Qualidade de Energia Elétrica e Iluminação (parte 1)

Introdução

Preocupações sobre os efeitos de produtos de iluminação em sistemas de distribuição de energia têm-se centrado a atenção na qualidade da energia. Baixa qualidade de energia pode desperdiçar energia ea capacidade de um sistema elétrico; que pode prejudicar tanto o sistema e os dispositivos que operam no sistema de distribuição elétrica.

Há muitos elementos em um sistema de energia que afeta dois parâmetros principais; fator de potência e harmônicos. Os motores elétricos, algumas luminárias, transformadores e outros aparelhos indutivas e capacitivas introduzir potência reativa ao sistema, e, portanto, envolvido na danificar o factor de potência. Esses componentes precisam de energia reativa para trabalhar.

Cargas não-lineares, como a UPS, sistemas de computador, luminárias fluorescentes, Lâmpadas fluorescentes compactas, eletrônica digital, etc. estão distorcendo as formas de onda de corrente e da introdução de harmônicos para o sistema de energia.

Qual é a qualidade da energia?

Para um sistema de distribuição de energia elétrica, qualidade da energia é a medida em que a tensão de linha é uma onda senoidal de amplitude constante. Figura 1 mostra de forma de onda de uma de 120 volts (Em), 60-hertz (Hz) tensão de linha de qualidade de energia ideal. Em um circuito de corrente alternada, electrões passam em direcção à fonte de alimentação para uma metade do ciclo, e para longe da fonte de energia para a outra metade.

Em 60 Hz, da onda de tensão completa um ciclo a cada 1/60^ª de uma segunda, ou aproximadamente todos 17 milissegundos (1/50^ª de uma segunda, ou 20 milissegundos em 50 Sistemas Hz). Problemas com geradores de uma utilidade ou sistema de distribuição pode causar sérios problemas de qualidade de energia, tais como quedas de tensão e transientes, o que pode reduzir a vida útil dos sistemas de iluminação e outros equipamentos elétricos. Os elevados níveis de distorção (desvio da onda senoidal) no sistema de distribuição também podem danificar o equipamento eléctrico.

Ao contrário de quedas de tensão e transientes, contudo, distorção é frequentemente causada por dispositivos eléctricos que actuam no sistema.

Para um dispositivo elétrico específico, a qualidade da energia termo descreve a extensão em que o dispositivo tanto distorce a forma de onda de tensão e altera a relação de fase entre a tensão ea corrente. Um dispositivo com características ideais de qualidade de energia nem distorce a tensão de alimentação, nem afeta a relação de fase tensão-corrente.

Figura 1 – Forma de onda de tensão para um 120V, 60Fonte de alimentação Hz com a qualidade da energia ideal

Uma onda senoidal suave é característica de tensão sem distorções. Na freqüência de 60 Hz, a onda se repete a cada 16.7 ms. A amplitude é 170V; O quadrada média da raiz (rms) valor da onda é 120V.

Como os sistemas de iluminação afetam a qualidade da energia?

Figura 2 – Onda de corrente altamente distorcida

A maioria dos sistemas de iluminação de lâmpadas incandescentes não reduzem a qualidade de um sistema de distribuição de energia, porque eles têm formas de onda de corrente sinusoidal, que estão em fase com a onda de tensão (a corrente e tensão tanto aumento e diminuição, ao mesmo tempo).

Fluorescente, descarga de alta intensidade (HID), e sistemas de iluminação incandescentes de baixa tensão, que usam balastros ou transformadores, pode ter distorcido as formas de onda de corrente. Figura 2 mostra um exemplo de uma forma de onda de corrente altamente distorcido típico de algum reator eletrônico para lâmpadas fluorescentes compactas. Os dispositivos com tais formas de onda de corrente distorcidas desenhar atual em rajadas curtas (em vez de desenhá-lo sem problemas), que cria uma distorção na voltagem. Estes dispositivos de formas de onda de corrente também pode estar fora de fase com a onda de tensão.

Tal deslocamento de fase pode reduzir a eficiência do circuito de corrente alternada. Em Figura 3, a atual onda fica para trás da onda de tensão.

Durante uma parte do ciclo, a corrente é positivo, enquanto a tensão é negativa (ou vice-versa), como mostrado nas áreas sombreadas; o trabalho corrente e tensão contra o outro, criação de potência reativa. O dispositivo produz trabalho apenas durante o tempo representado pelas partes não sombreadas do ciclo, que representam a potência ativa do circuito.

A potência reativa não causar distorções na tensão. Contudo, que é um importante qualidade da energia preocupação, porque os sistemas de distribuição das concessionárias deve ter a capacidade de transportar energia reativa, apesar de ele realiza nenhum trabalho útil.

Ambos os fabricantes de iluminação e proprietários de edifícios pode tomar medidas para melhorar a qualidade da energia. A maioria dos reatores eletrônicos para lâmpadas fluorescentes de tamanho normal têm filtros para reduzir a distorção atual. Alguns reatores eletrônicos para lâmpadas fluorescentes compactas têm alta distorção de corrente, mas contribuem muito pouco para a distorção de tensão devido à sua baixa potência.

Figura 3 – Defasagem de potência reativa

Os reatores magnéticos para lâmpadas fluorescentes e HID normalmente têm atraso atual. Alguns reatores magnéticos contêm capacitores que sincronizar novamente a corrente e tensão, que elimina potência reativa. Os proprietários do edifício também pode instalar capacitores em seus sistemas de distribuição edifício para compensar grandes cargas com corrente em atraso.

Quais são harmônicos?

A harmónica é uma onda, com uma frequência que é um múltiplo inteiro da fundamental, ou onda principal. Qualquer forma de onda distorcida pode ser descrito pela onda fundamental e uma ou mais harmónicas, como mostrado na Figura 4. A distorcida 60 Atual onda Hz, por exemplo, pode conter harmônicos em 120 Hz, 180 Hz, e outros múltiplos de 60 Hz (em 50 Sistemas Hz estes podem 100 Hz, 150 Hz, outros múltiplos de 50 Hz).

A harmônica cuja freqüência é o dobro da fundamental é chamada de harmônica de segunda ordem; a harmônica de terceira ordem tem uma freqüência de três vezes maior do que o fundamento, e assim por diante.

Figura 4 – Ilustrando harmônicos

Nota – Uma forma de onda distorcida em Figura 4a pode ser descrito pela soma de uma onda sinusoidal com uma frequência 1 Hz e amplitude 2 ft, que é fundamental, e uma segunda onda senoidal com freqüência 3 Hz e amplitude 1 ft, que é o harmônico de terceira ordem. As duas ondas componentes são mostrados em Figura 4b.

Formas de onda de corrente altamente distorcidos contêm numerosos harmônicos. Os mesmo componentes harmônicas (segunda ordem, quarta ordem, etc) tendem a anular os efeitos de cada um, mas os harmônicos ímpares tendem a adicionar de uma forma que aumenta rapidamente distorção porque os altos e baixos de suas formas de onda muitas vezes coincidem. A indústria de iluminação chama a sua medida mais comum de distorção harmônica total distorção (THD).

Total distorção harmônica (THD) e fator harmônico

Fabricantes de lastro, empresas de energia elétrica, e organizações padrão definir THD diferente, que tem causado alguma confusão na indústria de iluminação. Por exemplo IEEE define THD dada em IEEE 1035-1989 do seguinte modo:

Onde:

• Eu₁ é a quadrada média da raiz (rms) da forma de onda de corrente fundamental
• Eu₂ é o rms da forma de onda de corrente harmônica de segunda ordem
• Eu₃ é o rms da forma de onda de corrente harmônica de terceira ordem, etc.

Ou, tal como definido na norma IEC 61000-2:

Onde Eu₁ é a forma de onda de corrente fundamental.

Por outro lado, ANSI e CSA usar a fórmula abaixo para calcular THD:

Onde:

• Eu₁ é o rms da forma de onda corrente fundamental,
• Eu₂ é o rms da forma de onda de corrente harmônica de segunda ordem
• Eu₃ é o rms da forma de onda de corrente harmônica de terceira ordem, etc.

Como podemos ver, de acordo com a segunda definição, THD é sempre menor do que 100%. A tabela abaixo apresenta algumas conversões entre as duas definições.

Utilidades fornecer tensão tipicamente com menos de 2% THD. Contudo, THD de corrente para dispositivos eletrônicos pode ser muito alta, muitas vezes mais 100%. Mesa 1 THD lista atual de algumas cargas de iluminação, medida pelo NLPIP. Os dispositivos com alta THD atual contribuir para THD de tensão na proporção da sua percentagem de carga total de um edifício. Assim, dispositivos de alta potência pode aumentar THD de tensão mais do que os dispositivos de menor potência. Se a distorção harmônica é uma preocupação para um sistema de iluminação, NLPIP recomenda que especificadores usar reatores eletrônicos com filtros para minimizar THD.

A THD tensão recomendada máxima permitida no ponto onde uma construção liga-se ao sistema de distribuição é de utilidade 5% (IEEE 1992).

Figura 5 mostra que a THD da tensão atinge esse limite, quando a carga de aproximadamente metade do edifício tem THD atual de 55%, ou quando cerca de um quarto da carga do edifício tem THD atual de 115%.

THD tensão resultante do 55% e 115% atual THD
Para ser continuado no artigo técnico part 2 ...