com que sempre se presenteou.

Ao Engenheiro Tiago Fernandes , co-orientador, responsável pelo meu acompanhamento na empresa, pelos conhecimentos e ensinamentos transmitidos e pelo elevado rigor técnico exigido e transmitido.

Ao Engenheiro Fernando Ramos, pelo apoio, mentoria, disponibilidade e colaboração na rea-lização deste projeto.

Finalmente, aos meus pais, por tudo.

Tomás de Sá Coelho

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“fatti non foste a viver come bruti ma per seguir virtute e canoscenza”

Dante Alighieri

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Conteúdo

1 Introdução 1 1.1 Motivação e enquadramento . . . 1 1.2 Caso de Estudo . . . 2 1.3 Objetivos . . . 4 1.4 Estrutura da Dissertação . . . 5 2 Qualidade de Energia 7 2.1 Cavas de tensão . . . 7

2.2 Variação de tensão - efeito flicker . . . 8

2.3 Desequilíbrio de tensões . . . 9 2.4 Frequência . . . 11 2.5 Sobretensão . . . 11 2.6 Continuidade de serviço . . . 13 2.6.1 SAIDI . . . 13 2.6.2 SAIFI . . . 14 2.6.3 CAIDI . . . 15

2.7 Mercado Elétrico português . . . 15

2.7.1 Entidade reguladora . . . 16

2.7.2 Tarifário . . . 17

2.7.3 Energia reativa . . . 17

2.8 Harmónicos . . . 18

2.8.1 Fundamentos teóricos de harmónicos . . . 19

2.8.2 THD . . . 20

2.8.3 Causas . . . 20

2.8.4 Regulamentação . . . 21

2.8.5 Efeitos e Consequências . . . 22

2.9 Filtros . . . 23

2.9.1 Filtros harmónicos passivos . . . 23

3 Luminotecnia 27 3.1 Legislação normas e critérios . . . 27

3.2 Lâmpadas . . . 29 3.2.1 Lâmpada incandescente . . . 30 3.2.2 Lâmpada de halogéneo . . . 30 3.2.3 Lâmpada fluorescente . . . 31 3.2.4 LED . . . 32 3.2.5 Desempenho energético . . . 32 ix

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x CONTEÚDO

4 Energia solar - Fotovoltaico 35

4.1 Acordo de Paris . . . 36

4.2 Painel Fotovoltaico . . . 37

4.3 Ligação à rede . . . 39

4.3.1 On-grid . . . 39

4.3.2 Off-grid . . . 39

5 Apresentação dos resultados 41 5.1 Tarifário . . . 41 5.1.1 Consumos . . . 41 5.1.2 Energia reativa . . . 42 5.1.3 Comparação . . . 44 5.2 Qualidade Energética . . . 45 5.2.1 Critérios de análise . . . 45

5.2.2 Instalação de um analisador de rede . . . 46

5.2.3 Análise do Quadro do bloco D . . . 48

5.2.4 Análise do QGBT . . . 51

5.3 Dimensionamento de Filtros . . . 55

5.3.1 Dimensionamento de filtros tendo em conta a corrente instalada no quadro: 56 5.3.2 Dimensionamento de filtros tendo em conta a corrente medida no quadro: 56 5.4 Iluminação . . . 56

5.4.1 Análise aos equipamentos de iluminação . . . 56

5.4.2 Análise Luminotecnia . . . 58

5.5 Microgeração - fotovoltaico . . . 59

5.5.1 Escolha do local de instalação . . . 60

5.5.2 Painel a ser instalado . . . 61

5.5.3 Simulações . . . 61

5.5.4 Escolha do inversor . . . 63

5.5.5 Dimensionamento dos cabos . . . 64

5.5.6 Resultados . . . 65

6 Conclusões e trabalhos futuros 69 6.1 Tarifário . . . 69 6.2 Qualidade de energia . . . 69 6.3 Dimensionamento de filtros . . . 69 6.4 Luminotecnia . . . 70 6.5 Sistema fotovoltaico . . . 70 6.6 Objetivos . . . 70 6.7 Trabalhos futuros . . . 70

A Painel designado para o Sistema Fotovoltaico 71

B Inversor 73

C Lâmpada 75

D Luxímetro 77

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CONTEÚDO xi

F Analisador de rede GSC53N 81

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Lista de Figuras

1.1 Vista por satélite-ESAG . . . 2

1.2 Planta com caracterização da ESAG . . . 4

2.1 Classificação de cavas de tensão de acordo com a EN 50160 . . . 8

2.2 Relâmpago a incidir diretamente na linha . . . 12

2.3 Exemplo de um side stroke . . . 12

2.4 Exemplo de aumento da pressão eletroestática nos condutores da linha . . . 12

2.5 Duração total das interrupções sentidas pelos clientes em baixa tensão-Portugal continental – SAIDI BT - Imagem retirada do 12oencontro Nacional do colégio de Engenharia Eletrotécnica . . . 14

2.6 Escalões de energia reativa para faturação fornecidos pela ERSE . . . 18

2.7 Forma de onda sinusoidal distorcida pelo terceiro, quinto e sétimo harmónicos . . 19

2.8 Filtros harmónicos sintonizados . . . 24

2.9 Filtros harmónicos passa banda . . . 24

3.1 Referência para o nível de iluminação interior para os vários espaços funcionais-fonte Manual de projeto do parque escolar . . . 29

3.2 Espectro característico de uma lâmpada incandescente clássica . . . 30

3.3 Espectro característico de uma lâmpada de halogéneo . . . 31

3.4 Espectro característico de uma lâmpada fluorescente . . . 31

3.5 Espectro característico de uma lâmpada led . . . 32

3.6 Eficácia luminosa das lâmpadas em questão . . . 33

3.7 Classes energéticas das lâmpadas em questão . . . 33

4.1 Produção de eletricidade sobre a forma de renováveis para satisfazer a meta de 35% até 2030. . . 37

4.2 Percentagem da área total disponível no telhado em cada país para que sejam cum-pridas as metas de 2030 . . . 38

4.3 Célula fotovoltaica de cristais de silício . . . 38

5.1 Consumos energéticos . . . 42

5.2 Total de Consumos por mês em kWh . . . 42

5.3 THDV-IEEE STD 519-2014 . . . 45

5.4 THDI-IEEE STD 519-2014 . . . 45

5.5 Analisador de rede PEL-103 . . . 47

5.6 Esquema de ligação usado na medição do Analisador de rede PEL-103 . . . 47

5.7 Analisador de rede HT-GSC53N . . . 47

5.8 Esquema de ligação usado na medição do Analisador de rede HT-GSC53N . . . 48

5.9 Montagem do analisador de rede PEL-103 no quadro do bloco d . . . 48

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xiv LISTA DE FIGURAS

5.10 Montagem do GSC53N no quadro QGBT . . . 52

5.11 Aprovação energética MASTER TL5 HE 35W/840 1SL/40 . . . 57

5.12 Rendimento por tempo MASTER TL5 HE 35W/840 1SL/40 . . . 57

5.13 Vida útil MASTER TL5 HE 35W/840 1SL/40 . . . 57

5.14 Luxímetro HT307 . . . 58

5.15 Vista por satélite-ESAG . . . 60

5.16 Desenho de painéis na cobertura do edifício . . . 61

5.17 Caraterísticas elétricas dos painéis . . . 62

5.18 Caraterísticas mecânicas dos painéis . . . 62

5.19 Caraterísticas de teste dos painéis . . . 63

5.20 Caraterísticas físicas dos painéis . . . 63

5.21 Radiação solar mensal no local de instalção . . . 64

5.22 Temperaturas médias no local de instação . . . 64

5.23 Esquema de ligação . . . 65

5.24 Informação sobre a a potência do sistema fotovoltaico . . . 66

5.25 Rendimento energético por mês . . . 66

5.26 Rendimentos diários obtidos . . . 67

5.27 Poupança energética . . . 67

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Lista de Tabelas

5.1 Apresenta o consumo mensal total, no período de tempo de estudo, e ordenado por

ordem decrescente . . . 43

5.2 Gastos com energia reativa capacitiva . . . 43

5.3 Gastos com energia reativa indutiva, separados em três escalões . . . 44

5.4 Preços, em euros, obtidos das cinco empresas contactadas . . . 44

5.5 Comparação em percentagem da poupança na alteração de tarifário . . . 44

5.6 Valores da taxa de distorção harmónica de tensão medidos no quadro do bloco d . 49 5.7 Valores da taxa de distorção harmónica de corrente medidos no quadro do bloco d 49 5.8 Harmónicos individuais - Vrms - 3aordem . . . 50

5.9 Harmónicos individuais - Vrms - 5aordem . . . 50

5.11 Harmónicos individuais - Irms - 3aordem . . . 51

5.14 Valores da taxa de distorção harmónica de tensão medidos no quadro geral . . . . 52

5.15 Valores da taxa de distorção harmónica de corrente medidos no quadro geral . . . 53

5.22 Dimensionamento de filtros tendo em conta a corrente instalada no quadro . . . . 56

5.23 Dimensionamento de filtros tendo em conta a corrente medida no quadro . . . 56

5.24 Medições efetuadas , valores em lux . . . 59

5.25 Automatização do inversor segundo o Sunny design . . . 65

5.26 Resultados finais do sistema fotovoltaico . . . 67

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Abreviaturas e Símbolos

A Ampere

AC Corrente Alternada

AT Alta Tensão

AVAC Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado

BT Baixa Tensão

BTE Baixa Tensão Especial

CEER Conselho dos Reguladores Europeus de Energia

CO2 Dióxido de Carbono

DC Corrente Contínua

EN Norma Europeia

ERSE Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos

ESAG Escola Secundária Augusto Gomes

EPBD Diretiva Desempenho Energético dos Edifícios

FP Fator de Potência

GWh Gigawatt-hora

IEC Comissão Eletrotécnica Internacional

IEEE Instituto de Engenheiros Eletrotécnicos e Eletrónicos

ktep kilo toneladas equivalente de petróleo

kWh KiloWatt-hora

MAT Muito Alta Tensão

min Minuto

MT Média Tensão

MWh MegaWatt-hora

PCC Pnto de Ligação Comum

PPEC Plano de Promoção da Eficiência no Consumo de Energia Elétrica

PT Posto de Transformação

QGBT Quadro Geral de Baixa Tensão

RMS Raiz do Valor Quadrático Médio

s Segundo

STC Condições Normais de Temperatura e Pressão

THD Taxa de Distorção harmónica

THDI Taxa de Distorção harmónica de Corrente

THDV Taxa de Distorção harmónica de Tensão

UE União Europeia

V Volt

W Watt

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Capítulo 1

Introdução

A produção e o uso de energia são fatores de relevo, tanto a nível científico como político, sendo necessário, por parte de governos e organizações, a elaboração de diferentes projetos e ações, relacionadas com a estratégia energética, de modo a influenciar o estabelecimento de novas políticas e projetos, que garantam a sustentabilidade e eficiência no domínio da energia a nível europeu e mundial, deste modo, sensibilizar as organizações e as empresas. [1]

Previsões indicam a possibilidade do consumo mundial de energia aumentar em 33% entre os anos de 2010-2030, sendo o consumo de energia nos edifícios responsável por 20% a 40% do consumo total de energia em países desenvolvidos. A necessidade energética é significativamente ampliada num edifício complexo, onde o consumo de energia é cinco a dez vezes maior do que num edifício de escritórios típico. Edifícios complexos podem ser definidos como edifícios que apresentam requisitos funcionais, especiais ou incomuns, verificando-se um impacto significativo nos critérios de sustentabilidade. Portanto, melhorar a eficiência energética em edifícios com-plexos, apresenta grande potencial para reduzir o consumo de energia e os impactos ambientais negativos associados.[2]

A eficiência energética é um tema da maior importância nos edifícios escolares, desde logo porque afeta a qualidade do ar interior e o conforto. É também um importante fator económico. Os impactos ambientais negativos, associados às emissões de gases de efeito estufa, têm sido as-sociados ao aquecimento global, alterações climáticas e ao aumento do risco de desastres naturais, além disso, ainda de um ponto de vista económico, é importante o estudo para diminuir os custos de energia, os quais desempenham um papel significativo na viabilidade e no sucesso comercial de longo prazo de um edifício complexo.[2]

1.1 Motivação e enquadramento

A realização deste trabalho teve, como objetivo primordial, a análise e a otimização energética num edifício de grande dimensão, com complexidade em níveis energéticos.

Tendo em atenção, as grandes preocupações energéticas e ambientais com que nos deparamos constantemente, existe uma grande necessidade em definir e quantificar, a qualidade energética

(22)

2 Introdução

em edifícios que são utilizados por milhares de pessoas diariamente. Perante esta situação, é feito o desafio de investigar e desenvolver métodos, que permitam uma melhoria energética, em níveis de eficiência e rendimento, cujo objetivo é diminuir em níveis quantitativos o consumo de gases nocivos para o ambiente, como o dióxido de carbono, ao mesmo tempo que se estuda a possibilidade de uma diminuição da fatura energética.

Tendo em conta todo o desenvolvimento tecnológico e eletrónico crescente, que permitiu o aparecimento de novas soluções e ferramentas, orientadas para a prevenção e diminuição do nú-mero médio de avarias decorrente de uma baixa qualidade de energia, é possível efetuar o estudo em questão

A motivação baseia-se na oportunidade de obter conclusões, que permitam esclarecer e elu-cidar sobre a correta gestão energética de edifícios de grande dimensão. Para além disso, ainda existe lugar para o estudo e desenvolvimento desta área, ao nível da engenharia, uma vez que está em contínuo desenvolvimento.

1.2 Caso de Estudo

Esta dissertação foi elaborada em ambiente empresarial, em colaboração com a Manvia S.A. De facto para tirar conclusões e ilações, sobre edifícios complexos e de grande dimensão, escolheu-se, como caso de estudo, um dos clientes desta empresa, a Escola Secundária Augusto Gomes. Esta escolha, de um edifício de contexto escolar, deveu-se à sua clara complexidade energética, ao facto de ser usada por centenas de pessoas diariamente, pela necessidade de produção de energia com qualidade que permita um ambiente limpo, que possibilite uma boa qualidade de ar e con-forto essenciais para o bom funcionamento do edifício em si, aspetos fulcrais para a criação de um ambiente de trabalho e de estudo produtivo.

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1.2 Caso de Estudo 3

Caracterização da Escola Secundária Augusto Gomes • Localização: Rua de Damão;

• Código postal: 4450-107 Matosinhos; • C. GPS: 41◦10’57.1"N 8◦40’48.5"W ; • Concelho: Matosinhos;

• Freguesia: Matosinhos;

• Programa educativo: 3.o _{ciclo do ensino básico e secundário regular e profissional com}

capacidade para 48 turmas; • Total de alunos: 1140 alunos;

• Horário Diurno: manhã e tarde, das 8:00 às 18:00; • Horário noturno: até à 22:00.

Caracterização das Áreas:

1. Áreas brutas de construção de edifícios: 15.358 m2; 2. Áreas brutas de campos desportivos cobertos: 0 m2; 3. Áreas cobertas não encerradas: 1.188 m2;

4. Total de áreas brutas: 16.546 m2 (soma 1+2+3); 5. Áreas de espaços exteriores: 22.182 m2.

CARACTERIZAÇÃO DO EDIFÍCIO:

A escola é constituída por 5 edifícios, sendo os 4 principais – A, B, C e D - intercalados entre si.

Nos Corpos A e B de entrada na escola, com dois pisos, encontram-se as zonas administrativas, de direção, zona de docentes, refeitório, cozinha e bar, salas de aula, salas TIC laboratórios, zonas técnicas, Wc.

O Corpo C, com dois pisos, alberga igualmente salas de aulas, salas de artes, áreas de apoio, zonas técnicas, WC, e ainda a biblioteca, o pequeno auditório, entre outros.

O Corpo D, com dois pisos, constitui o espaço desportivo com pavilhão, sala polivalente, zonas de arrumos, balneários, vestiários, e zonas técnicas.

O Corpo E, destina-se a áreas técnicas, acolhendo, designadamente o P.T.

O espaço de recreio e desporto exterior é constituído por campos desportivos para atividades como, basquetebol, andebol/futebol, voleibol, pista de saltos com caixa de areia, diverso mobiliá-rio urbano e iluminação extemobiliá-rior. No espaço extemobiliá-rior, existem árvores de médio e grande porte.

(24)

4 Introdução

Figura 1.2: Planta com caracterização da ESAG

1.3 Objetivos

A realização deste trabalho, tem como objetivo a descoberta de problemas e avarias na ins-talação elétrica e uma análise energética que reflita/resolva formas de impedir e diminuir a sua ocorrência.

Assim, a lista de objetivos e metas a realizar durante este trabalho são:

• Estudo sobre o tarifário atual e análise de outras ofertas que se encontrem, presentemente, no mercado.

• Elaboração de um estudo sobre a qualidade energética.

• Instalação de equipamentos de análise em possíveis poluidores de rede. • Avaliação de harmónicos.

• Proposta de uma possível resolução de problemas encontrados no ponto anterior. • Apresentação de um projeto de micro geração de energia fotovoltaico.

• Dimensionamento de filtros.

• Avaliação da luminária e luminotecnia existente no edifício. • Análise económica.

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1.4 Estrutura da Dissertação 5

1.4 Estrutura da Dissertação

Esta dissertação é composta por 6 capítulos:

O capítulo1, corresponde à introdução e os restantes são, de seguida, descritos.

No capítulo2, é abordada a importância da qualidade de energia e as componentes que alteram ou influenciam esse valor. Também são descritos os harmónicos, a sua importância e intervenção na poluição energética.

No capítulo3, é efetuada uma investigação teórica aos fundamentos da iluminação.

No capítulo4, é realizado um aprofundamento aos princípios da energia solar e às caracterís-ticas do dimensionamento fotovoltaico.

No capítulo5, são analisados os resultados obtidos e descrito o edifício em estudo.

O capítulo6, corresponde à conclusão, na qual são descritas e discutidas todas as informações obtidas ao longo do estudo e se propõe trabalhos futuros.

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Capítulo 2

Qualidade de Energia

A qualidade do serviço de um sistema elétrico pode ser dividida em dois grandes componentes: um em relação à sua natureza técnica, que está relacionada com a continuidade do serviço e com a qualidade da energia fornecida ao cliente, o outro componente é focado numa natureza comercial e está relacionado com aspetos de comunicação e serviços prestados ao cliente.[3]

A continuidade do serviço pode ser resumida como o número e duração da interrupção do fornecimento de energia aos pontos de entrega, sejam ao cliente ou a outras redes. A qualidade da energia é avaliada através da medição de dados de fenómenos contínuos de tensão, incluindo tensão r.m.s., harmónicos, oscilação, desequilíbrio, frequência e quedas de tensão.

CEER, o Conselho dos Reguladores Europeus de Energia tem como principal objetivo a cri-ação de normas, medidas e infraestruturas, que permitam manter o mercado de eletricidade e gás natural europeu competitivo, eficiente e sustentável como é exemplo o documento EN 50160.

Nessa norma é dada atenção especial à qualidade da tensão presente nos países europeus, incluindo Portugal e na importância de medidas necessárias para a melhorar.[4]

A qualidade da tensão é descrita por vários parâmetros, que serão abordados e aprofundados de seguida, pois são fulcrais no estudo e compreensão da qualidade de energia:

• Cavas de tensão;

• Variação de tensão - efeito flicker; • Desequilíbrios de tensão;

• Oscilações de frequência; • Sobretensões.

2.1 Cavas de tensão

De acordo com a norma europeia EN 50160, a definição de cava de tensão é uma queda súbita no valor da tensão para um valor entre 90% e 1% da tensão eficaz. Relativamente à sua duração, é entre 10 milissegundos e 1 minuto. A intensidade da queda de tensão é definida como a diferença

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8 Qualidade de Energia

entre o valor RMS da tensão durante a ocorrência deste fenómeno e a tensão nominal. Variações de tensão que não chegam a alcançar valores abaixo de 90% da tensão nominal não são considerados cavas. [5]

Estes fenómenos são principalmente o resultado de: • Existência de erros na cablagem ou nas instalações; • Arranque de uma carga de grandes dimensões ; • Problemas no equipamento;

• Fenómenos atmosféricos e as suas consequências, chuva, neve, gelo, altas temperaturas, incêndios.

As cavas de tensão são classificadas segundo a norma EN 50160.

Figura 2.1: Classificação de cavas de tensão de acordo com a EN 50160

Na figura,2.1são apresentadas cavas, registadas durante o período de monitorização, com du-ração e tensão residual dentro de intervalos pré-definidos. Estes valores são tipicamente estudados em bases trimestrais ou anuais.[6]

Devido à natureza aleatória das falhas no fornecimento de tensão, as cavas de tensão são difí-ceis de prever. Estes problemas são, presentemente, um dos mais complicados no que diz respeito à temática da qualidade de energia, especialmente a nível industrial, devido à sua frequência e à preocupação de danos nos produtos. As aplicações industriais mais sensíveis são linhas de produ-ção, iluminaprodu-ção, sistemas de segurança e equipamentos informáticos. [5]

2.2 Variação de tensão - efeito flicker

Flutuações de tensão são descritas pelo IEEE, como variações sistemáticas da forma de onda da tensão, ou uma série de mudanças aleatórias de voltagem, cuja magnitude cai. Geralmente, as

(29)

2.3 Desequilíbrio de tensões 9

variações são de 0,1% a 7% da tensão nominal, com frequências menores que 25 Hz. Subsequen-temente, o efeito mais importante deste problema de qualidade de energia é a variação na saída de luz de várias fontes de iluminação, frequentemente denominadas como flicker. [7]

O flicker define-se, como a impressão de instabilidade da sensação visual provocada por um estímulo luminoso, cuja luminância flutua com o tempo. Curiosamente, a resposta do cérebro humano à ocorrência de estímulos luminosos ocorre com um período na ordem dos 300 milisse-gundos, logo, se acontecerem mudanças no fluxo de luz no tempo inferior a 300 milissegundos serão percebidas como apenas uma. O cérebro apenas regista as mudanças lentas sendo o fenó-meno de cintilação de maior destaque quando ocorre lateralmente. [7]

O flicker é considerado o efeito mais significativo da flutuação de tensão, pois pode afetar o ambiente de produção, causar fadiga pessoal e baixar os níveis de concentração de trabalho. Além disso, as flutuações de tensão, podem sujeitar os equipamentos elétricos e electrónicos a efeitos prejudiciais que podem interromper os processos de produção com custos financeiros considerá-veis.

Os equipamentos ou dispositivos que exibem variações contínuas e rápidas, de corrente de carga, (principalmente no componente reativo), podem causar flutuações de tensão e oscilação de luz. Normalmente, essas cargas têm uma alta taxa de alterações de potência em relação à capacidade de curto-circuito no ponto de acoplamento comum.

Existem dois componentes de flicker: [7]

• O flicker de curta duração, Pst, ajustado para tempo de observação de 10 minutos. Existem várias maneiras de determinar o índice de curto prazo, dependendo do tipo de flutuações de tensão, da medição ou do método de cálculo utilizado; [7]

• O índice de flicker de longo prazo, Plt.

O índice de flicker de longo prazo, Plt, determinado para um tempo de observação de 2 horas

é calculado de acordo com a fórmula:2.1

Plt = 3 s N

∑

i=1 P3 st,i N (2.1) Sendo:

N-número de flicker de curta duração considerados durante o intervalo de 2 horas; Plt- índice de flicker de longo prazo;

Pst - índice de flicker de curta duração.

2.3 Desequilíbrio de tensões

A definição de sistema trifásico equilibrado é que as três fases têm a mesma amplitude entre si e o mesmo desfasamento, ou seja cento e vinte graus, por sua vez, o desequilíbrio de tensão,

(30)

segundo a norma 50160, define-se como o estado no qual os valores eficazes das fases não são iguais e o desfasamento entre fases consecutivas não é igual.

Em redes de baixa tensão, o valor normalizado é 230V entre fase e neutro num sistema trifá-sico, podendo ocorrer as seguintes variações: Variação da tensão de alimentação (em condições normais de exploração): Un (+10% -15%) – todos os valores eficazes médios de 10 minutos devem situar-se nesta gama. [8]

Os problemas mais comuns que ocorrem do desequilíbrio de tensões são:

• Efeitos prejudiciais nos motores, transformadores e geradores, principalmente problemas na fonte de alimentação;

• Sobretensões nos terminais do motor causam um aumento de corrente de fase entre 6 a 10 vezes em relação ao valor nominal;

• Diminuição da vida útil dos aparelhos eletrónicos devido ao calor excessivo;

• Desequilíbrio de tensão pode ser de tal forma grande, que diminui diretamente o valor do torque, impossibilitando a máquina de atingir a sua velocidade nominal.

Algumas das causas mais comuns de desequilíbrios nas tensões são: • Fornecimento de energia elétrica na entrada mal distribuida; • Configurações de transformadores desiguais;

• Fase aberta no primário de um transformador trifásico no sistema de distribuição; • Falhas no transformador de potência;

• Falha no fusível num banco trifásico de condensadores; • Distribuição desequilibrada de cargas monofásicas.

As condições de tensão desequilibrada são raras. A principal razão para o desequilíbrio de tensão é uma distribuição irregular de cargas monofásicas. Outras razões podem incluir efeitos negativos em configurações de condutores assimétricos. Durante o desequilíbrio da carga ou do sistema de potência, é possível encontrar tensões de qualquer sequência: 2.2

   V1h V2h V3h   = 1 3    1 a a2 1 a2 a 1 1 1       Vah V bh V ch    (2.2) Sendo: a= ej120

(31)

2.4 Frequência 11

2.4 Frequência

O equilíbrio entre geração e carga é um dos requisitos básicos da operação de sistemas de energia, sendo necessários diferentes níveis de controlo para garantir esse equilíbrio, controlos de frequência primária, secundária e terciária. Um desvio de frequência existe quando ocorre um aumento ou diminuição no valor da frequência acima ou a baixo de certos critérios, podendo a duração de um desvio de frequência ser de vários segundos a várias horas.

O desvio de frequência e a sua duração, dependem das características de carga e da resposta do sistema de controle do gerador. O aumento de carga e desvios nos valores da tensão são fatores que podem interferir na oscilação da frequência. Esta oscilação, está relacionada com a falta de estabilidade das cargas e da capacidade do equipamento que, por sua vez, devido a uma falha ou a uma avaria podem originar desvios de frequência que possam ultrapassar os permitidos pela norma 50160 e podendo colocar a qualidade em risco.[9]

Causas das oscilações de frequência:

• Falhas no sistema de transmissão de energia;

• Uma carga de dimensões consideráveis ser bruscamente desligada; • Uma fonte de geração sair da linha.

Problemas das oscilações de frequência: • Motores funcionam mais devagar; • Desgaste de filtros harmónicos.

Em condições normais de operação, o valor médio da frequência fundamental, medido em 10 segundos, deve estar dentro de uma faixa de 50 Hz + ou - 2% (ou seja, 49 a 51 Hz) durante 95% do tempo, e dentro da faixa de 50 Hz + ou - 15% (42,5 a 57,5 Hz) durante 100% do tempo para sistemas sem conexão síncrona. [9]

2.5 Sobretensão

Sobretensão é um aumento temporário da tensão num ponto do sistema elétrico acima de um limite. Em geral pode ocorrer em fases defeituosas devido a falhas de terra, quando grandes cargas são desligadas ou quando grandes bancos de condensadores são ligados.

A duração de uma sobretensão é definida como o intervalo de tempo entre o momento em que a magnitude da tensão excede um limiar (geralmente definido para 110% da tensão de referência), limite estabelecido pela norma EN 50160 (a tensão máxima permitida é de 230 V + 10%)

As sobretensões são produzidas devido a uma variedade de causas, podendo ser geradas de-vido a fatores externos, principalmente dede-vido a relâmpagos e fenómenos associados, ou dede-vido a ocorrências internas.[10]

(32)

• Incidências direta de relâmpagos nas linha, figura2.2;

• Correntes induzidas electromagneticamente devido a raios na vizinhança - conhecido por side stroke, figura2.3;

• Cargas induzidas electrostáticamente nos condutores de linha, figura2.4. Nestas imagens podemos observar esses três fenómenos:

Figura 2.2: Relâmpago a incidir diretamente na linha

Figura 2.3: Exemplo de um side stroke

(33)

2.6 Continuidade de serviço 13

A pressão atmosférica pode atingir valores entre 500 a 2000 kV. A magnitude da corrente correspondente pode variar cerca de 10.000 a 100.000 A, no entanto, estas correntes duram apenas alguns micros segundos. Todas as descargas de raios são mais ou menos unidirecionais. Quanto às cargas induzidas na linha, o aumento potencial poderá atingir 10 a 50 kV. [10]

Existem várias fontes internas para sobretensões. Essas sobretensões geralmente não são tão perigosas quanto as causadas por causas externas, exemplos:

• Operações de comutação numa linha descarregada;

• Abertura súbita de uma linha carregada sob condições de curto-circuito; • Ressonância

As sobretensões poderão ocorrer entre linhas e linha-terra à medida que o sistema cresce nas capacidades de geração e transmissão. As sobretensões de comutação são geralmente devidas a problemas de terra contínua nos condutores de fase, ligação de linhas longas, abertura do disjuntor no início da falta e subsequente ativação. [10]

2.6 Continuidade de serviço

Os utilizadores da rede elétrica esperam uma alta continuidade de fornecimento, sendo neces-sário diminuir o número de interrupções ao mínimo possível. No âmbito do quadro regulamentar português a interrupção da rede elétrica, pode ser definida como: [3]

• Interrupção curta – entre 1 segundos e 3 minutos; • Interrupção longa – mais de 3 minutos.

No que diz respeito a índices normalizados, comuns para sistemas, considerando longas inter-rupções, vamos destacar os três mais usados e que nos transmitem mais informação relativamente à continuidade do serviço:

1. SAIDI 2. SAIFI 3. CAIDI

2.6.1 SAIDI

SAIDI – Duração média das interrupções do sistema (System Average Interruption Duration Index).

-Indicador técnico de qualidade de serviço, que estima a duração média de uma interrupção longa num consumidor de eletricidade ligado à rede. Matematicamente é o quociente da soma das durações das interrupções nos pontos de entrega, durante determinado período, pelo número total

(34)

dos pontos de entrega, nesse mesmo período. Esta relação é expressa em minutos por cliente por ano. É determinado pela seguinte expressão: 2.3[11]

SAIDI=∑ n k=1tk×Ck Ct (2.3) Sendo:

tk- Duração da falta de energia k dos consumidores de eletricidade;

Ck – Número de clientes de eletricidade sem energia durante a falta de energia k;

Ct - Número total de clientes de eletricidade.

Figura 2.5: Duração total das interrupções sentidas pelos clientes em baixa tensão-Portugal

conti-nental – SAIDI BT - Imagem retirada do 12oencontro Nacional do colégio de Engenharia

Eletro-técnica

Na imagem, 2.5 pode-se observar o tempo médio em minutos por cliente que durou cada

interrupção em baixa tensão (BT), em Portugal continental desde 2001 até 2014.

É possível verificar que existe uma tendência de convergência com a média europeia e que durante uma década a duração das interrupções médias em Portugal diminui cerca de seis vezes. Esta diminuição é uma melhoria na continuidade do serviço é explicada pela existência de parâ-metros e metas mais apertadas em níveis energéticos que colmatou na publicação no Regulamento de Qualidade e Serviço (RQS) em 2014 pela ERSE.

2.6.2 SAIFI

SAIFI -Frequência média de interrupções do sistema (System Average Interruption Frequency Index)

- Indicador técnico de qualidade do serviço, que corresponde ao número médio de vezes, por ano, em que o sistema de fornecimento de eletricidade é interrompido num determinado cliente. Matemáticamente é o quociente do número total de interrupções nos pontos de entrega, durante

(35)

2.7 Mercado Elétrico português 15

determinado período, pelo número total dos pontos de entrega nesse mesmo período dado em número de interrupções por cliente por ano. É determinado pela seguinte expressão:2.4[12]

SAIFI=∑ Ni

NT

(2.4) Sendo:

Ni- É o número de clientes interrompidos por cada incidente;

NT - É o número total de clientes no sistema para o qual o índice é calculado.

2.6.3 CAIDI

CAIDI- (Customer Average Interruption Duration Index) é um índice técnico que fornece a duração média da interrupção de um determinado cliente. Por sua vez também pode ser conside-rado como o tempo médio para recuperar a interrupção por cliente. É determinado pela seguinte expressão:2.5[13] CAIDI=∑ riNi NT =SAIDI SAIFI (2.5) Sendo:

ri- Tempo que cada interrupção demora a ser recuperada;

Ni- Número de clientes que sofreram uma interrupção no período selecionado;

NT - Número total de clientes nessa área em estudo.

2.7 Mercado Elétrico português

A geração e fornecimento de eletricidade foram recentemente abertos à concorrência, en-quanto a transmissão de eletricidade e distribuição continuam como atividades reguladas. O sis-tema de eletricidade pode, atualmente, ser dividido em cinco grandes funções, cada uma operada de forma independente numa perspetiva legal, organizacional e de tomada de decisão:

• Geração; • Transmissão; • Distribuição; • Fornecimento; • Operação.

O propósito de separar atividades, em especial as atividades regulamentadas, com grandes infraestruturas de rede, é garantir a neutralidade da prestação de serviços, superar a integração vertical e evitar discriminações e outras violações do princípio da livre concorrência. [14]

(36)

Embora o planeamento para atender a uma futura procura elevada ainda seja uma preocupação, a utilização eficiente dos recursos existentes de geração e transmissão, está rapidamente a tornar-se um dos principais interesses a serem promovidos e desenvolvidos.

O mercado elétrico encontra-se aberto para promover a concorrência, nesta situação os consu-midores do mercado terão muitas opções de escolha energética. Neste novo ambiente o problema de seleção de transações será complicado de resolver, devido ao risco envolvido na operação eco-nómica e confiável, decorrente de incertezas dos muitos fatores. [15]

O processo de liberalização, ou seja , de reestruturação do mercado da eletricidade em Portu-gal, seguiu uma metodologia semelhante à da maioria dos países da UE. Começou permitindo a entrada de produtores de energia independentes com contratos de longo prazo, seguidos da criação do mercado grossista e abertura do mercado retalhista à concorrência.

A abertura do mercado ocorreu gradualmente, sendo que atualmente tem cerca de 6 milhões de clientes que podem negociar o seu contrato de eletricidade com um fornecedor ou permanecer no mercado regulamentado desde o dia 1 de julho de 2007, as operações do mercado de energia elétrica em Portugal foram totalmente integradas no MIBEL, um primeiro passo para o pleno mercado interno da UE.[16]

As características de oferta e procura tornaram-se na estrutura central do mercado de eletri-cidade e a formação do preço grossista em Portugal transformou-se num processo de gestão de interconexões entre Portugal e Espanha.

A Estratégia Nacional para Energia, aponta para mais competitividade no mercado interno através do aprofundamento da construção e desenvolvimento do MIBEL. Espera-se que o aumento da concorrência traga impactos positivos nos preços, na qualidade do serviço e na satisfação. [14]

2.7.1 Entidade reguladora

Em Portugal a Entidade Reguladora de Serviços de Energia é responsável pela regularização do mercado energético, da coordenação e da administração da mobilidade elétrica. [17] Para além da regulação, a ERSE, tem responsabilidades na promoção da eficiência energética, indicado na diretiva relativa à eficiência na utilização final de energia (2006/32 / CE) [18], sendo da sua respon-sabilidade a criação de mecanismos de modo a promover a eficiência e a noção de responrespon-sabilidade no Programa Nacional Português para as Alterações Climáticas . [19]

Tendo em conta isto, a ERSE, criou um mecanismo para promover a eficiência no consumo de eletricidade, “Plano de Promoção da Eficiência no Consumo”, (PPEC), definindo-se como um mecanismo voluntário de licitação competitiva, no qual, os promotores elegíveis submetem as me-didas para melhorar a eficiência no consumo de eletricidade. O PPEC tem como objetivo principal a promoção de um uso mais eficiente da eletricidade, seja pela instalação de equipamentos mais eficientes para os consumidores de eletricidade ou agindo sobre o comportamento do consumidor. [19]

(37)

2.7 Mercado Elétrico português 17

• Tangível - instalação de equipamentos com um nível de eficiência superior ao equipamento instalado. Exemplos:instalação de lâmpadas LED, motores de alta eficiência.

• Intangível - divulgação de informação sobre práticas de energia eficientes,com o objetivo de originar uma mudança de comportamentos. Exemplos desse tipo de medidas são: programas educativos, campanhas, seminários e conferências. [19]

2.7.2 Tarifário

A ERSE foi criada em 1997, em 1998 foi publicado o primeiro Código Tarifário com a de-finição da estrutura tarifária para o período 1999-2001, período regulatório. O sistema tarifário português permaneceu estável nos últimos 18 anos, contendo uma série de tarifas elementares de atividade, tarifas compostas ou de segundo nível. [20] Entre as tarifas elementares, estão:

• Tarifa de Energia (ET);

• Tarifa de Uso da Rede de Transmissão (TUTN); • Tarifa de Uso da Rede de Distribuição (TUDN); • Tarifa do comercializador de último recurso (ST); • Tarifa do Global Uso do sistema (TGUS).

O TGUS inclui os custos com o operador do sistema, a aquisição de serviços secundários e reservas terciárias, os custos com as tarifas de alimentação pagas à geração de regime especial e

os subsídios concedidos às empresas de energia. [20] Todos juntos, o TUTN, o TUDN e o TGUS

formam a Tarifa de acesso, o somatório da Tarifa de Acesso, o ET e o ST, é a tarifa final paga pelo utilizador. [21]

A tarifa de energia é dividida em quatro períodos: • Ponta;

• Cheio; • Vazio; • Super vazio.

2.7.3 Energia reativa

A energia reativa é a energia necessária para produzir o fluxo magnético indispensável ao

funcionamento de vários equipamentos elétricos, como por exemplo motores.[22]

Relativamente à faturação dos encargos de energia reativa, relativos ao uso da rede de trans-porte e distribuição aprovadas pela ERSE, na sequência de apresentação de propostas dos

(38)

regras de faturação de energia reativa, que vieram introduzir alterações significativas às regras de faturação anteriormente vigentes. As principais alterações promovidas pela ERSE no regime de faturação da energia reativa consistem: [23]

• Na fixação de um valor mais exigente para o limiar de faturação da energia reativa indutiva no período fora de vazio;

• Na introdução de 3 escalões de preço em função da tangente (0,3; 0,4 e 0,5), pode se obser-vado na figura2.6;

• Na fixação do período de integração diário para determinação das quantidades de energia reativa a faturar para instalações em Muita Alta Tensão (MAT), Alta Tensão (AT) e Média Tensão (MT) em Portugal Continental.

Figura 2.6: Escalões de energia reativa para faturação fornecidos pela ERSE

A compensação de energia reativa origina a redução de perdas, diminuição de quedas de tensão e sobrecargas. Para além disso, aumenta a vida útil do equipamento da instalação e diminui os custos de operações e de manutenção. Todos esses benefícios têm, em última instância, efeitos práticos sobre a qualidade do serviço e da energia.[24]

2.8 Harmónicos

Uma carga elétrica deve apresentar uma onda de tensão sinusoidalmente perfeita. No entanto, é difícil de preservar, tendo em conta as condições ideais para o fazer, vão ocorrer certos desvios de tensão e de corrente nas suas respetivas ondas, ou seja , distorção da sua forma de onda, que é conhecido pelo fenómeno de distorção harmónica.

No passado, os harmónicos representavam um problema menor, devido à simplicidade dos projetos e no facto de os equipamentos de energia não apresentarem a elevada complexidade que os caracteriza atualmente. No entanto, presentemente, a distorção harmónica é um dos maiores fatores a ter em conta na qualidade de energia, sendo uma preocupação para todos os engenheiros na gestão de sistemas elétricos de energia, principalmente causados pela saturação de transfor-madores e fornalhas industriais. A principal preocupação era o efeito que a distorção harmónica

(39)

2.8 Harmónicos 19

poderia ter sobre as máquinas elétricas e o aumento do risco de falhas das condições de sobreten-são desenvolvidas nos condensadores de correção do fator de potência. [25]

2.8.1 Fundamentos teóricos de harmónicos

A componente harmónica num sistema AC de energia é definida como sinusoidal de uma forma de onda periódica, que tem uma frequência igual a um inteiro múltiplo da frequência fun-damental do sistema. Os harmónicos, em formas de onda de tensão ou corrente, podem ser

con-cebidos como perfeitamente sinusoidais de frequências múltiplas da frequência fundamental:2.6

[25]

fh= (h) × ( f undamental f requency) (2.6)

Sendo: h - Um numero inteiro.

Em sistemas de 60 e 50 Hz, respetivamente2.7e2.8:

fh= (5) × (60) = 300Hz (2.7)

fh= (5) × (50) = 250Hz (2.8)

A figura2.7, mostra uma forma de onda ideal de 60 Hz com um valor de pico de cerca de 100

A por unidade.

Figura 2.7: Forma de onda sinusoidal distorcida pelo terceiro, quinto e sétimo harmónicos

Se considerarmos a componente fundamental e as primeiras 3 componentes harmónicas (3a,5ae7a), essas formas de onda podem ser expressas como:2.9,2.10,2.11,2.12.

(40)

i3= Im3sin(3ωt − δ3) (2.10)

i5= Im5sin(5ωt − δ5) (2.11)

i7= Im7sin(7ωt − δ7) (2.12)

A figura2.7 mostra as ondas de correntes do fenómeno de distorção harmónica, por sua vez

existirá também, a presença de harmónicos adicionais que vão interferir na distorção.

A expressão da forma de onda de distorção resultante é:2.13

IT = Im1sin(ωt) + Im3sin(3ωt − δ3) + Im5sin(5ωt − δ5) + Im7sin(7ωt − δ7) (2.13)

Desta maneira, uma soma de formas de onda perfeitamente sinusoidais pode originar uma forma de onda distorcida. Por outro lado, uma forma de onda distorcida pode ser representada como sobreposição de uma onda de frequência fundamental, com outras formas de onda de dife-rentes frequências e amplitudes harmónicas.

2.8.2 THD

A distorção harmónica total (THD) é um índice importante amplamente usado, para descrever problemas de qualidade nos sistemas de transmissão e distribuição, que considera a contribuição de cada componente harmónica individual no sinal. THD é definido matematicamente pelas equações para tensão e corrente, respetivamente:2.14e2.15.

T HDV = q ∑∞h=2Vh2 V₁ (2.14) T HDI= q ∑∞h=2Ih2 I1 (2.15) 2.8.3 Causas

A avaliação da propagação harmónica numa rede de distribuição, requer uma representação precisa da fonte, ou seja, a causa da distorção. Fontes fracas, poderão provocar uma distorção har-mónica significativa que pode, por sua vez, afetar um grande números de clientes. Isto poderá ser problemático, quando ocorrer distorção harmónica em mais de um local, por exemplo, em insta-lações industriais. Assim, estas instainsta-lações, podem estar inadvertidamente a degradar a qualidade de energia.

(41)

2.8 Harmónicos 21

A qualidade de energia significa receber uma onda de tensão sinusoidal com variações de RMS e de THD dentro de certos limites e parâmetros pré-estabelecidos. Muitas vezes, no entanto, é difícil cumprir esses regulamentos, principalmente devido à utilização de grandes cargas e sempre que existir conversão de energia por meio de processos de retificação ou inversão. Esta distorção origina o aparecimento de estruturas com ruído, geralmente consideradas poluídas, do ponto de vista energético.[25]

Presentemente a distorção é produzida por:

• Transformadores saturados que são regularmente utilizados em valores de pico ou sobre tensão muito elevada;

• Fornalhas elétricas industriais; • Lâmpadas fluorescentes; • Conversores de energia.

2.8.4 Regulamentação

Os padrões e limites para o controle harmónico são elaborados pelo IEEE nos EUA e IEC (Comissão Eletrotécnica Internacional) na União Europeia. Em 1981, o IEEE, emitiu a norma 519-1981 que visava fornecer diretrizes e práticas recomendadas para o ajuste de comutação, dis-torção de tensão e limites de cintilação produzidos por conversores de energia. A norma apresen-tou alguns efeitos na distorção harmónica, mas fez pouco para considerar a forte interação entre produtores harmónicos e a operação do sistema de potência.

O foco principal, da norma revista na IEEE-519 em 1992, era que as limitações dos clientes em relação à quantidade máxima de harmónicos de correntes no ponto de conexão com o utilizador de energia, não representam uma ameaça para distorção da voltagem excessiva. O cumprimento desta norma exige a verificação de limites harmónicos na interface entre produtor e cliente. Níveis de taxa de distorção harmónica (THD), recomendados para corrente e tensão, foram estabelecidos na revisão de 1992 do IEEE-519. Interferência na comunicação com sistemas produzidos por conversores CC de baixa tensão foi abordada na revisão da norma.

Na IEEE-519, os limites de distorção harmónica, recomendados, devem ser verificados por meio de comparação com medições no PCC, ou seja, a interface entre a concessionária de energia elétrica e o cliente. Uma questão importante é que os níveis podem ser excedidos 50% sob con-dições incomuns com duração inferior a uma hora. Além disso, recomenda o uso de funções de distribuição de probabilidade a partir de medições de campo, afirmando que se os limites forem excedidos por apenas um período “curto”, tal condição pode ser considerada aceitável.

Para redes elétricas de 69 kV e menores, por exemplo, a distorção de tensão total é limitada a 5%, sendo que nenhuma taxa de distorção harmónica de tensão individual deve exceder 3%. No que diz respeito à distorção harmónica de corrente, a norma IEEE-519, define os limites em função da relação entre a corrente de curto-circuito na corrente média do PCC correspondente à

(42)

2.8.5 Efeitos e Consequências

Tanto clientes habitacionais como industriais, apresentam problemas e preocupações com a geração de harmónicos de corrente. Considerando que a um nível residencial os problemas são criados por equipamentos domésticos (vários aparelhos de TV, computadores, dispositivos de en-tretenimento, iluminação fluorescente), é cada vez mais difícil estabelecer regras para a imple-mentação de ações corretivas a este nível.

Como resultado, um número considerável de clientes de eletricidade fica exposto aos efeitos da distorção harmónica tanto em cargas industriais e comerciais como em residenciais.

Efetivamente, mesmo a nível industrial, o conceito de filtros harmónicos está longe de ser adequadamente conhecido, isto é causado pela falta de informação sobre o efeito que os harmóni-cos produzem nas cargas não-lineares, podem impor a processos, equipamentos e em aplicações comerciais: [25]

• Efeitos térmicos em transformadores;

• Efeitos nocivos em baterias de condensadores; • Dispositivos de Iluminação;

• Interferência nas telecomunicações; • Efeitos térmicos em máquinas rotativas.

2.8.5.1 Efeitos térmicos em transformadores

As redes industriais e comerciais modernas são cada vez mais influenciadas por quantidades de correntes harmónicas produzidas por uma variedade de cargas não-lineares como transmissões de velocidade variável, fornalhas elétricas industriais e iluminação fluorescente.

Todas essas correntes são obtidas por meio de transformadores de serviço. Um aspecto par-ticular dos transformadores, é que, sob condições de saturação, eles tornam-se numa fonte de harmónicos, apresentam correntes que aquecem os condutores e consequentemente, a corrente aumenta o valor eficaz e produz calor adicional.

2.8.5.2 Efeitos nocivos em baterias de condensadores

O aumento de tensão pode sobrecarregar e encurtar a vida das baterias de condensadores. A tensão e a temperatura, são os impulsionadores das condições que podem levar a bateria de condensadores à rutura dielétrica.

A distorção harmónica é, definitivamente, outro fator que contribui para impor tensões nas baterias de condensadores, este é um fenómeno sério na indústria com grandes conversores de energia não filtrados.

(43)

2.9 Filtros 23

2.8.5.3 Dispositivos de Iluminação

Este fenómeno pode produzir um impacto sobre os níveis de luminosidade. Efetivamente, uma elevada distorção harmónica, pode levar à oscilação da luz e ao aparecimento do efeito flicker.

2.8.5.4 Interferência nas telecomunicações

A construção comum de linhas telefónicas sob condutores de distribuição de energia elétrica, torna-as propensas a uma série de interferências. Existem índices de qualidade de energia usa-dos pelo IEEE 519 para abordar e recomendar limites na questão de interferência telefónica sob distorção harmónica.

2.8.5.5 Efeitos térmicos em máquinas rotativas

Similar aos transformadores, as máquinas rotativas são expostas a efeitos térmicos provocados pelos harmónicos, porque a resistência de um condutor sobe quando a frequência sobe. Uma onda de corrente rica em harmónicos pode causar maior aquecimento no enrolamento de condutores do que uma onda sinusoidal do mesmo valor RMS. O efeito geral pode levar a uma vida útil diminuta da máquina rotativa. [25]

2.9 Filtros

Podemos dividir os filtros harmónicos em filtros passivos e ativos. A diferença reside no facto de os filtros passivos apresentarem uma filtragem (passiva) em largura de banda selecionada, pelo facto de recorrer a componentes resistivos, indutivos e capacitivos, ou como resultado de um (ativo) processo de monitorização, que resulta de um cancelamento de harmónicos de corrente em tempo real e que se carateriza pela utilização de componentes ativos como o amplificador ou com recurso a transístores. Um dos métodos mais comuns para o controle da distorção harmónica na indústria é o uso de técnicas de filtragem passiva que usam filtros sintonizados ou de passagem de banda.

Filtros sintonizados, apresentam elementos de ajuste único, que fornecem um caminho de baixa impedância para correntes harmónicas numa frequência pontual. Filtros de passagem de banda ou passa-faixa, podem filtrar harmónicos numa determinada largura de banda de frequência. Filtros ativos apresentam configurações, tanto em serie como em paralelo. Filtros híbridos são uma combinação de esquemas de filtragem ativos com os filtros passivos.[25]

2.9.1 Filtros harmónicos passivos

Os filtros passivos são os filtros mais usados na indústria: • Filtros Harmónicos sintonizados, figura2.8;

(44)

Figura 2.8: Filtros harmónicos sintonizados

Figura 2.9: Filtros harmónicos passa banda

2.9.1.1 Filtros harmónicos sintonizados

Provavelmente o filtro harmónico mais comum, em aplicações industriais, o filtro passivo apresenta uma impedância muito baixa na frequência de sintonização, através da qual a frequência particular será desviada. Assim, o design de filtro passivo, deve ter em conta o crescimento espe-rado em fontes de corrente harmónica ou reconfiguração de carga, porque, de outra forma, pode ser exposto a sobrecarga, que pode evoluir rapidamente para sobreaquecimento extremo e avaria térmica.

O design de um filtro passivo requer um conhecimento preciso da carga de produção de har-mónicos e do sistema de potência, porque podem fornecer compensação reativa.

Este filtro é uma combinação em série de uma bobina e condensador. Na realidade, na au-sência de uma resistência fisicamente projetada, haverá sempre uma resistência em série, que é a resistência intrínseca do reator em série às vezes usado como meio de evitar o super-aquecimento do filtro. Todas as correntes harmónicas, cuja frequência coincide com a do filtro vão encontrar um caminho de baixa impedância através do filtro. [25]

A frequência de ressonância deste filtro pode ser expressa pela seguinte expressão:2.16

f0=

1

2π√LC (2.16)

Sendo:

(45)

2.9 Filtros 25

L - indutância do filtro em henrys;

C - capacidade do condensador em farads.

2.9.1.2 Filtro harmónico de passa banda

São conhecidos pelo pequeno valor de impedância acima da frequência de canto. Este filtro apresenta uma percentagem considerável de frequência harmónica de correntes acima da frequên-cia de canto. Portanto, essa frequênfrequên-cia deve ser colocada abaixo de todas as correntes harmónicas que têm uma presença importante na instalação. Ao planear adotar um filtro passa banda como

uma medida de mitigação harmónica, os seguintes aspetos devem ser considerados:[25]

• A eliminação da corrente harmónica, usando este tipo de filtro, pode exigir dimensiona-mento diferente dos eledimensiona-mentos, particularmente da bateria de condensadores, com um filtro de ajuste único;

• Filtros passa banda de primeira ordem são caracterizados por grandes perdas de energia na frequência fundamental, por isso são menos comuns;

• O filtro passa banda de segunda ordem é o mais simples de aplicar, ele fornece uma boa filtragem e reduz as perdas de energia em frequência fundamental.

• O filtro passa banda de terceira ordem apresenta maiores perdas operacionais do que filtro passa banda de segunda ordem e é menos eficaz na sua ação.

A impedância do filtro passa banda de segunda ordem pode ser expressa como:2.17

Z= 1

jωC+

1

(1_R+ _jωL1 ) (2.17)

A frequência de canto do filtro é dada por:2.18

f= 1

(46)

(47)

Capítulo 3

Luminotecnia

O principal gasto energético e do consumo de eletricidade nos setores industrial, comercial e de serviços é a iluminação artificial, sendo que, a utilização eficiente de energia para iluminação terá uma contribuição significativa para a redução do consumo total de energia elétrica dessas ins-talações. Efetivamente, esta maximização da eficiência da iluminação artificial, em edifícios de grande complexidade baseia-se na análise e necessidade de quantificar e qualificar estes parâme-tros: [26]

• Níveis de iluminação apropriados; • Lâmpadas eficientes;

• Sistemas luminosos projetados de forma adequada; • Níveis eficientes de iluminação natural.

Atualmente, os engenheiros seguem padrões e diretrizes internacionais nos seus projetos. O nível de iluminação selecionado, deve ser suficiente para satisfazer os requisitos das pessoas, que

ocupam esse ambiente ao realizar uma determinada tarefa.[26] A fim de verificar se um

deter-minado nível de iluminação é suficiente ou, em geral, se o nível de iluminação é aceitável, é necessário considerar a quantidade e a qualidade da iluminação fornecida.

Geralmente, a visão será afetada devido a fatores humanos, idade, perceção de cor e condição geral de olhos e a condições ambientais, como o brilho e o reflexo. [27]

3.1 Legislação normas e critérios

Na lei portuguesa, existem diretivas que contribuem para a melhoria dos edifícios construídos em Portugal, caracterizados pelo seu bom desempenho em termos de disponibilidade de luz natural e ao mesmo tempo aumentar a eficiência energética dos sistemas de iluminação instalados nesses edifícios.

Minimizar os níveis de consumo de iluminação no setor dos edifícios, deve ser uma preocupa-ção para os legisladores, levando-os a colocar na lei as regulamentações necessárias para incentivar

(48)

28 Luminotecnia

a melhor qualidade de projeto possível na construção de edifícios residenciais e comerciais, para que eles possam fazer melhor uso da luz natural sem esquecer ou prejudicar as características tér-micas desses edifícios. Esta preocupação está de acordo com o que foi definido em vários planos e programas produzidos e publicados, com base em decisões de legisladores a nível nacional e da UE.

Todo este ambiente em mudança surge da necessidade de cumprir a legislação da UE, prin-cipalmente a diretiva sobre o desempenho energético dos edifícios (Energy Performance of Buil-dings Directive - EPBD), tanto na sua versão original de 2002, como na reformulação de 2010. A EPBD, a Directiva dos Edifícios 2010/31 / UE de 19 de maio de 2010, estipula , a aplicação de requisitos mínimos para o desempenho energético dos sistemas técnicos do edifício, quando ins-talados pela primeira vez, ou quando são substituídos ou melhorados. Da mesma forma, integra o equipamento técnico para iluminação, como um componente do “sistema técnico de construção” e também determina, que o consumo em iluminação deve estar presente no cálculo ou medições da energia necessária para satisfazer a procura total de energia, a fim de avaliar o desempenho energético do edifício. [28]

Na EPBD, as características de posicionamento, orientação e construção de edifícios são muito importantes para o seu desempenho energético e, por isso, um campo de ação que os responsá-veis pelos projetos não devem esquecer. No entanto, a iluminação natural é quase inexistente na legislação portuguesa, ocorrendo uma incerteza regulatória quase completa sobre o projeto e a construção de edifícios com o objetivo de maximizar o uso da luz do dia e, ao mesmo tempo, aumentar o conforto visual dos ocupantes. A legislação reguladora para edifícios de 2006, não promove a diminuição das necessidades de consumo em iluminação, nem promove o uso da luz do dia ou fornece orientações precisas sobre o uso de sistemas de iluminação eficientes. [28]

Relativamente à iluminação artificial, a redução do seu consumo de energia, no que diz respeito à potência de iluminação instalada, manifesta-se, na realidade, com processos e recomendações. Sabe-se, que a limitação de potência, é um elemento chave para alcançar a redução do consumo de energia na iluminação, no entanto, é muito difícil encontrar uma referência regulatória com objetivos quantificados para essa questão a nível nacional. As referências mais importantes so-bre eficiência energética, podem ser encontradas no “Plano Nacional de Ação para a Eficiência Energética - PNAEE” e na norma europeia “EN15193, Energy performance of buildings – Energy requirements for lighting”. A norma europeia, é de implementação obrigatória em Portugal, e está associada à lei portuguesa. Considerando o primeiro caso, o PNAEE, publicado em maio de 2008 pela lei no. 80/2008 que visa, através de um plano agregador, estabelecer medidas de eficiência energética em diversos setores, sobre sistemas de eficiência energética em edifícios, para o caso especial de edifícios comerciais, o objetivo de alcançar “Regulamentações sobre iluminação com um máximo de W / m2 de acordo com os usos” (PNAEE, 2008) sem referência a qualquer medida. No que se refere à norma europeia EN15193, publicada em Setembro de 2007 e de aplicação obri-gatória também em Portugal, o principal objetivo é definir especificações para a metodologia de cálculo e para avaliar a quantidade de energia consumida na iluminação interior (EN15193, 2007). Esta norma também apresenta alguns esquemas de referência para os objetivos a serem alcançados

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3.2 Lâmpadas 29

no consumo de energia elétrica, estabelecendo referências de boas práticas no projeto de ilumina-ção, onde se destaca a quantificação de metas para a potência instalada devido a equipamentos de iluminação em relação a tipos específicos de edifícios. [28]

Relativamente ao facto, de o caso de estudo ser uma escola é necessário ter como base o Manual de projeto de instalações técnicas do parque escolar. Neste Manual estão as referências do nível médio de iluminção que cada espaço destes edifícios complexos devem apresentar:

Figura 3.1: Referência para o nível de iluminação interior para os vários espaços funcionais- fonte Manual de projeto do parque escolar

3.2 Lâmpadas

É possível efetuar poupanças significativas quando são efetuadas as escolhas acertadas em relação ao tipo de luz e a maneira como a mesma é utilizada. Efetivamente, diferentes fontes de luz, têm propriedades de luz distintas, não sendo trivial a seleção correta de iluminação de forma a ocorrer uma maximização da poupança de energia.

Existem vários tipos de fontes de luz atualmente disponíveis no mercado, que possuem ex-celentes parâmetros e durabilidade, tendo em conta, o aumento dos requisitos de desempenho de energia, especialmente, desde a crescente importância da iluminação de edifícios, como um tipo específico de consumo de energia elétrica.

O regulamento do Parlamento Europeu, emitido sob o no244/2009 decreta, que a tradicional

lâmpada incandescente tem de ser gradualmente posta de lado e substituída por lâmpadas com maior capacidade de iluminação e de poupança. Este regulamento, também aborda lâmpadas de halogéneo com eficiência de classe C, estas lâmpadas com eficiência de classe C são cerca de 30% mais eficientes que as lâmpadas incandescentes, mas em comparação com as lâmpadas fluorescentes compactas e as de LED, a sua eficiência é menor. [29]

Os quatro tipos de lâmpadas mais usadas em iluminação industrial, habitacional e em edifícios de escritórios são:

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30 Luminotecnia

• Lâmpada incandescente; • Lâmpada de halogéneo; • Lâmpada fluorescente;

• LED (lighting emission diode), díodo emissor de luz.

Estes quatro recursos luminotécnicos são destinados principalmente para iluminação de espa-ços internos. Todos apresentam características diferentes, sendo as de maior destaque, a intensi-dade de luz ou o consumo de energia.

3.2.1 Lâmpada incandescente

A lâmpada funciona no princípio de emissão de luz térmica, fótons são emitidos quando a eletricidade percorre um filamento de tungsténio fino. A lâmpada tem um índice de reprodução de cor muito alto, mas uma eficiência energética muito baixa. [30]

Figura 3.2: Espectro característico de uma lâmpada incandescente clássica

O brilho das lâmpadas incandescentes pode ser regulado por alteração da sua voltagem. O design da lâmpada permite o seu uso quando a tensão é menor do que o necessário.

3.2.2 Lâmpada de halogéneo

As Lâmpadas de halogéneo padrão são constituídas da mesma forma que as lâmpadas incan-descentes, por filamento de tungstênio, que é colocado numa pequena câmara cheia de um gás inerte e uma pequena quantidade de halogéneo. Na generalidade dos casos, estas lâmpadas são melhores que as incandescentes, pois permitem o funcionamento em temperaturas mais altas, au-mentando a sua eficiência. [29]

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3.2 Lâmpadas 31

São muito sensíveis a mudanças de voltagem, o seu funcionamento com baixos valores de tensão faz com que possam ocorrer interrupções no seu correto funcionamento, portanto, a sua regulação por tensão não é muito adequada.

Figura 3.3: Espectro característico de uma lâmpada de halogéneo

3.2.3 Lâmpada fluorescente

São constituídas por um tubo preenchido com vapor de mercúrio e um gás inerte. Uma impor-tante parte é o lastro eletrónico, que é necessário, principalmente, por causa da estabilização da corrente. Lâmpadas fluorescentes em comparação com lâmpadas incandescentes têm até 60-80% de maior eficiência e a vida útil é cerca de 20 vezes maior. [30]

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32 Luminotecnia

Ao contrário do espectro das lâmpadas incandescentes e de halogéneo, o espectro de luz

flu-orescente compacta é descontínua, como observado na figura3.4, e sua curva depende do tipo de

material luminescente.

No mercado existem lâmpadas com diferentes espectros de luz, que são adequados para ilu-minação interior, bem como para uso comercial. [29]

3.2.4 LED

Os LEDs são caracterizados por alta eficiência luminosa e a sua durabilidade compara-se às lâmpadas incandescentes convencionais, a sua desvantagem é o alto preço de compra, depen-dência de fluxo luminoso na temperatura e em comparação com outras fontes de luz, o número relativamente alto de componentes do espectro da luz.

Figura 3.5: Espectro característico de uma lâmpada led

O espectro de luz das lâmpadas LED é praticamente composto de duas partes, como pode ser

observado na figura3.5, a primeira parte do espectro de luz é formada por um LED azul, que é o

elemento estrutural básico para a formação de um LED branco (uma parte do espectro para 480

nm), a segunda parte tem a forma de um fósforo que é formado depois do LED azul. [30]

3.2.5 Desempenho energético

Para determinar o desempenho energético é necessário conhecer a sua eficácia luminosa, define-se como eficácia luminosa a eficiência em converter energia elétrica em luz, ou seja, a quantidade de luz (Lumen) que a fonte de luz pode produzir a partir de um watt.

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3.2 Lâmpadas 33

Figura 3.6: Eficácia luminosa das lâmpadas em questão

Como pode ser observado na figura3.6, dos quatro tipos de lâmpadas consideradas, as LED

apresentam uma eficácia superior em relação às restantes, seguidas pelas fluorescentes, que tam-bém apresentam uma eficácia considerável apresentando valores na generalidade perto das primei-ras, depois as de halogéneo e terminam com as incandescentes apresentando valores muito baixos de eficácia.

Nas classes energéticas, A até G, para avaliação do consumo de energia. [29]

Figura 3.7: Classes energéticas das lâmpadas em questão

Claramente, de um ponto de vista geral, observado na figura3.7, as lâmpadas led apresentam

uma classe energética A, existindo uma separação nas lâmpadas fluorescentes, podendo umas serem A e outras B dependendo das respetivas caraterísticas e dos modelos das lâmpadas, seguidas das de halogéneo e acabando com as incandescentes nas últimas classes.

Por ultimo, a eficácia luminosa e a classe energética são bons indicadores da necessidade clara de extinguir por completo as lâmpadas incandescentes e implementar de forma progressiva, tanto as lâmpadas fluorescentes como as led, no setor habitacional, comercial e industrial. [29]