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Saber Eletrônica

Ferramenta para Análise da Qualidade da Energia Elétrica

Publicado em 01 agosto 2011

Utilizando Instrumento Virtual e a Teoria de Potencia Conservativa

Este artigo apresenta uma proposta de instrumento virtual flexível, capaz de realizar distintas análises dos circuitos elétricos, inclusive, no que diz respeito à qualidade de energia elétrica em cargas industriais. Além disto, permite auxiliar na avaliação de novas propostas de metodologias de tarifação de energia. Com base nas análises possíveis, também permite a proposição de condicionadores de energia para compensação de distúrbios na rede elétrica.

Danilo I. Brandão

Eduardo V. Liberado

Helmo K. AA. Paredes

Fernando P. Marafão

Para demonstrar a capacidade de análise do instrumento proposto, será apresentada a análise de um circuito elétrico não linear, com base nas recentes decomposições dos sinais propostas pela Teoria de Potência Conservativa111, bem como uma possível abordagem para tarifação de instalações com formas de onda não senoidais e/ou desequilibradas.

Até algumas décadas atrás, a maioria das cargas elétricas de corrente alternada, quando alimentadas com tensão senoidal, provocavam a circulação de corrente também senoidal. Com o avanço da eletrônica industrial e de potência (retificação, inversão, chaveamento, etc.) e o uso de técnicas não lineares de controle eletrônico, as formas de onda das correntes têm se tornado cada vez mais não senoidais. Em consequência, aumentam as dificuldades do controle de reativos, bem como do balanceamento das redes elétricas, e cria-se a necessidade de análise e controle das distorções harmônicas de corrente provocadas pelas cargas não lineares. A circulação das correntes não senoidais pode provocar não apenas a sobrecarga dos sistemas elétricos, mas também, uma série de outros distúrbios, tais como: ressonâncias e/ou distorções das tensões (através da queda de tensão provocada na impedância das linhas).

Neste contexto, a análise das correntes, tensões e potência com o objetivo de propor sistemas de condicionamento de energia elétrica, ou mesmo, atribuir responsabilidades na tarifação da energia torna-se essencial para indústrias e concessionárias fornecedoras de energia [2-3].

Os métodos de compensação passiva (filtros sintonizados e bancos de capacitores) têm-se mostrado ineficientes para compensar todos os distúrbios presentes no sistema elétrico. Já os filtros eletrônicos (filtros ativos de potência) são eficientes, entretanto, possuem custos de instalação elevados. Por causa desses obstáculos, eficiência e custos, torna-se cada vez mais importante a análise detalhada dos circuitos em termos da decomposição das tensões, correntes e potência, para assim propor formas adequadas (eficientes e economicamente viáveis) para a compensação da(s) porção(ões) crítica(s) das correntes da carga.

Com relação à tarifação, o único indicador de qualidade de energia considerado atualmente é o fator de potência (para o setor industrial), enquanto diversos outros distúrbios poderiam ser quantificados e, eventualmente, tarifados. Além disso, é importante adotar um critério de atribuição de responsabilidades sobre os distúrbios, considerando o lado dos fornecedores de energia e o lado dos consumidores de energia, de forma que o consumidor não seja tarifado por um distúrbio provocado ou propagado pela rede da concessionária.

Nesse sentido, este artigo descreve o instrumento virtual desenvolvido para fornecer dados para a análise das tensões, correntes e potência, de forma a auxiliar na proposta de condicionadores de energia para uma determinada instalação elétrica [4], e também, para dar subsídios a novas metodologias de tarifação da energia elétrica [5]

A Teoria de Potência Conservativa (TPC)

A TPC é fundamentada na aplicação das Leis de Kirchhoff das Tensões e Correntes e no Teorema de Tellegen (ou Teorema da Conservação de Energia), podendo ser aplicada para qualquer sistema polifásico (sem ou com condutor de retorno) em qualquer configuração e/ou tipo de carga. Além disso, é uma teoria no domínio do tempo, de reduzida complexibilidade e com uma decomposição da corrente e da potência elétrica em parcelas relacionadas às características intrínsecas dos circuitos analisados (fenômenos físicos). Por estes motivos, a TPC pode tornar-se interessante para aplicações de compensação e de tarifação de energia elétrica.

Basicamente, a TPC relaciona parcelas da decomposição das correntes e potência com alguma característica do circuito (distúrbio ou fenômeno físico). A tabela 1 apresenta as parcelas de correntes e potência decompostas, relacionado-as aos seus respectivos fenômenos físicos causadores (detalhes sobre os equacionamentos necessários em"1"). A partir da identificação dos distúrbios presentes nas tensões e nas correntes é possível escolher o tipo e a estratégia de compensação necessária, utilizando-se das próprias parcelas de potência da TPC para projetar os compensadores[4"6].

Com relação à tarifação, os autores da TPC propõem que os distúrbios presentes na corrente elétrica são causados pelas cargas e, portanto, de responsabilidade dos consumidores, enquanto os distúrbios contidos na tensão são de responsabilidade dos fornecedores. Sendo assim, para o cálculo das parcelas de potência a serem tarifadas, dever-se-ia considerar apenas a componente fundamental de sequência positiva das tensões (que pode ser obtida através de filtragem analógica ou digital), a qual representa a tensão que deveria ser fornecida aos consumidores |5].

Instrumento desenvolvido

O instrumento virtual é composto por placas de sensoriamento e condicionamento de sinais, bloco conector, cabo de transmissão, placa de aquisição de dados, microcomputador e software para programação de distintos algoritmos. As placas de sensoriamento e condicionamento foram desenvolvidas pelos autores utilizando-se sensores de corrente (LA-55P) e tensão (LV-25P), ambos da LEM, como ilustra a figura 1. Estas placas foram inseridas dentro de uma caixa metálica para melhor manuseio e transporte, denominada módulo condicionador. O módulo condicionador tem por objetivo medir as tensões e correntes, e posteriormente atenuá-las, amplificá-las, filtrá-las e/ou limitá-las para que o conversor analógico-digital da placa de aquisição de dados possa reconhecê-las. O bloco conector (CB-68LP) e o cabo de transmissão (SHC68-68-EPM), ambos da National Instruments, são os dispositivos responsáveis pela transmissão do sinal do módulo condicionador para a placa de aquisição de dados, inserida no microcomputador.

A placa de aquisição de dados (DA-Qmx-PCI-6143-S), também da National Instruments, é inserida internamente ao microcomputador e realiza a conversão analógico-digital dos sinais provenientes do cabo de transmissão. As placas da série S são completamente "plug and play" para computadores com barramento PCI e possuem oito entradas analógicas, em modo diferencial, com um conversor analógico-digital (ADC) de 16 bits dedicados para cada canal. A frequência máxima de amostragem desta placa é 250 kS/s/canal. Neste projeto, a frequência de amostragem será de 12,6 kHz por canal, garantindo o teorema de Nyquist, com 210 amostras por ciclo da frequência fundamental de 60 Hz. A placa de aquisição recebe sinais em uma faixa de ±5 V e, sendo assim, deve-se ajustar os ganhos dos circuitos condicionadores dos sensores de tensão e corrente de forma a adequar a faixa de valores dos sinais elétricos medidos à faixa de valores da placa de aquisição, para não danificá-la. Importante destacar que todas as calibrações do sistema foram realizadas utilizando-se o osciloscópio DPO 3014 da Tektronix.

Software implementado

O algoritmo implementado em LabVIEW 7.1, é baseado na arquitetura produtor/ consumidor mostrada na figura 2, onde existem dois loops trabalhando simultaneamente, sendo o primeiro responsável pela aquisição de dados (loop produtor) e o segundo por processá-los, apresentá-los e salvá-los em formato de planilha (loop consumidor). A vantagem desta estrutura é que não é necessário esperar o término do processo para realizar uma nova aquisição. A aquisição de dados foi realizada pelo bloco "DAQ Assistant" e todo equacionamento da decomposição das correntes e potência pela TPC foi escrito em linguagem C e compilado em uma DLL (Dynamic Link Librarpoty), a qual é interpretada pelo LabVIEW. As chamadas da DLL ocorrem através do bloco "Cali Líbrary Function Node", inserido em um laço de repetição.

Resultados

Para exemplificar o funcionamento da ferramenta, um sistema trifásico com quatro fios, contendo cargas lineares balanceadas, desbalanceadas e cargas não lineares, figura 3, foi alimentado por uma fonte de tensão programável, AC Power Source 9000Ls da Califórnia Instruments.

As figuras 4, 5 e 6 mostram a interface do software durante as medições para uma tensão de alimentação contendo harmônicos. A figura 4 apresenta as formas de onda da tensão, corrente, potência ativa instantânea e energia reativa instantânea, respectivamente.

Na figura 5, nota-se a presença das correntes reativas balanceadas, de desbalanço e residuais (nulas), o que era esperado, uma vez que a carga contém indutores, é desbalanceada e possui cargas não lineares. Além disto, pode-se observar que as correntes ativas balanceadas têm formas semelhantes as das tensões impostas (proporcionais as tensões).

A figura 6 indica a diferença no cálculo das parcelas de potência quando calculadas de acordo com as tensões medidas (valores PAC), as quais, para este exemplo, estão distorcidas e assimétricas e, quando calculadas considerando somente a tensão fundamental de sequência positiva (valores CARGA), sendo estas últimas potências, as que de fato deveriam ser tarifadas de acordo com os autores da TPC. Notar que a potência ativa é menor para o caso dos valores "CARGA", consequentemente, o consumidor não seria penalizado (pagaria menos) por esta energia fornecida com tensões deterioradas.

Nesta figura também são indicados os valores eficazes (RMS) das tensões e correntes, bem como alguns indicadores de qualidade de energia, tais como: distorção harmônica total (DHT) e desequilíbrio (KV).

Análises adicionais do instrumento e exemplos de aplicação podem ser encontradas em |5"7|.

Conclusão

Com um instrumento virtual compacto, rápido, de fácil manuseio e de aquisição em tempo real, é possível realizar a análise da decomposição da corrente da carga e assim identificar quais parcelas da decomposição são mais prejudiciais à instalação elétrica. Conhecendo-se as parcelas mais prejudiciais ao sistema, é possível definir um tipo e estratégia de compensação eficiente e economicamente viável para um específico sistema elétrico. Além disso, este artigo também demonstrou que é possível a análise de novas propostas de tarifação de energia, como por exemplo, através da TPC, agregando mais funcionalidades ao instrumento.

Agradecimentos

À FAPESP, Fundunesp e ao CNPq pelo suporte financeiro. E

Danilo Iglesias Brandão

Aluno de graduação da UNESP - Universidade Estadual Paulista - Campus de Sorocaba

Eduardo Verri Liberado

Aluno de mestrado da UNESP - Bauru/ Sorocaba

Helmo Kelis Morales Paredes

Pesquisador doutor na UNESP - Sorocaba Fernando Pinhabel Marafão

Docente efetivo da UNESP - Sorocaba

Bibliografía

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ra Marafão, F. R, Liberado, E.V., Paredes, H. K. M., Silva, L. C. P.,"Three-Phase Four-Wire Circuits Interpretation by means of Different Power Theories", Proc. of International School on Nonsinusoldal Currents and Compensation, pp. 104-109, Poland, 2010.[41 Marafão, F. P., Paredes, H. M., Brandão, D. I., Silva, L. C. R,"Possible Shunt Compensation Strategies Based on Conservative Power Theory", Proc. of International School on Nonsinusoidal Currents and Compensation, pp. 98-103, Poland, 2010. eiTenti, R, Paredes, H. K. M., Marafão, F. R, Mattavelli, R,"Accountability and Revenue Metering in Smart Micro-Grids", Proc. of International Workshop on Applied Measurements for Power System, Germany, 2010. [61 Paredes H. K. M., Costabeber A.,Tenti, R,"Application of Conservative Power Theory to Cooperative Control of Distributed Compensators in Smart Grids", Proc. of International School on Nonsinusoidal Currents and Compensation, pp. 190-196, Poland, 2010. Pi Paredes, H. K. M, Marafão, F. R, Brandão, D. I., Diniz, I.S.,"Conservative Power Theory Discussion and Evaluation by Means ofVirtual Instrumentation", Proc.of the Brazilian Power Electronics Conference, pp. 423-430, Brazil,