TÍTULO: DISPOSITIVO PARA ENSINO E PESQUISA DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA TÍTULO:
CATEGORIA: CONCLUÍDO CATEGORIA:
ÁREA: ENGENHARIAS E ARQUITETURA ÁREA:
SUBÁREA: ENGENHARIAS SUBÁREA:
INSTITUIÇÃO: FACULDADE ENIAC INSTITUIÇÃO:
AUTOR(ES): RENATO LEME ALVES, WALMIR BARBOSA DE CASTRO AUTOR(ES):
ORIENTADOR(ES): SÉRGIO FERNANDES DE FREITAS ORIENTADOR(ES):
COLABORADOR(ES): FELIPE RAMON DE CARVALHO COLABORADOR(ES):
Resumo
O trabalho em tela apresenta um estudo realizado na implantação da tecnologia Smart Grid que deve ser como um conceito baseado na utilização intensiva de tecnologia de automação e comunicação nas redes elétricas, nas quais permitirão a implantação de forma muito mais eficiente que as atualmente em uso. No Brasil muitas Concessionarias de Energia Elétrica implantam redes inteligentes que promete diversas melhorias para a energia elétrica distribuída, com o uso de medidor inteligente e de todos os equipamentos tecnológicos que a ele deve estar atrelada a uma rede elétrica automatizada de um sistema robusto de transmissão de dados é possível monitorar o consumo de casa cliente em tempo real, eventuais falhas também são percebidas imediatamente. Com crescimento da demanda de energia e a preocupação com o meio ambiente, faz-se necessário a necessidade de estudos mais elaborados sobre o uso otimizado da energia elétrica. Nas indústrias onde ocorre um dos grandes problemas de exceder o fator de potência são decorrentes de quantidades elevadas de energia reativa, essa condição resulta em aumento na corrente total que circula nas redes de distribuição de energia elétrica das Concessionárias de Energia Elétrica e das unidades consumidores, podendo sobrecarregar as subestações, as linhas de transmissão e distribuições, prejudicando a estabilidade e as condições de aproveitamento dos sistemas elétricos.
Introdução
A introdução de redes elétricas inteligentes denominadas Smart Grid pode afirmar que a expressão redes inteligentes é um conceito amplo que envolve tecnologias de controle, monitoramento, armazenamento e comunicação, os sistemas de transmissão de energia elétrica em baixa, média e alta potência requerem um sistema de aquisição de dados e informações, técnica tensão elétrica, corrente elétrica, potências: aparente, ativa e reativa e tomada de decisões muito mais rápido do que era realizada e o objetivo é fazer um melhor uso dos recursos existentes (RESTREPO, 2016). As redes surgiriam principalmente do uso de um maior volume de informações sobre consumo, transmissão, perdas, entre outras variáveis, que guiariam os agentes envolvidos em suas escolhas relacionadas ao uso e à geração
de energia que visam investigar a melhor maneira de tornar a tecnologia viável em escala comercial e com uma relação custo benefício adequada (GROOVER, 2010). Em conformidade com o estabelecido pelo Decreto nº 62.724, de 17 de maio de 1968, com a nova redação dada pelo Decreto nº 75.887, de 20 de junho de 1975, as concessionárias de energia elétrica adotaram, desde então, o fator de potência de 0,85 como referência para limitar o fornecimento de energia reativa.
O Decreto nº 479, de 20 de março de 1992, reiterou a obrigatoriedade de se manter o fator de potência o mais próximo possível da unidade (1,00), tanto pelas concessionárias, quanto pelos consumidores, recomendando, ainda, ao Órgão Regulador, o estabelecimento de um novo limite de referência para o fator de potência indutivo e capacitivo, bem como a forma de avaliação e de critério de faturamento da energia reativa excedente a esse novo limite.
A nova legislação pertinente, estabelecida pelo Órgão Regulador, introduz uma nova forma de abordagem do ajuste, pelo baixo fator de potência, com os seguintes aspectos relevantes: aumento do limite mínimo do fator de potência de 0,85 para 0,92, faturamento de energia reativa capacitiva excedente, redução do período de avaliação do fator de potência, de mensal para horário, a partir de 1996 (ANEEL, 2000). O controle mais apurado do uso de energia reativa é mais uma medida adotada pelo Regulador, visando estimular o consumidor, através da redução de perdas e melhor desempenho de suas instalações, como também para o setor elétrico nacional, pela melhoria das condições operacionais e a liberação do sistema para atendimento a novas cargas com investimentos menores. No Brasil a ANEEL fomenta pesquisas relacionadas por meio de chamadas públicas e incentivas à pesquisa e desenvolvimento, logo a concessionária do Setor Elétrico no Brasil possui projetos que visam desenvolver medidores inteligentes, maior automação do processo com o melhor uso de informações para respostas mais rápidas e melhor adequação de fontes alternativas de energia à rede existente, conforme descrito na tabela 1, a seguir:
Tabela 1 – perdas por fator de potência inadequado
Situação Inicial Situação Final
Fator de Potência 0,78 0,92
Perdas Globais 5% 3,59%
Redução das Perdas 28,1%
Fonte: ANEEL
Smart Grid compõe uma série de parâmetros que possamos utilizar para diagnosticar uma rede elétrica de alta tensão, auxiliando-nos a verificação das principais anomalias em um sistema elétrico de potência. A Principal anomalia que preocupa os brasileiros é o denominado fator de potência, o fator de potência referência, indutivo ou capacitivo, tem como limite mínimo permitido, para as unidades consumidoras do grupo A que é alta tensão. A partir do momento que extrapolamos o fator de potência de referência, passamos a exigir mais recursos naturais para uma mesma finalidade de consumo de energia elétrica, a vista que a potência reativa excedente, além de não ter nenhum tipo de finalidade técnica, contribui para um o desequilíbrio de uma linha de fornecimento em baixa, média, alta e extra alta tensão.
Objetivos
Apresentar um estudo de viabilidade para a implantação de um instrumento de medição de potências (ativa, reativa e aparente) e a leitura do fator de potência em um sistema monofásico, verificando a situação real do sistema e indicar o valor do capacitor necessário para correção do fator de potência estabelecido pela ANEEL e demonstrar sua facilidade como instrumento para ensino de grandezas elétricas em sistemas elétricos de potência.
Metodologia
Este trabalho foi baseado em um estudo exploratório, o qual se preocupou em entender as necessidades de cidades e como ela pode ser afetada com a falta de
energia elétrica. Do ponto de vista do desenvolvimento usou-se de estudo de caso, o qual se considerou numa indústria para que elas não ultrapassassem os valores do fator de potência estabelecidos pelas concessionárias de energia, realizando os cálculos de viabilidade. Como o propósito deste trabalho é utilizar o sistema Smart Grid com a aplicação no desenvolvimento para correção do fator de potência, portanto será necessário um sistema autônomo, ou seja, independente da rede elétrica analisada, cuja metodologia se consiste em um sistema individual para cada caso, utilizando cargas distintas RL (série e/ou paralelo).
Desenvolvimento
Utilizamos um microcontrolador ATMEL Arduíno como comparador das informações coletadas na rede elétrica (transdutor de corrente - TC) e posterior tomada de decisão (possível correção do fator de potência), cujo diagrama elétrico está descrito na Figura - 1a seguir:
Figura 1 – Diagrama elétrico do dispositivo de aquisição de parâmetros de sistemas elétricos de potência (elaborado no software ISIS Proteus ®).
Fonte: autor
Utilizamos um banco de cargas RL (resistivo e indutivo) para simulação do sistema elétrico de potência, descrito na Figura - 2 e um sistema de acionamento de banco
de capacitores, utilizando relê para acoplamento dos capacitores no momento da correção, conforme descrito na Figura – 3, a seguir:
Figura 2 – Diagrama elétrico do banco de cargas para simulação do sistema elétrico de potência (elaborado no software ISIS Proteus ®).
Fonte: autor
Figura 3 – Diagrama elétrico do sistema de acoplamento de cargas capacitivas, utilizando relês (elaborado no software ISIS Proteus ®).
Fonte: autor
Para aferição do presente equipamento, está sendo apresentado as principais equações descritas na tabela 2, o qual é apresentada a seguir:
Tabela 2 – Equações utilizadas para comprovação dos valores práticos Equação Variáveis 𝑋𝐿 = 2𝜋. 𝑓. 𝑙 XL: reatância indutiva (Ω) f: frequência elétrica (Hz) l: indutância (H) 3,14159265359 𝐼 = 𝐸 𝑅 + 𝑋𝐿
I: corrente elétrica (A) E: tensão do gerador (V) R: resistência elétrica (Ω) XL: reatância indutiva (Ω)
𝑆 = 𝐸. 𝐼
S: potência aparente (VA) E: tensão do gerador (V) I: corrente elétrica (A)
𝑐𝑜𝑠𝜑 =𝑃 𝑆
P: potência ativa (W) S: potência aparente (VA) cos : fator de potência
𝑄 = √𝑆2 − 𝑃2
Q: potência reativa (VAR) S: potência aparente (VA) P: potência ativa (W)
Fonte: Oliveira, 2000.
Também foi elaborado algoritmo o qual realizar o processo de indução para correção do fator de potência (MONK, 2013), a partir dos valores medidos in loco, conforme descrito no fluxograma da figura 4, o qual é apresentado a seguir:
Figura 4 – Fluxograma com os principais blocos de operação para a leitura e correção do fator de potência.
Fonte: autor
Resultados
Depois de realizados as medições in loco e seus respectivos cálculos para comprovação dos valores de potência ativa, potência aparente, fator de potência, corrente elétrica e os possíveis valores de capacitor para correção de fator de potência, apresentamos a tabela 3, com seus respectivos valores (medidos e calculados) e a tabela 4, o qual apresenta os erros relativos durante o procedimento experimental para medição do fator de potência, o qual é apresentado a seguir:
Tabela 3 – Valores medidos e calculados in loco.
Cargas
Medido Calculado
P(W) S(VA) cos I(A) P(W) S(VA) cos I(A) C(µF)
1. 15,45 50,29 0,32 0,40 20,13 68,07 0,29 0,53 9,29
2. 111,01 156,28 0,71 1,21 139,03 179,07 0,78 1,41 8,78
3. 26,97 39,65 0,68 0,31 34,87 44,83 0,78 0,35 2,2
4. 58,03 60,29 0,96 0,47 55,27 56,38 0,98 0,44
Fonte: autor
Tabela 3 – Erro relativo para leitura de cada carga.
Cargas cos 1. 10,34% 2. 8,97% 3. 12,82% 4. 2,04% Fonte: autor
O Equipamento desenvolvimento foi utilizado em um sistema monofásico, sendo desnecessário interferir no circuito analisado (abrir o circuito), apenas com auxílio do transdutor de corrente não invasivo e um ponto de tensão em paralelo com a carga. Depois dos testes realizados in loco, também verificamos o teste de praticidade (equipamento portátil) e o teste de leitura (visibilidade do IHM), conforme descrito na figura 5 e 6, o qual são apresentadas a seguir:
Figura 5 – Fotografia do equipamento durante a operação, com suas respectivas leituras.
Fonte: autor
Figura 6 – Fotografia do IHM durante leitura de fator de potência.
Fonte: autor
Considerações finais
Durante os experimentos, verificamos a versatilidade do equipamento no que concerne a facilidade de operação e acesso ao sistema monofásico analisado, sem a necessidade de “romper” o mesmo para inserção do leitor de corrente (não invasivo). O presente equipamento trata-se de um dispositivo para aquisição de parâmetros em sistemas elétricos de potência de baixo custo, o qual pode ser utilizado para realizar um pré-diagnóstico de um sistema monofásico, também pode ser utilizado como instrumento de ensino para leitura de grandezas elétricas em sistemas elétricos de potência.
Fontes Consultadas
ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica. Resolução Normativa n. 414 de 09 de setembro de 2000. Disponível em http://www.aneel.gov.br. Acesso em 11 de agosto de 2017.
GROOVER, Mikell. Automação industrial e sistemas de manufatura. 3.ed. São Paulo: Pearson, 2010.
MONK, Simon. Programação com Arduino: começando com Sketches/Simon Monk; tradução: Antonio Laschuk. - Porto Alegre: Bookman, 2013.
OLIVEIRA, Carlos César Barione de et al. Introdução à Sistemas Elétricos de
Potência: Componentes Simétricas. 2ª Edição, Editora Edgard Blucher. São Paulo -
2000.
RESTREPO, Juan Diego Echeverry. Sistemas de potência: Otimização em tempo real para o controle Volt/Var em sistemas de distribuição de energia elétrica. Dissertação de Mestrado em Ciência em Engenharia Elétrica apresentada na Escola Politécnica da USP, São Paulo, 2016.
