Qualidade da Energia

A Qualidade da Energia e o Aumento da Produtividade

As Origens dos Problemas Relacionados à Qualidade da Energia

O Perfil da Tensão

Distúrbios Relacionados aos Problemas de Qualidade da Energia

Distorções Harmônicas

Ações para a Melhoria dos Índices de Qualidade da Energia e Redução dos Níveis de Distorções Harmônicas

Itens de Mitigação dos Problemas Relacionados à Qualidade da Energia Elétrica   

O Termo Qualidade da Energia

O termo “Qualidade da Energia” inclui uma gama de fenômenos, abrangendo áreas de interesse de sistemas de energia elétrica, até problemas relacionados com a comunicação em redes de transmissão de dados. Dessa forma, devem ser divulgados e reconhecidos por todos os setores envolvidos com o consumo, transmissão e geração da energia elétrica. A interpretação destes fenômenos, principalmente as distorções de tensões e correntes, localizadas tanto nos PAC’s (ponto de acoplamento comum) como também dentro das instalações dos próprios consumidores de energia, estão associadas diretamente à correção do fator de potência, racionalização da energia e aumento da produtividade. A ocorrência destes problemas determina a necessidade de uma busca mútua de soluções, entre ambas as partes, para a realização de medidas práticas e econômicas.

Concessionárias e consumidores de energia estão cada vez mais preocupados com as características do suprimento elétrico e, o termo “Qualidade da Energia” tem se tornado a palavra chave no âmbito industrial dos últimos anos. Todavia, estes fenômenos não são necessariamente recentes, e estão sendo atualmente analisados não mais como causas e efeitos isolados, mas como problemas correlacionados. Devido ao crescente interesse pelo tema, encontram-se definições distintas, em função dos anseios e necessidades envolvidos no problema. Para as concessionárias de energia, a definição leva a uma equivalência com a confiabilidade do suprimento elétrico, e por meios de estudos e análises estatísticas, estes resultados podem atingir níveis de qualidade de até 99%. Por sua vez, fabricantes de máquinas e equipamentos elétricos definem a qualidade do suprimento energético, a partir das características necessárias à fonte de alimentação, garantindo sobretudo a operação adequada dos seus aparelhos. Dentre as diversas definições, é notório a ausência de uma padronização comum, associada a esclarecimentos e soluções para os diversos problemas dos sistemas elétricos. De uma forma geral, a conceituação da perda da qualidade da energia, é adotada pelos especialistas da área, como sendo:

Independente da definição e conceituação, a preocupação tanto por parte das concessionárias quanto pelos consumidores, é considerada um assunto técnico emergencial, encontrando respaldo internacional e justificado pelos motivos a seguir:

· Os equipamentos e maquinários atuais estão mais sensíveis às variações da qualidade da energia em relação aos utilizados no passado. Muitos dos aparelhos modernos contêm controles microprocessados e/ou unidades eletrônicas de potência, tornando-os muito sensíveis a certos tipos de distúrbios, que por décadas podem ter ocorrido sem causar efeitos adversos, e atualmente, resultam em má operação e, sobretudo, redução da vida útil;

· O crescente interesse na racionalização de energia para o aumento da eficiência dos sistemas elétricos resultou em uma crescente aplicação de equipamentos de alta eficiência, acionamentos eletrônicos, e bancos de capacitores para a correção do fator de potência. Estas atitudes levaram ao incremento das amplitudes das componentes harmônicas nas redes elétricas, e na preocupação generalizada com o impacto destes níveis em um futuro próximo;

· O aumento do interesse dos consumidores pelo assunto “qualidade da energia”. Os consumidores estão tornando-se mais bem informados sobre os efeitos de alguns fenômenos como: interrupções, descargas elétricas e transitórios de chaveamentos, e estão pressionando as concessionárias para a melhora da qualidade da energia fornecida;

· É crescente a utilização de linhas de comunicações de dados em todos os setores da sociedade, tornando-se necessárias as operações ininterruptas das transações comerciais e dos processos de controle industriais.

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A Qualidade da Energia e o Aumento da Produtividade

O principal interesse pela qualidade do suprimento de energia elétrica está na procura do aumento da produtividade pelos consumidores. As indústrias buscam maquinários mais eficientes, rápidos e produtivos. As concessionárias de energia, por sua vez, encorajam estas medidas, de forma a propiciar redução de  seus investimentos em ampliações de linhas, subestações e unidades geradoras. Todavia, os maquinários modernos utilizados na aceleração da produtividade e associados com a redução de perdas e aumento da eficiência, caracterizam-se por equipamentos mais sensíveis às falhas e distúrbios dos sistemas de potência. Por outro lado, podem constituir as próprias fontes de problemas e deteriorar a qualidade do suprimento elétrico.

Atualmente, os problemas de qualidade da energia tornaram-se abundantes no vocabulário dos consumidores, preocupados com as possibilidades de queda na produção de seus insumos e por falha ou operação indevida de seus equipamentos elétricos. Dessa forma, o risco da diminuição da produtividade e do aumento das ocorrências de interrupções nas linhas de produção e nos setores de serviços em geral, apresentam-se com fortes justificativas para a divulgação de metodologias e soluções adequadas ao tratamento destes fenômenos.

A principal razão pela qual existe um interesse mundial em torno dos problemas de qualidade da energia, é sem dúvida o aspecto financeiro. Grandes impactos econômicos envolverão as concessionárias, seus consumidores e os fabricantes de equipamentos elétricos.

De fato, a incidência destes distúrbios sobre os consumidores industriais resulta em grandes prejuízos, face aos elevados investimentos destinados às áreas de automação e modernização do parque industrial. Estas áreas, estruturadas com equipamentos constituídos essencialmente por componentes eletrônicos, são extremamente sensíveis aos efeitos de uma fonte de energia inadequada. Prejuízos enormes podem surgir, simplesmente com uma única e curta interrupção no fornecimento de energia, ou ainda com a presença de significativos níveis de distorções harmônicas e transitórios.

Quanto aos consumidores residenciais, estes não detêm conhecimento técnico para reconhecerem os distúrbios, entretanto, tornaram-se parte do problema em função do elevado número de aparelhos eletrônicos instalados.

Os fabricantes de equipamentos elétricos, por sua vez, encontram-se dentro de um mercado altamente competitivo, com produtos de custo mínimo. Assim, existe um desinteresse geral em adicionar características mais flexíveis aos equipamentos produzidos, no tocante a distúrbios da rede elétrica, sem que haja um pedido formal de seus clientes. Outros fabricantes praticamente desconhecem fenômenos comumente encontrados nos sistemas elétricos ou mesmo ignoram tais efeitos, deixando a responsabilidade de possíveis falhas, entre a concessionária e seus próprios consumidores. Neste caso, destaca-se um dos problemas mais negligenciados pelos fabricantes de equipamentos elétricos, denominado por “distorções harmônicas”. Tal fenômeno, além de caracterizar uma qualidade de tensão distorcida, pode em primeira instância produzir falhas parciais, redução de vida útil ou mesmo a queima dos equipamentos eletro-eletrônicos.

Desse modo, todas as medidas necessárias à operação e proteção adequadas aos equipamentos elétricos, acabam sendo tomadas somente pelos consumidores, os quais, na maioria, se encontram despreparados para atuarem nesta área da engenharia elétrica.

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As Origens dos Problemas Relacionados à Qualidade da Energia

Muitas controvérsias tem sido geradas em função das origens dos problemas encontrados nas redes elétricas. Isto pôde ser observado numa pesquisa realizada nos EUA, envolvendo o corpo técnico especializado de uma concessionária de energia e de seus consumidores, objetivando identificar as causas dos problemas de qualidade da energia. As deduções de ambos os lados pesquisados, permitiram concluir claramente sobre um tema comum em todas as respostas: as perspectivas da concessionária e de seus consumidores são significativamente distintas.

A figura 1 ilustra, graficamente, o resultado desta pesquisa e permite observar uma grande diferença entre os pontos de vistas dos setores pesquisados.

Figura 1 - Quem são os responsáveis pelas ocorrências de problemas de Qualidade da Energia.

Pela ilustração da figura 1 , pode-se observar que os consumidores acreditam que os fenômenos naturais são as causas de aproximadamente 67% dos problemas de qualidade da energia, opinião bastante coincidente com a resposta da concessionária (60%). Todavia, o consenso acaba quando os consumidores se responsabilizam por cerca de 12% das ocorrências, contradizendo a concessionária, a qual lhes atribui a culpa por 25% dos problemas ocorridos. Mais uma vez, encontra-se uma divergência nas respostas, quando os consumidores responsabilizam a concessionária por provocar cerca de 18% dos fenômenos. Entretanto, a concessionária reconhece que apenas 2% dos acontecimentos são provenientes de suas operações. Um relativo consenso reaparece quando ambos culpam as instalações adjacentes pela responsabilidade de 18% dos casos. Finalmente, os consumidores admitem a existência de outras causas, as quais contribuem com cerca de 4% dos problemas envolvidos com o fornecimento de uma energia de pouca qualidade.

Do exposto, pode-se observar que a ocorrência de um fenômeno num dado local da instalação elétrica, comumente, leva os consumidores a rapidamente responsabilizarem a concessionária pela ocorrência de uma sobretensão, e adicionalmente, na maioria dos casos, os registradores da concessionária não indicam evento anormal no alimentador.

Devido ao crescente interesse mundial, sobre os problemas envolvendo o termo “Qualidade da Energia”, as concessionárias estão desenvolvendo programas internos de forma a habilitar o pessoal técnico a responder aos anseios de seus clientes, promover uma maior divulgação do assunto e de certa forma, procurar soluções em conjunto com seus consumidores. Neste aspecto, é de extrema importância o incentivo ao desenvolvimento de novas instrumentações e ferramentas computacionais, que auxiliem na eliminação ou na atenuação destes fenômenos indesejáveis, junto ao suprimento de energia elétrica.

O Perfil da Tensão

Um destaque no contexto geral da Qualidade da Energia, refere-se ao controle do perfil da magnitude da tensão de suprimento. Dentro deste enfoque encontra-se um grupo de fenômenos que em conjunto ou isoladamente provocam a deterioração do suprimento energético. A qualificação e quantificação destes efeitos têm sido propostas, sem entretanto, estabelecer um consenso a este respeito.

Sob o ponto de vista técnico da operação do sistema, é de extrema importância que o consumidor seja suprido com uma “Tensão”, na qual seus equipamentos possam operar de maneira satisfatória. Tal preocupação, deve ocorrer, principalmente devido ao crescente emprego de cargas eletrônicas no sistema elétrico, as quais, injetam correntes harmônicas no sistema elétrico, distorcendo a tensão de suprimento que, de forma comum, passa a alimentar outros consumidores de características lineares.

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Distúrbios Relacionados aos Problemas de Qualidade da Energia

Desde os primórdios, em que a energia elétrica foi colocada ao bem da humanidade, o suprimento e a manutenção de uma tensão puramente senoidal com amplitude e freqüência constantes, tem sido uma premissa a ser observada pelas concessionárias de energia elétrica. Particularmente, ressaltam-se as preocupações com os níveis de distorções harmônicas em regime contínuo e os produzidos pelas energizações de transformadores, como a ferro-ressonância, por exemplo, e outros fenômenos de característica transitória. Relacionados a estes efeitos, tem-se a recente inclusão de um grande número de bancos de capacitores nos sistemas elétricos, onde uma variada gama de ocorrências de ressonâncias têm-se verificado, reforçando o interesse pela qualidade da energia elétrica.

O comprometimento com o fornecimento de uma energia elétrica adequada à operação dos diversos equipamentos elétricos, requer uma avaliação constante e detalhada da ocorrência dos mais variados fenômenos elétricos. Dentre os principais distúrbios sofridos pela tensão de suprimento, e atuantes na queda da qualidade do suprimento elétrico, encontram-se as distorções harmônicas, foco principal desta dissertação.

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Distorções Harmônicas

Dentre os distúrbios e a qualificação de um padrão de qualidade da energia, a sub-área harmônicos encontra-se numa posição de destaque. De fato, em se tratando de um sistema elétrico, as tensões de suprimento às instalações consumidoras devem, por contrato, serem perfeitamente senoidais. No entanto, esta condição ideal jamais será encontrada na prática, visto que, as tensões e as correntes encontram-se distorcidas. Este desvio é usualmente expresso em termos das distorções harmônicas de tensão e corrente, e normalmente causadas pela operação de cargas com características não-lineares. A priori, estas correntes se propagam pelo sistema elétrico provocando distorções de tensão em diversos pontos e ocasionando aquecimentos anormais em transformadores, banco de capacitores, condutores neutros, motores de indução, interferências em equipamentos eletrônicos de controle, comunicação, microcomputadores, etc..

Considerando que, atualmente têm surgido cargas sensíveis a tais anomalias, existe uma preocupação, principalmente por parte das concessionárias de energia elétrica, em minimizar, e se possível, eliminar os impactos e os efeitos provocados pelas componentes harmônicas. A figura 2 ilustra uma forma de onda de “corrente” produzida por distorções harmônicas.

Figura 2 - Forma de onda da corrente distorcida.

Matematicamente, este sinal periódico e distorcido pode ser adequadamente representado em termos de sua freqüência fundamental e suas harmônicas. A freqüência fundamental é usualmente assumida como sendo igual à freqüência de suprimento do sistema e, seus múltiplos inteiros são chamados de harmônicas. Comumente, as componentes harmônicas são medidas na forma de “distorções”, e quantificadas como Distorções Harmônicas Totais, em relação a componente fundamental, segundo as expressões 1 e 2.

	(1)
	(2)

Para expressar a distorção individual provocada pelas componentes harmônicas, ou índices de Distorção Harmônica Individual, definidos pela relação do valor da componente harmônica pelo valor da componente fundamental, utiliza-se as expressões 3 e 4, respectivamente para a tensão e corrente:

	(3)
	(4)

De uma forma geral, as concessionárias de energia elétrica fornecem uma tensão cuja forma de onda é muito próxima da senoidal. A conexão de uma carga não-linear à rede elétrica, como por exemplo um forno de indução, ocasionará a circulação de uma corrente, que se apresentará sob uma forma de onda não-senoidal, e, por conseguinte, correntes harmônicas serão produzidas.

Dentre as cargas comumente encontradas e que produzem tais correntes, destacam-se os fornos de indução, acionamentos de velocidade variável, controladores estáticos, retificadores em geral, tipos de iluminação fluorescente e diversas cargas domésticas.

Com o intuito de retratar os correspondentes níveis de distorções nos setores industriais, níveis típicos de distorção harmônica total de tensão e corrente são indicadas na tabela 1.

Tabela 1 - Níveis de Distorções Harmônicas Geradas por Setores Industriais.

Adicionalmente a estas cargas não lineares, encontram-se outras fontes de harmônicas associadas a:

· Substituição de circuitos de iluminação incandescente pelas modernas lâmpadas de descarga;

· Utilização de fornos a arco voltaico ou de indução;

· Aplicação de inversores de freqüência no acionamento de máquinas rotativas, constituindo os Adjustable Speed Drivers (ASD), no controle de vazão de processos industriais, em substituição aos tradicionais Dampers ou válvulas estranguladoras e outros;

· Utilização de “Softstarters” para a partida de grandes motores;

· etc..

Por outro lado, a tabela 2 apresenta as características de corrente de cargas comumente utilizadas nos setores comerciais e residenciais.

Tabela 2 – Características de corrente encontradas em um edifício comercial típico.

Esta tendência generalizada faz com que o conteúdo harmônico injetado no sistema seja cada vez mais elevado, e a circulação de correntes harmônicas pelas redes de distribuição, venham a causar uma série de efeitos indesejáveis em diversos equipamentos e componentes, comprometendo ainda mais a qualidade da energia, destacando-se as seguintes influências:

· Aumento do consumo de potência reativa, o que se traduz na redução do fator de potência e no aumento das quedas de tensão nos circuitos;

· Ocorrência de distorções de tensão interferindo em circuitos de controle, acionamentos e outros aparelhos eletrônicos;

· Incidências de sobretensões e sobrecorrentes ao longo da rede ou em consumidores, ocasionadas por fenômenos de ressonância.

A combinação destas ocorrências, resulta em uma série de efeitos indesejáveis em diversos tipos de equipamentos e instrumentos cuja suportabilidade máxima pode ser classificada segundo a tabela 3.

Não obstante a importância que os efeitos de distorções harmônicas provocam nos elementos constituintes dos sistemas elétricos é importante destacar, que estas componentes também influenciam nos valores apresentados pelos instrumentos de medição de grandezas elétricas.

Tabela 3 - Nível Máximo de Distorções Harmônicas Suportadas por Componentes do Sistema Elétrico

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Ações para a Melhoria dos Índices de Qualidade da Energia e Redução dos Níveis de Distorções Harmônicas

As investigações sobre os níveis de qualidade da energia freqüentemente necessitam da realização de monitorações para a identificação exata do problema e determinação das soluções a serem implementadas. Entretanto, a alternativa da realização de exaustivas medições em campo, deve ser precedida de investigações sobre o sistema em análise, sendo necessário conhecer o processo industrial do consumidor, os equipamentos que estão sendo afetados, as instalações elétricas, os tipos de aterramentos, e as condições de operação.

Algumas vezes, as soluções de problemas de qualidade da energia podem ser encontradas sem a realização de extensas monitorações, obtendo-se apenas informações sobre a instalação, conforme sugerido a seguir:

· Identificação da natureza dos problemas, como a perda de dados, os desligamentos indesejáveis, as falhas de equipamentos, a operação indevida de sistemas de controle e etc;

· Levantamento das características e níveis de suportabilidade dos equipamentos com problemas de operacionais;

· Verificação dos períodos de ocorrências dos problemas;

· Existência de problemas simultâneos ou manobras e operações que ocorram ao mesmo tempo, como o chaveamento de capacitores de potência;

· Presença de fontes capazes de variar o índice da qualidade da energia da instalação, como partida de motores, operação de equipamentos eletrônicos de potência, utilização de equipamentos a arco elétrico, etc;

· Utilização de dispositivos para a redução dos problemas de qualidade da energia;

· Levantamento de dados, como os diagramas unifilares, valores das potências e impedâncias dos transformadores, informações dos tipos de cargas, localização dos bancos de capacitores, características dos cabos, etc.

Na seqüência, é necessário o levantamento em campo das reais condições operacionais da instalação, o respectivo confronto com os dados e informações contidas nos diagramas unifilares, e, proceder apropriadamente às medições e monitorações em locais específicos do sistema elétrico.

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Itens de Mitigação dos Problemas Relacionados à Qualidade da Energia Elétrica

Muitos dispositivos de potência são desenvolvidos objetivando melhorar a qualidade da energia, proporcionando uma fonte de suprimento adequada a diversos tipos de equipamentos eletrônicos. A sua atuação consiste em eliminar ruídos e estabilizar a amplitude e a freqüência da forma de onda da tensão.

As características de qualidade do sistema supridor são necessidades variáveis de acordo com cada aplicação exigindo, assim, equipamentos utilizando tecnologias diferenciadas e oferecendo diversos níveis de proteção aos aparelhos elétricos. A escolha e o dimensionamento de um dispositivo para esta finalidade deve inicialmente atender aos seguintes requisitos:

· Verificar se o problema é realmente de qualidade da energia. A perda da qualidade do suprimento energético é apenas uma das causas da operação indevida de equipamentos elétricos. Outros problemas de natureza diversificada (problemas de hardware e software, temperatura e umidade, ambientes poluídos, etc.) podem interferir na operação de muitos equipamentos;>

· Identificar os tipos de distúrbios elétricos. Para a determinação destes problemas, procedem-se a monitoração e verificação das estimativas futuras dos níveis de qualidade do suprimento elétrico;

· Levantar os gastos para eliminar ou atenuar os problemas. Algumas estimativas de custos devem ser associadas com os distúrbios do alimentador. Estas incluem a determinação dos prejuízos provenientes dos danos ocasionados ao hardware, pela perda de dados, queda de produtividade e erros no processo.

Tendo em vista, a variedade e as características diferenciadas dos equipamentos para o condicionamento da energia, destacam-se na literatura:

ü Os transformadores isoladores;

ü Filtros ou supressores de ruídos;

ü Filtros de correntes harmônicas

· Passivos (Shunt e Série);

· Ativos.

ü Reguladores de Tensão;

ü etc.

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