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1
Conceitos Gerais em Qualidade de Energia
Nelson KaganDepartamento de Eng. de Energia e
Automação ElétricasEscola Politécnica da USP
Conceitos Gerais em Conceitos Gerais em Qualidade de EnergiaQualidade de Energia
Nelson Nelson KaganKaganDepartamento de Eng. de Energia e Departamento de Eng. de Energia e
AutomaAutomaçção Elão EléétricastricasEscola PolitEscola Politéécnica da USPcnica da USP
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2
Qualidade de Energia em uma Empresa de Energia Elétrica
TS
E
P
Atendimento
GestãoEmpresarial
Desvios V e I/ Forma de
Onda
Falha
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3
PRODUTO SERVIÇO
ATENDIMENTOCOMERCIAL
Q
Qualidade de Energia
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4
O Momento Atual
EMPRESAS CLIENTES
REGULADOR
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5
Pesquisas deSatisfação
Indicadorese Padrões
Auditorias
ReclamaçõesRelatóriosEspecíficos
Instrumentos de Avaliação da Qualidade - Orgão Regulador
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6
Qualidade da Energia
Interrupções de Longa Duração
Segurança Continuidade
Qualidade da TensãoConfiabilidade do Sistema
Interrupções de Curta DuraçãoVTCD´s
Desvios da Freqüência
FlutuaçõesDesequilíbrioHarmônicos
Inter-harmônicosTransitórios
Uma visão da QEE
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7
Qualidade de Serviço
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8
indicadores para a qualidade do serviindicadores para a qualidade do serviçço:o:
• DEC Duração Equivalente de Interrupção por Consumidor• DEP Duração Equivalente de Interrupção por Potência• DIC Duração de Interrupção Individual• FEC Frequência Equivalente de Interrupção por Consumidor• FEP Frequência Equivalente de Interrupção por Potência• FIC Frequência de Interrupção Individual
TA Tempo de AtendimentoTMA Tempo Médio de AtendimentoTX% Tempo X% de AtendimentoFMA Frequência Média de Ocorrências
Qualidade de Serviço
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9
Continuidade de Fornecimento
• Resolução 024 ANEEL– Fev. 2000• Conceitos de Conjuntos• Indicadores• Definição de Padrões • Penalidades
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Clusters
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Metas para IndicadoresIndividuais
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Penalidades
Valores dos padrões indicados nas contas
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Variações de Tensão de Longa Duração
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Padrões de Níveis de Tensão
Gestão amostral da concessionária e individual por reclamaçãoMedição com protocolo definidoValores de tensão individuaisÍndices coletivos (ICC)Penalidades
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15
Padrões de Níveis de Tensão
Classificação MTClassificação Intervalo
Adequada 0,95 V ≤ Vm ≤ 1,05 V
Precária 0,93 V ≤ Vm < 0,95 V
Crítica Vm < 0,93 V or Vm > 1,05 V
Vm – tensão medida
V – nominal /contratada
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Padrões de Níveis de Tensão
Classificação BT –127 VClassificação Intervalo
Adequada 0,91 V ≤ Vm ≤ 1,04 V
Precária 0,86 V ≤ Vm < 0,91 V 1,04 V ≤ Vm ≤ 1,06 V
Crítica Vm < 086 V or Vm > 1,05 V
Vm – tensão medida
V – nominal
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Nível de Tensão em Regime Permamente
Duração na Faixa Precária
Duração na Faixa Crítica
[ ]%1001008
xnlpDRP =
[ ]%1001008
xnlcDRC=
1008 = número de intervalos de 10 minutos em uma semana
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Padrões de Níveis de Tensão
Voltagemprecáriacrítica
DRPDRP
DRCDRC
crítica
DRCDRC
Índices Individuais (MT)
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Nível de Tensão
Índice Coletivo
[%]100xCACCICC=
CC: número de consumidores com tensões na faixa crítica
CA: numero de consumidores da amostra
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PenalidadesTransgredindo o padrão de DRP ou tendo tensões na faixa crítica e a concessionária não tendo adequado a tensão nos prazos limites a penalidade é;
MM CkDRCk
DRPDRPValor ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡ ×+×
−= 2
1001
100
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Desequilíbrios de Tensão
Fonte: Alex McEachern – power quality toy
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22
Método das componentes simétricas
%100
3
1201,3
2
2
2
1
2
2
∗=
++=
∠=++
=
V
Vdeseq
caVbcVabVV
caVbcVabVV o
&
&
&&&&
&&&&
αα
ααα
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Método NEMA
( ) 3/VcaVbcVabVMax
Deseq++∆
=
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24
Método do Cigré
( )2222
444
21
631631
VcaVbcVabVcaVbcVab
Deseq
++
++=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−+
−−=
β
ββ
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VTCDs
Variações de tensão de curta duração afundamentos e elevações de tensão
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Variações de Curta Duração
Segundo o IEEE, tais fenômenos englobam tempos desde 0.5 ciclo até 1 minuto. Afundamentos: tensões compreendidas entre 0.1 e 0.9 pu. (redução a tensões inferiores a 0.1 pu, o fenômeno é classificado como interrupção de curta duração). Elevações de tensão de curta duração a níveis acima de 1.1 pu.
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Causas Principais de Sags
Ocorrência de faltas na rede elétrica (caráter aleatório)
Nos defeitos mais freqüentes (fase-terra), há o surgimento de um transitório de curtíssima duração (alguns ciclos, no máximo), com redução da tensão na fase defeituosa e, geralmente, elevação de tensão nas fases sãs. Verifica-se este comportamento não só no alimentador onde se dá o defeito, mas pelo menos em todos aqueles alimentados pela mesma subestação supridora, perdurando até que seja acionada a proteção da rede.
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Fenômenos na Qualidade de EnergiaVariações de Curta e Longa Duração
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29
Fenômenos na Qualidade de EnergiaVariações de Curta Duração
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Causas Principais de Sags
manobras de grandes cargas na rede, principalmente partida de grandes motores.
No caso da partida de grandes motores de indução, cuja corrente associada pode atingir de 6 a 10 vezes o valor da corrente nominal, a queda de tensão também pode ser significativa
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Susceptibilidade dos Equipamentos
A ocorrência de afundamento de tensão pode causar sérios prejuízos a consumidores industriais. Com a utilização cada vez maior de equipamentos eletrônicos no controle de processos, tais como PLCs (Controladores Lógicos Programáveis) e ASDs (Acionamentos de Velocidade Variável), que são vulneráveis a variações de tensão, a questão do controle e limitação das variações momentâneas de tensão se torna fundamental na eficiência do processo produtivo.
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32
Susceptibilidade dos Equipamentos
Equipamentos de informática:norma do IEEE (Std 446 de 1987 e atualizada em 1995) curva da CBEMA (Computer Business EquipmentManufacturers Association).
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33
Susceptibilidade de PLCs e ASDs
PLCsASDs
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34
Susceptibilidade de Contatores
Atuação indevida de contatores e relés auxiliares, devido a falha de energização das bobinas dos primeiros;
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35
Equipamentos Eletrodomésticos
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36
Equipamentos Mais Sensíveis
Industriais:- Acionamentos de velocidade variável;- Microcomputadores;- Controladores lógicos programáveis;- Contatores.
Residenciais- Microcomputadores;- Aparelhos de videocassete;- Forno microondas;- Relógios digitais.
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37
Área de vulnerabilidade para uma dada carga do sistema
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38
Indicadores - SARFIx
Um Indicador usado para a avaliação do desempenho do Sistema é SARFIx (System Average RMS (Variation) FrequencyIndex Voltage ) definido como a relação entre Ni / NT . Para um consumidor representa o número de VTCDs com valor além do limiar, em um dado período.
x: limiar da tensão eficaz da VTCD, com os possíveis valores: 140, 120, 110, 90, 80, 70, 50, e 10%Ni: número de consumidores afetados por desvios momentâneos de tensão com magnitude maiores que X% para X > 100 ou abaixo de X% para X < 100, devido a um evento medido i. NT: número de consumidores supridos pela seção do sistema a ser avaliado
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39
SARFIx
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40
Exemplo de Monitoramento Amplitude Duração (s)
(pu) 0.01 a0.02
0.02 a0.10
0.10 a0.50
0.50 a1.00
1.00 a3.00
3.00 a20.0
20.0 a60.0
60.0 a180.0
Total
0.10 a 0.15 151 50 20 6 4 5 0 0 236 0.15 a 0.30 38 84 50 32 3 1 0 0 208 0.30 a 0.60 6 65 132 11 2 0 0 0 216 0.60 a 0.99 0 22 71 11 5 0 0 0 109 0.99 a 1.00 0 0 0 0 10 4 1 1 16
Total 195 221 273 60 24 10 1 1 785
0.01
a 0
.02
0.02
a 0
.10
0.10
a 0
.50
0.50
a 1
.00
1.00
a 3
.00
3.00
a 2
0.0
20.0
a 6
0.0
60.0
a 1
80.0
0.10 a 0.15
0.15 a 0.30
0.30 a 0.60
0.60 a 0.990.99 a 1.00
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Núm
ero
de d
epre
ssõe
s
Duração da Depressão (s)
Valor da Depressão (p.u.)
Figura 9 - Levantamento de Depressões por Ano
37 pontos saídas de SEs138/13.8kV1 ano
Amantegui, J. et alli. “Characterisation of VoltageDips in Electrical Networksand their Impact on CustomerInstallations”. CIGRE Task
Force 36-104.
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41
Harmônicos
2 5 0 2 6 0 2 7 0 2 8 0 2 9 0- 1 5
- 1 0
- 5
0
5
1 0
1 5
V [ k V ]
t [ m s ]
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42
O que são harmônicos?Harmônicos são causados por distorções periódicas nas formas de onda de correntes e tensõesA distorção é proveniente de dispositivos não lineares, principalmente cargas
V(t)
I(t)
V
I
Nonlinear Resistor
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43
Exemplo de forma de onda de corrente num escritório
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44
Fourier, Jean B.J.1768 - 1830, Auxerre France
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45
Decomposição em componentes harmônicas
·
+
+
+
+
+
+
··
+
60 Hz(h = 1)
300 Hz(h = 5)
420 Hz(h = 7)
540 Hz(h = 9)
660 Hz(h = 11)
780 Hz(h = 13)
180 Hz(h = 3)
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46
Parâmetros ou índices Relativos a Harmônicos
• Distorção Harmônica Total (Fator de Distorção)
• Fator de Influência Telefônica
• Distorção Total de Demanda
• Produtos V T e I T
• Fator de perdas harmônicas de Transformador
• Constante harmônica
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47
1
2h
2h
V V
V
THD∑∞
==1
2h
2h
I I
I
THD∑∞
==
Distorção Harmônica Total (Fator de Distorção)
,
2V1ef )100/THD(1VV +=
2I1ef )100/THD(1II +=
2I
2V11
tot)100/THD(1)100/THD(1IV
PFP++
=
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48
D
2h
2h
I
I
TDD∑∞
==
Distorção Total de Demanda (IEEE 519-1992)
ID : Corrente máxima de demanda
ef
picoc V
VF =
Fator de Crista
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49
Harmônicos de corrente vs. tensão
PureSinusoid Distorted Load
Current
Distorted Voltage
+ -(Voltage Drop)
Correntes harmônicas em impedânciasdo sistema resultam em tensõesharmônicas na carga
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50
Exemplo de forma de onda de
corrente de um aparelho
eletrônico
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51
0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10-400
-200
0
200
400
Time (Seconds)
TYPE 1 Waveform100 HP PWM ASD - No Choke
Amps
TYPE 2 Waveform100 HP PWM ASD - 3% Choke
0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10-400
-200
0
200
400
Time (Seconds)
Amps
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25Harmonic Number
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
H
ITHD = 80.6%IRMS = 148.2 AmpsIFund = 115.4 Amps
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25Harmonic Number
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
ITHD = 37.7%IRMS = 117.6 AmpsIFund = 110.1 Amps
Exemplos de correntes de acionadores de velocidade variável com diferentes níveis de distorção harmônica
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52
Ponte retif icadora monof . - RC
Ponte retificadoramonofásica - filtro C
Ponte retificadoratrifásica- filtro C
Ponte retif icadora trif ás ica. - RC
Ponte retif icadora monof . - RL Ponte retif icadora trif ás ica - RL
Ponte retificadoramonofásica - filtro L
Ponte retificadoratrifásica - filtro L
Exemplos de formas de onda típicas de retificadores
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53
Forma de Onda Típica de Cargas Residenciais
TV
Computador
Forno de micro-ondas
Dimmer e chuveiro com controle eletrônico
TV
Microcomputador Dimmer 50%
Forno de microondas
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54
Reator, Lâmp. Fluoresc. B
Lâmpada fluorescente com reator magnético
Reator, Lâmp. Fluoresc. A
Lâmpada fluorescente com reator magnético
Lâmpada fluorescente compacta (com reator eletrônico)
Lâmp. fLuoresc compacta A Lâmp. fLuoresc compacta B
Lâmpada fluorescente compacta (com reator eletrônico)
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55
Para onde os harmônicos vão?
Distribution Substation Bus
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56
Ressonância paralela
Cargas não lineares
Correntesharmônicasampliadas
AltaDistorção De tensão
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57
Freqüências de ressonância
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
HARMONIC NUMBER
MA
GN
IFIC
ATI
ON
OF
HA
RM
ON
IC
CU
RR
ENT
FRO
M A
SDS 300 kVAr
500 kVAr700 kVAr
No Capacitor Bank
Ressonância vs. tamanho do capacitor para um consumidor típico supridoCom um transformador de 1500 kVA, x=6%.
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58
Ressonância série
Distribution Substation Bus
CustomerPower FactorCorrection
HighVoltageDistortion
HighHarmonicCurrents
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59
Atendendo a limites de tensão
Limitar as correntes harmônicas de dispositivos não lineares no sistema (limites de correntes harmônicas de consumidores).Garantir que ressonâncias no sistema não resultem em magnificação das correntes harmônicas (controle da empresa pela resposta do sistema).
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60
Limites de correntes harmônicas
Responsabilidade do consumidor
Valores apresentados sao percentuais da máxima corrente de cargaSCR é a relação entre a corrente de curto circuito e a máxima corrente de
cargaTDD é a distorção total de demanda, tomando como base a máxima corrente
de carga
SCR =Isc/IL <11 11<h<17 17<h<23 23<h<35 35<h TDD
4.0 2.0 1.5 0.6 0.3 5.0 7.0 3.5 2.5 1.0 0.5 8.0 10.0 4.5 4.0 1.5 0.7 12.0 12.0 5.5 5.0 2.0 1.0 15.0
<2020 - 5050 - 100
100 - 1000>1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.0
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61
Flicker – flutuação de tensão
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62
Exemplos de Flutuação de Tensão
Comportamento da tensão de suprimento de um forno a arco - Barra de 14.4 kV
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63
Impactos Técnicos da QEEImpactos TImpactos Téécnicos da QEEcnicos da QEE
Desempenho de equipamentos:
interferências, Perdas, vida útil, fatores limitadores, etc.
Equipamentos para mitigação
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64
Impactos Econômicos da QEEImpactos Econômicos da QEEImpactos Econômicos da QEE
Prejuízos relacionados com a QEE
Custo da poluição
Mitigação de perturbações
e “Pay-back”
Contratos de Fornecimento
x Qualidade
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65
•• Perdas econômicas nos EUA, relacionadas a Perdas econômicas nos EUA, relacionadas a fenômenos de QEE atingiram um montante de fenômenos de QEE atingiram um montante de US$ US$ 2424 bi anuais, como informa relatbi anuais, como informa relatóório do EPRI rio do EPRI (EUA) de julho de 2001. Atualmente estima(EUA) de julho de 2001. Atualmente estima--se em se em cerca de US$ 35 bilhõescerca de US$ 35 bilhões
no Brasil estimano Brasil estima--se na ordem de US$ 3.0bi !!!!!se na ordem de US$ 3.0bi !!!!!
Há Necessidade de Eletricidade de Qualidade Digital: continuidade (always on) e conformidade (always perfect), afirma mesmo relatório.
A Questão EconômicaA Questão Econômica
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66
US$50 bilhões por ano foram gastos nos EUA comoresultado de interrupções por qualidade de energiaFonte: Bank of America Report
“Um afundamento de tensão em indústria de papel podelevar à perda de um dia inteiro de produção — US$250.000”
Fonte: Busines Week, June 17, 1996
Metade dos problemas com computadores e um terçode todas as perdas de dados têm como fonte a rede de alimentação.Fonte: Contingency Planning Research, LAN Times
Uma empresa fabricante perdeu mais de US$ 3 milhões num único dia no vale do Silício (Califórnia, EUA)
Fonte: New York Times, January, 2000
Quanto custa a má qualidadede energia?
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67
Exemplos de Custos devidos àQualidade de Energia
DuPont: Economizou US$75 milhões/ano implementandosolução de qualidade de energia
Fabricante de compressores: afundamentos e interrupçõescustam em torno de US$1.700.000/ano
Indústria de papel: Estudo de Billington determinou custonuma interrupção de 2s de US$30.000
Indústria automotiva: Interrupções momentâneascustam em torno de US$ 10 milhões / ano
Controle de tráfico aéreo: Perdade controle em um grandeaeroporto pode custarUS$15.000/minuto
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68
Fatores que afetam os custoscom Qualidade de Energia
Perdas na produçãoSucataRe-inicializaçãoMão de obraDanos e reparos emequipamentosOutros
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69
US$1K US$ 10K US$ 100K US$ 1M US$ 10MPerdas por afundamento de tensão
Indústria têxtil
Indústria plástico
Indústria vidro
Indústria de processos especializados
Indústria semi-condutores
Exemplos de custosPerda produção
Sucata
Reinicialização do processo
Mão de obra
Danos e reparos em equips
Outros custos
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70
Indústrias são submetidas a muitomais afundamentos de tensão do que interrupções no fornecimento
1.27
6
10
18
50
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Number of Events
per Year
SAIFI (Outages) MAIFI (MomentaryInterruptions)
SARFI-50 SARFI-70 SARFI-90
Typical Interruption and Sag Performance for Distribution System Customer
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71
Custo típicos de afundamentos emindústrias
Source: Technical and Economic Considerations for Power Quality Improvements, EPRI TR-1005910
No. Process Reported
Cost Service Voltage Load 1 Semiconductor $1,500,000 69 kV 25 MW 2 Semiconductor $1,400,000 161 kV 30 MW 3 Semiconductor $ 700,000 12.5 kV 10 MW 4 Metal Casting $ 200,000 13.8 kV 16 MW 5 Chemical Plant $ 160,000 12.5 kV 5 MW 6 Pulp and Paper Mill $ 110,000 161kV 100 MW 7 Aerospace Engine Machining $ 100,000 13.8kV 10 MW 8 Food and Beverage $ 87,000 12.5 kV 5 MW 9 Chemical Plant $ 75,000 66kV 3 MW 10 Chemical Plant $ 75,000 66kV 5 MW 11 Electronic Components $ 75,000 12.5 kV 5 MW 12 Crystal Growth $ 60,000 12.5 kV 1 MW 13 Chemical Plant $ 46,175 66kV 30 MW 14 Wiring Manufacturing $ 34,000 12.5 kV 2 MW 15 Chemical Plant $ 18,000 12.5 kV 2 MW 16 Fibers Plant $ 15,000 12.5 kV 1 MW 17 Paper and Packaging $ 10,000 12.5 kV 4 MW 18 Plastic Bag Manufacturing $ 10,000 480V 4 MW 19 Plastics $ 7,500 12.5 kV 4 MW 20 Stainless Steel Manufacturing $ 5,500 12.5 kV 2 MW
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72
Onde resolver o problema?
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73
Avaliação econômicaConversão para custosanuaisCalcular custo base a partir de condiçõesexistentesAvaliar redução de custos associados a cada alternativaDeterminar osmínimos custos totais
$0
$50,000
$100,000
$150,000
$200,000
$250,000
$300,000
$350,000
$400,000
$450,000
$500,000
Base Case - Nochanges
Primary static switch Service EntranceEnergy Storage
(2 MVA)
Protect MachineControls and
Winders
Combined staticswitch with
controls protection
Solution CostsPQ Costs
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Perdas Econômicas em motores (outros fenômenos)
Os motores representam 75% de todas as cargas industriais.
Efeito de corrente de sub-harmônicos e harmônicos na perda de vida de motores
Efeito do desequilíbrio na perda de vida de motores
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Efeito De Desequilíbrios naPerda de Vida de Motores
Efeito De DesequilEfeito De Desequilííbrios nabrios naPerda de Vida de MotoresPerda de Vida de Motores
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VII CBQEE
Conferência Brasileira sobre Qualidade da Energia ElétricaSantos, 5 a 8 de agosto de 2007
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enerq-ct
Centro de Estudos em Regulação e Qualidade de EnergiaCentro TecnológicoEscola Politécnica - USP
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Vista do edifVista do edifíício na USPcio na USP
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Alguns equipamentos disponAlguns equipamentos disponííveisveis
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Algumas linhas de atuação do enerq-ct:
Pesquisa aplicadaAtividades laboratório
Medição de Grandezas ElétricasEnsaios funcionalidade/Suportabilidade/Emissividade
Medição de Qualidade de EnergiaEnsino/Capacitação e TreinamentoConsultoria de alta tecnologia
Diagnósticos e SoluçõesDesenvolvimento Tecnológico - FabricantesInformação Tecnológica Especificação de projetos novos e existentesApoio a Órgãos Reguladores
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Obrigado