O que é qualidade de energia?

Introdução

Inicialmente é necessária uma breve introdução sobre o objetivo do sistema elétrico e as definições sobre o termo “Qualidade de Energia”, que de uma maneira simples permite estabelecer uma relação entre confiabilidade e custos. Para clientes industriais a definição de qualidade deve incluir o tempo das interrupções, a frequência das curtas interrupções e as quedas de tensão. Inicialmente o termo “Qualidade de Energia” gerou uma pequena confusão entre os clientes, pois a principal queixa dos clientes domésticos se dava em relação aos custos que foram percebidos muito altos especialmente porque esta foi uma ferramenta para preços baixos para os clientes industriais ou agrícolas.

Ao longo do tempo, vários desenvolvimentos levaram a diferentes visões sobre o sistema elétrico de potência. Os três principais foram:

1° A desregulamentação do setor elétrico fez com que não houvesse apenas um único sistema, mas uma série de empresas independentes com os clientes.

2° Os clientes tornaram-se mais conscientes dos seus direitos e passaram a exigir baixo custo da eletricidade com alta confiabilidade e qualidade, onde a prioridades são distintas para diferentes tipos de clientes. Os clientes certamente não estão mais dispostos a aceitar a sua posição como meramente um parâmetro em uma otimização global.

3° A Geração de energia elétrica está se deslocando a partir de grandes centrais elétricas conectadas ao sistema de transmissão para pequenas unidades ligadas em níveis mais baixos de tensão. Alguns exemplos combinados como fontes termoelétrica, fontes hidroelétricas e fontes renováveis de energia como o sol e o vento. A junção de todas essas fontes em diversos pontos do sistema elétrico de potência é conhecida como Geração Distribuída.

Devido a essas visões o sistema elétrico já não pode ser visto como uma entidade, mas como uma rede de eletricidade com os clientes. Note-se que a estrutura física do sistema elétrico não mudou, é apenas a forma de sua visualização que foi alterada.

O objetivo técnico da rede de energia é permitir o transporte de energia elétrica entre os diferentes clientes, garantindo níveis de tensão e corrente aceitáveis. Com uma rede ideal, cada cliente deve perceber o fornecimento de eletricidade como uma fonte de tensão ideal com uma impedância de zero. Independente do valor de corrente, a tensão deve ser constante, mas como sempre, a realidade não é ideal e a Qualidade da Energia diz respeito justamente a este desvio entre a realidade e a situação ideal.

Há muitos aspectos para as limitações estabelecidas pela rede no mercado. Uma muito discutida é a limitação da capacidade da rede para o transporte de energia. Note-se que a falta de capacidade de produção não é uma deficiência da rede, mas uma deficiência do mercado.

Em uma visão moderna, para sistemas de energia, o utilitário já não compra e vende energia, mas ao invés, vende a capacidade de transporte e de acesso à rede.

Este texto trás um breve resumo da qualidade de energia com ênfase sobre as duas questões, que atualmente recebem mais atenção: a distorção harmônica e afundamentos de tensão. Mas primeiramente será feita a definir os termos “qualidade da energia”.

 

Definições

Há muitas divergencias encontradas na terminologia “Qualidade de Energia”, a confusão se inicia, na palavra Power que em inglês possui vários sinônimos. As principais definições para “Qualidade de Energia” são citadas abaixo:

• Qualidade de tensão: diz respeito aos desvios da tensão ideal. A tensão ideal é uma onda senoidal de frequência única de amplitude constante e frequência.
• Qualidade atual: é o termo complementar à Qualidade da tensão: preocupa-se com o desvio da corrente a partir do ideal. A corrente ideal é de novo uma onda senoidal de frequência única de amplitude e frequência constante, com o requisito adicional de que a onda senoidal de corrente está em fase com a tensão de onda senoidal. Qualidade da energia é a combinação de qualidade de tensão e de qualidade atual.
• Qualidade da oferta: é uma combinação de qualidade de tensão e os aspectos não técnicos da interação da rede de energia aos seus clientes.
• Qualidade de consumo: é o termo complementar à qualidade de fornecimento.

O Termo Qualidade de Energia não é certamente restringido à interação entre a rede elétrica e do usuário final do equipamento. A compatibilidade eletromagnética (EMC) tem, neste contexto, um significado mais restrito: ela só se aplica para a interação entre o equipamento e o seu ambiente electromagnético (por exemplo, o sistema de energia). Estritamente falando, só se aplica a redes de baixa tensão, mas a terminologia também está sendo aplicada a níveis mais elevados de tensão.  Note que na qualidade de potência internacional (IEC) é tratado como um subconjunto da EMC.

As perturbações de qualidade de energia (isto é, os desvios de tensão e / ou corrente a partir do ideal) vêm em dois tipos, com base na forma característica da tensão ou corrente medida:

As variações são pequenos desvios de características de tensão ou corrente de seu valor nominal ou ideal, por exemplo, a variação da tensão RMS valor e frequência a partir de seus valores nominais, ou a distorção harmônica de tensão e corrente. Variações são distúrbios que são medidos em qualquer momento no tempo. Distorção Harmônica será discutida como um exemplo de uma variação da qualidade de energia.

Os eventos são desvios maiores que só ocorrem ocasionalmente, por exemplo, interrupções de tensão ou correntes de carga de comutação. Os eventos são distúrbios que começam e terminam com um limiar de cruzamento.

No entanto a diferença entre as variações e eventos nem sempre é óbvio, e relacionada com a maneira em que a perturbação é medida. A melhor maneira de fazer distinção entre os dois é que as variações podem ser medidas, em qualquer momento no tempo; eventos exigem à espera de uma característica de tensão ou corrente para exceder um limiar predefinido. Como a definição de um limiar é sempre algo arbitrário não há fronteira clara entre variações e eventos.

Ainda a distinção entre eles continua a ser útil e é de fato feito (implicitamente de forma explícita) em quase qualquer estudo de qualidade de energia.

As definições de eventos de qualidade de energia e variações como dado aqui é muito maior do que a interpretação geral da qualidade da energia. Isso tem a ver com o fato de que a qualidade da energia permanece na maioria dos casos, como parte da frase “qualidade de energia ruim”. Uma perturbação da qualidade de energia só é visto como um problema quando ele causa problemas, tanto para o cliente ou para o operador de rede. Quedas de tensão e harmônicos são vistas como uma questão de qualidade de energia por muitos, mas tensão e variações de frequência não são vistos como uma questão de qualidade de energia, porque esta última foi incorporada ao projeto de sistemas de energia há muitos anos.

 

Distorções Harmônicas

O termo distorção harmônica refere-se ao que é medido como uma relação percentual, através de um método matemático complexo que decompõe a forma de onda sob análise em uma somatória de outras ondas, medindo a intensidade individual de cada harmônico e totalizando suas componentes.

Um termo mais apropriado seria “distorção da forma de onda”, onde se pode distinguir entre:

• Distorção harmônica é uma distorção onde a forma de onda é não senoidal, mas periódica com um período igual ao o período da frequência do sistema energia (50 ou 60 Hz). A maioria da literatura sobre a forma de onda de distorção considera apenas essa distorção harmônica, que é uma aproximação aceitável em muitos casos. Contudo a maioria dos estudos de qualidade de energia consideram mais ou menos situações excepcionais, de modo que não podemos limitar-nos a distorção harmônica somente.
• Componente DC: pode ser visto como um caso especial de distorção harmônica, mas é muitas vezes tratado separadamente devido à diferença de medição técnicas e consequências.
• Distorção inter-harmônica: é matematicamente o mesmo que distorção harmônica. A diferença entre a distorção harmônica é que o período é um múltiplo do período da frequência do sistema de energia. Por exemplo, um sinal de 50 com um componente inter-harmônico de 180 HZ tem um período de 100 ms (5 ciclos de 50 Hz, 18 ciclos de 180 Hz).
• Componentes sub-harmônica: são componentes com uma frequência menor do que a frequência do sistema de alimentação. Eles podem ser considerados como distorção de inter-harmônica, mas são muitas vezes tratadas separadamente porque as suas consequências são diferentes daquelas dos componentes de frequências mais altas.
• Flicker: são as flutuações de tensão que conduzem a luz de cintilação, são matematicamente outro caso especial de distorção inter-harmônica. O interesse especial neste tipo de distúrbio é mais uma vez devido às consequências. Mesmo muito pequenas, as flutuações na tensão RMS com frequências entre 1 e 15 Hz de intensidade leva a uma variação para que os nossos olhos sejam muito sensíveis.
• Ruído são todos os componentes não periódicos de frequência. O sistema de energia não é uma entidade estática, mas muda o tempo todo, de modo que rigorosamente a aplicação das definições acima implicaria que tudo é ruído. Uma forma de distinguir seria tomando o espectro do sinal ao longo de um número razoável de ciclos, por exemplo, 50 ciclos (1s para frequência de 50Hz). Harmônicos e inter-Harmônicos aparecem como linhas finas no espectro considerando que o ruído é visto como um espectro contínuo.  De acordo com o padrão para a medição da IEC distorção harmônica (IEC 61000-4-7) todo o conteúdo espectral entre harmônicas inteiras é contado como distorção inter-harmônica.

A distorção harmônica surge devido à presença de elementos não lineares no sistema de potência (isto é, quer na rede ou nas cargas). A distorção principal é devido às cargas-eletrônicas como cargas de computadores, televisores, lâmpadas economizadoras de energia. Tais cargas podem ser encontradas em números crescentes com os clientes domésticos e comerciais que conduzem a um aumento do nível de distorção na rede.

Também unidades de velocidade ajustáveis e fornos a arco são famosos pela distorção que eles causam. Mas essas cargas são encontradas principalmente com grandes clientes industriais, onde os métodos de mitigação são aplicados para limitar a distorção da tensão resultante. Por conseguinte, a distorção de tensão resultante é determinada principalmente por pequenas cargas não lineares e não pelas grandes, apesar de grandes cargas não lineares, por vezes, causar problemas locais. A variação diária da distorção harmônica mostra claramente o padrão de ocupação doméstica, principalmente por televisores.

Distorção inter-harmônicas estão muito mais relacionada às cargas industriais, assim como o componente de ruído de distorção de forma de onda.

Bancos de capacitores são muitas vezes erradamente referidos como uma fonte de distorção harmônica. Eles não são uma causa de distorção harmônica, mas sua ressonância com impedâncias (principalmente transformadores) conduz a uma amplificação das correntes harmônicas e tensões geradas pelas cargas não lineares.

A análise de harmônicas tem como objetivo prever a distorção harmônica em um ou mais locais na rede de energia. Tal estudo pode ser feito para estimar o efeito de uma carga não linear novo ou da instalação de um filtro de harmônicas.

Os dois principais métodos de análise são:

• Estudo no domínio do tempo: Neste modelo o sistema (isto é, da rede e a carga) é modelado em detalhe, após o que um estudo de domínio de tempo é feito resultando em formas de onda real. As componentes harmônicas são obtidos pela aplicação de uma transformada de Fourier para as formas de onda.
• Estudo no domínio da frequência: Neste modelo de sistema é feito um estudo separado para cada componente de frequência. Cada modelo de frequência único é relativamente simples, pois só precisa ser válido para aquela frequência específica. Os modelos resultantes são o mesmo que são utilizados para análise de frequências fundamentais resultando em tensões e correntes complexos. A principal diferença, e também a principal dificuldade neste método é na escolha dos valores de impedância.

O termo ‘Análise harmônica’ é normalmente utilizado para o segundo método, mas o primeiro método irá igualmente resultar em um espectro de harmônicas. A razão por que o segundo método é mais comumente usado é a sua simplicidade: os métodos de mesma análise podem ser aplicados aos componentes harmônicas e para a frequência fundamental.

Os pressupostos básicos por trás desse método são que a não linearidade é restrita a um número limitado de componentes (na maioria dos casos cargas) e que a forma de onda corrente de um componente não linear não é significativamente afetada pela forma de onda de tensão.

As consequências causadas por distorção de tensão harmônica são muitas, e em cargas lineares são geradas correntes harmônicas que podem prejudicar a carga. Um dos efeitos mais críticos é quando se tem harmônicos de baixa ordem nos terminais de maquinas rotativas. As maquinas rotativas são projetadas para uma quantidade máxima de desequilíbrio na tensão, e os componentes harmônicos diminui a imunidade da maquina rotativas na presença de desequilíbrio nas tensões, e quando se tem sequencia negativa, o efeito é o mesmo. È importante ressaltar que harmônicos de baixa ordem afetam as maquinas rotativas enquanto que harmônicos de alta ordem prejudicam bancos de capacitores.

Cargas eletrônicas sensíveis são afetas pela distorção harmônica. O efeito mais comum é a passagem por zero, repetidas vezes. Outro efeito também relacionado é a diminuição da eficiência de retificados devido à diminuição do pico da forma de onda. No entanto se haver o aumento da tensão de pico, pode haver um desgaste da isolação.

Os efeitos de correntes harmônicas geram sobreaquecimento em componentes tais como linhas de transmissão e transformadores. A temperatura é proporcional a corrente harmônica RMS. Dessa forma quanto mais harmônicos, maior será o aquecimento desses componentes.

Em instalações monofásicas grandes, tais como escritórios, o terceiro harmônico é muito presente devido ao grande uso de computadores e lâmpadas econômicas. Esses harmônicos podem causar uma sobrecarga no neutro, principalmente se o neutro é projetado para não ter correntes muito significativas.

Por outro lado, a atenuação de harmônicos é vista como a diminuição de harmônicos de tensão e corrente. Uma alternativa a isso é a utilização de motores e transformadores, usando uma potencia menor que a sua potencia máxima, apesar de financeiramente não ser uma opção viável.

A forma mais comum de atenuação de harmônicos é a utilização de filtros passiveis. Esses filtros não permitem que os harmônicos se espalhem pela rede. As suas vantagens são que são baratos e de fácil instalação. Suas desvantagens são que podem entrar em ressonância e também ter sobrecarga. Uma alternativa a esse tipo de filtro são os filtros ativos, que detectam os harmônicos e atuam na rede de forma a retira esses harmônicos, que podem ser de corrente ou tensão.

Outros métodos de atenuação incluem a melhoria nas redes, melhoria nas cargas com uma menor emissão de harmônicos e o aumento da robustez harmônica.

Existem muitas normas referentes à distorção harmônica, tais como a ANEEL (Agencia nacional de Energia Elétrica) que neste caso é nacional, e normas internacionais tais como a IEC e o IEEE. Pode-se notar que a norma IEC visa consumidores residência enquanto que a norma do IEEE visa grandes consumidores industriais. A ideia principal dessas normas, apesar de algumas diferenças é apenas uma: a atenuação de harmônicos na rede.

Mas fica a questão sobre qual o nível “ideal” de harmônicos na rede. Muitos estudos estão sendo desenvolvidos de maneira a tornar tais parâmetros mais palpáveis. Também há um grande desenvolvimento com relação a conversores estáticos de potencia utilizando com controle PWM. Esses conversores utilizam chaves semicondutoras para a geração de forma de ondas anti‑harmônicas, que dessa forma anula as distorções harmônicas presentes.

 

Afundamentos de Tensão

Afundamentos de tensão são reduções de curta duração onde o valor RMS da tensão é modificado. Tipicamente esse afundamento momentâneo se deva a um aumento de corrente em um ponto diferente de onde o afundamento e detectado. Em geral esses surtos de corrente que causam afundamento são causados por partidas de motores, energização de transformadores, banco de capacitores e cargas geram picos de corrente em sua energização. Afundamento com uma maior “gravidade” é gerado devido às falhas e curtos por algum equipamento.

Na figura 1 é possível verificar que devido a um curto fase-fase em cabos subterrâneos ocasionou um curto nas três fases que durou cerca de dois ciclos. Deve-se ressaltar que um o valor RMS é calculado em uma janela que na maioria das situações são de um ciclo. Na figura 2 é possível observar a variação do valor RMS durante a falta.

Figura 1 – Exemplo de afundamento de tensão

Figura 2 – Tensão RMS durante a falta

Esses eventos são indesejáveis, mas tendo uma visão um pouco mais otimista, é melhor afundamentos de curta duração do que uma interrupção no fornecimento de energia. Há muitos sistemas de proteção que é usado para que o local de falha seja isolado, e dessa forma continuar com o sistema funcionando. Esse tipo de pensamento durante muito tempo funcionou, mas hoje, cada vez mais aparelhos eletrônicos dos consumidores finais são danificados por esse tipo de afundamento. Hoje há empresas que não toleram a interrupção de energia e por outro lado temos equipamentos eletrônicos que não são tolerantes a afundamentos.

O fundamento de tensão ocasiona a diminuição de velocidade dos motores e o aumento da velocidade dos geradores. Esse problema limita a solução de faltas na rede. Os limites típicos de estabilidade na rede em um sistema de distribuição são 70% da tensão em 1 segundo.

Atualmente computadores, sistemas de controles e computadores sofrem problemas quando a tensão para o patamar de 85% durante 40 ms.

Os equipamentos sensíveis com relação a afundamento ou elevação nas tensões utilizam retificadores, que modificam o comportamento da corrente de AC para DC. Quando se tem um afundamento, a redução AC gera uma redução DC, causando problemas na aplicação DC. Uma elevação também pode causar a elevação desse nível, danificando de forma permanente. Em sistemas trifásicos a preocupação também é grande. A figura 3 exemplifica como é o comportamento da saída de um retificador trifásico quando duas fases têm afundamentos em 50% do seu valor.

Para caracterizar um evento como afundamento de tensão é necessário o processamento do sinal e a obtenção do valor RMS. Este tipo de procedimento é definido no documento IEC 61000-4-30, onde as duas principais características são o tempo de duração e a tensão. Mas para sistemas trifásicos ainda não há uma definição.

Tendo classificado um evento de afundamento, é possível descrever o desempenho do local como o de toda uma rede. Para essa definição há duas linhas que podem ser seguidas.

Figura 3 – Saída do retificador durante a falta

O primeiro é não jogar fora muita informação, ou seja, utilizar uma base de dados enorme e gerar vários índices. O segundo tenda deixar tudo simples, gerando o menor numero de índices possíveis.

É importante perceber que os índices de afundamento podem obtidos através de medições com aparelhos ou com simulações. Medições no local são mais confiáveis, mas o custo geralmente é alto, e alem disso é necessário um medidor para cada local. Quando se usado simulação, é possível gerar vários tipos possíveis de falta, fazendo uma previsão na qualidade de energia.

Existe diversão maneira de diminuir os afundamentos de tensão. O primeiro consiste em diminuir o número de faltas protegendo as linhas de ou trocando por cabos subterrâneos. Outra solução é a solução rápida da falta, mas para tal solução seriam necessários outros tipos de relés e disjuntores. Também se pode programar melhorias no sistema elétrico, modificando sua estrutura, por exemplo, para clientes tais como hospitais criar uma linha diferentes dos clientes comuns, além da implementação de geradores. Outra maneira ainda é a utilização de equipamento que mantenham a energia por certo tempo, tais com no-break ou DVR (dynamic voltage restorer). E por último, projetar equipamento que sejam imunes a afundamento de tensão.

A discussão sobre a redução nos afundamentos de tensão deve ser feita entre os clientes e as concessionárias da rede, pois para essa melhoria deve haver acordo entre ambas as partes.

As pesquisas para qualidade de energia são muitas. Há pesquisas na melhoria de equipamento, em equipamentos dedicados a melhorar a energia elétrica, leis que estão sendo estudas, além da educação e conhecimento que a sociedade deve ter com relação a esse tema, todas essas pesquisas culminam na melhoria da qualidade de energia.

 

Conclusões

A qualidade de energia é um assunto muito vasto, e além dos assuntos abordados existem outros tais com interrupção, transiente de alta frequência, ruídos, flickers e outros. Apesar da qualidade de energia ser um tema de grande interesse não só para os acadêmicos, a disseminação desse conhecimento deve ser feita, e não apenas para engenheiros, mas para a população como um todo.

 

Fonte: EA – Engenheiros Associados