1. Introdução

Qualidade da Energia Elétrica (PQ) questões relacionadas são de maior preocupação nos dias de hoje. O uso generalizado de equipamentos eletrônicos, tais como equipamentos de tecnologia da informação, eletrônica de potência, tais como unidades de velocidade ajustável (ASD), controladores lógicos programáveis (PLC), iluminação com eficiência energética, levou a uma mudança completa de cargas elétricas natureza. Estas cargas são simultaneamente os principais causadores e as maiores vítimas de problemas de qualidade de energia. Devido à sua não linearidade, todas essas cargas causar distúrbios na forma de onda de tensão.

Junto com tecnologia avançada, a organização da economia mundial evoluiu para a globalização e as margens de lucro de muitas atividades tendem a diminuir. O aumento da sensibilidade de a grande maioria dos processos (industrial, serviços e até mesmo residencial) para a PQ problemas transforma a disponibilidade de energia elétrica com qualidade um fator crucial para a competitividade em todos os setores de atividade. As áreas mais críticas são a indústria de processo contínuo e os serviços de tecnologia da informação. Quando ocorre uma perturbação, enormes prejuízos financeiros pode acontecer, com a consequente perda de produtividade e competitividade.

Apesar de muitos esforços têm sido tomadas por utilitários, alguns consumidores exigem um nível de PQ maior do que o nível previsto pelas redes elétricas modernas. Isto implica que devem ser tomadas algumas medidas a fim de alcançar níveis mais elevados de qualidade de energia.

2. Tipos de Problemas de Qualidade de Energia

Os tipos mais comuns de problemas de qualidade de energia são apresentados na Tabela I.

3. Caracterização da Qualidade de Energia

Mesmo os sistemas de transmissão e de distribuição mais avançados não são capazes de fornecer energia elétrica com o nível desejado de confiabilidade para o bom funcionamento das cargas na sociedade moderna. Modern T&D (transmissão e distribuição) sistemas são projetados para 99,9 para 99,99% disponibilidade. Este valor é altamente dependente do nível de redundância da rede, que é diferente de acordo com a localização geográfica e do nível de tensão (disponibilidade é maior na rede de alta tensão). Em alguns locais remotos, disponibilidade de t&Sistemas de D pode ser tão baixa quanto 99%. Mesmo com um 99,99% nível, há um tempo de interrupção equivalente de 52 minutos por ano.

Os processos mais exigentes na economia digital moderna precisa de energia elétrica com 99.9999999% disponibilidade (9-confiabilidade noves) para funcionar corretamente.

Entre 1992 e 1997, EPRI realizou um estudo em que os EUA caracterizar a duração média de distúrbios. O resultado de um site típico, durante o período de 6 anos é apresentado a seguir.

Figo. 1 - Distribuição típica de distúrbios PQ pela sua duração para uma instalação típica de 6 anos (1992-97) em os EUA [2].

Como pode ser visto na Fig.. 1., a grande maioria dos distúrbios registrados (sobre 87%) durou menos de 1 segunda e só 12 têm uma duração superior a 1 minuto. É claro que nem todos esses distúrbios causar mau funcionamento de equipamentos, mas muitos tipos de material sensível pode ser afectada.

Outro estudo do EPRI foi realizado, entre 1993 e 1999, , a fim de caracterizar o PQ de Baixa Tensão (LV) redes de distribuição. Este estudo concluiu que 92% de distúrbios no PQ foram quedas de tensão com amplitude cai até 50% e duração menor 2 segundo. Figo. 2 mostra a distribuição típica de quedas em 0.5 segundos e micro-interrupções.

Figo. 2 - Distribuição de ceder e micro-interrupção nas redes de BT nos EUA [3].

A situação nos países desenvolvidos da Europa é muito semelhante ao observado em os EUA. Figo. 3 mostra a caracterização do PQ em uma área industrial do centro de Portugal através do monitoramento da oferta no período de fevereiro de 2002 a janeiro de 2003.

Figo. 3 - Caracterização dos distúrbios de fornecimento de energia elétrica em uma unidade industrial em Portugal.

4. Custos de Problemas de Qualidade de Energia

Os custos de problemas de qualidade de energia são altamente dependentes de vários factores, principalmente a área de negócio da atividade. Outros fatores, como a sensibilidade do equipamento usado
nas instalações e condições de mercado, entre outros, também influenciam os custos de problemas de QE.

A. Custos de Qualidade de Energia Avaliação

Os custos relacionados com a perturbação PQ pode ser dividido em:

1. Os custos diretos. Os custos que podem ser diretamente atribuídos à perturbação. Estes custos incluem a danos no equipamento, perda de produção, perda de matéria-prima, custos salariais durante o período não-produtivo e custos de reinício. Às vezes, durante o período não-produtivo são alcançados algumas economias, tais como a poupança de energia, que deve ser subtraído aos custos. Alguns distúrbios não implicam paragem de produção, mas pode ter outros custos associados, , tais como a redução da eficiência do equipamento e redução da vida útil do equipamento.
2. Os custos indirectos. Estes custos são muito difíceis de avaliar. Devido a alguns distúrbios e períodos não produtivos, uma empresa pode não ser capaz de realizar os prazos para algumas entregas e soltos encomendas futuras. Investimentos em prevenção de problemas de qualidade de energia pode ser considerado um custo indireto.
3. Inconveniente imateriais. Alguns inconvenientes devido à perturbação de energia não pode ser expresso em dinheiro, como não ouvir rádio ou ver televisão. A única maneira de contabilizar esses inconvenientes é estabelecer uma quantidade de dinheiro que o consumidor está disposto a pagar para evitar este inconveniente [4], [5].

B. As estimativas dos custos de Qualidade de Energia

Vários estudos têm sido feitos para avaliar os custos dos problemas de qualidade de energia para os consumidores. A avaliação de um valor exato é quase impossível; Então, todos esses estudos são baseados em estimativas. Alguns destes estudos são apresentados abaixo.

1. Business Week (1991). PQ custos foram estimados em 26,000 milhão de dólares por ano nos Estados Unidos.
2. EPRI (1994). Este estudo apontou 400,000 milhões de USD por ano para custos PQ nos Estados Unidos.
3. Departamento de Energia dos EUA (1995). PQ custos foram estimados em 150,000 milhões de USD por ano para Estados Unidos.
4. Fortune Magazine (1998). Declarou que os custos PQ estavam em torno de 10,000 milhões de dólares por ano nos Estados Unidos.
5. E Fonte (2001). Um estudo com indústrias de processo contínuo, serviços financeiros e de processamento de alimentos nos Estados Unidos, estimou os custos médios anuais de problemas de qualidade de energia em 60,000 para 80,000 USD por instalação.
6. Custos PQ na UE (2001). PQ custos gerais na indústria e comércio, na União Europeia, são estimadas em 10,000 milhões de euros por ano [6].

As estimativas dos diversos estudos diferem muito, mas tudo aponta para um fator comum: PQ os custos são enormes.

C. Custos de Momentary Interrupções

Uma interrupção é o problema PQ com o impacto mais perceptível em instalações. A Tabela II resume os custos típicos de interrupções momentâneas (1 minuto) para diferentes tipos de consumidores. Os custos apresentados são sem grandes investimentos em tecnologias para alcançar capacidades ride-through para lidar com a interrupção. Estes valores são baseados em serviços publicados e Electrotek Conceitos experiências com estudos individuais [5].

Tabela II - os custos típicos de interrupções momentâneas (1 minuto, na demanda $ / kW, para diferentes tipos de instalações industriais e de serviços.

Como pode ser visto, o setor industrial é a mais afetada por interrupções, especialmente a indústria de processo contínuo. No setor de serviços, comunicação e processamento de informações é a área de negócio mais afetados.

Os custos de interrupções são também função da sua duração. Figo. 4 retrata os custos de interrupções contra a sua duração.

Figo. 4 - Os custos de interrupções como função a sua duração [5].

5. Soluções para PQ Problemas

A mitigação dos problemas de qualidade de energia pode ocorrer em diferentes níveis: transmissão, distribuição e os equipamentos de uso final. Como pode ser visto na Fig.. 5, várias medidas podem ser tomadas a estes níveis.

Figo. 5 - Soluções para energia digital [7]

6. Grade de Adequação

Muitos problemas têm origem PQ na rede de transmissão ou distribuição. Assim, uma rede de transmissão e distribuição adequada, com o planejamento e manutenção adequada, é essencial para minimizar a ocorrência de problemas de QE.

7. Recursos Distribuídos - Sistemas de armazenamento de energia

O interesse na utilização de recursos de energia distribuída (THE) tem aumentado substancialmente nos últimos anos devido ao seu potencial para fornecer maior confiabilidade. Esses recursos incluem sistemas de geração distribuída e de armazenamento de energia.

Sistemas de armazenamento de energia, também conhecida como a restauração tecnologias, são usados ​​para fornecer as cargas elétricas com capacidade de ride-through em mau ambiente PQ.

Figo. 6 - Princípio tecnologias Restaurando [1].

Os recentes avanços tecnológicos em eletrônica de potência e tecnologias de armazenamento estão transformando a restauração tecnologias uma das soluções premium para mitigar os problemas de qualidade de energia.

Figo. 7 - Princípio de funcionamento de um sistema de armazenamento de energia.

A primeira tecnologia de armazenamento de energia utilizada no campo da PQ, ainda o mais utilizado hoje, é bateria eletroquímica. Embora as novas tecnologias, tais como volantes, supercapacitores e armazenamento de energia magnética supercondutora (PME) apresentar muitas vantagens, baterias eletroquímicas ainda governar devido ao seu baixo preço e tecnologia madura.

A. Volantes

Um volante é um dispositivo eletromecânico que os casais de uma máquina elétrica rotativa (motor / gerador) com uma massa em rotação para armazenar energia de curta duração. O motor / gerador consome energia fornecida pela rede para manter o rotor de fiação volante. Durante uma perturbação de energia, a energia cinética armazenada no rotor é transformada DC energia eléctrica pelo gerador, e a energia é fornecida a uma frequência constante e de tensão através de um inversor e um sistema de controle. Figo. 8 mostra o esquema de um volante, onde as principais vantagens deste sistema são explicados.

Figo. 8 - Volante [http://www.beaconpower.com]

Rotores tradicionais volante são geralmente construídos em aço e são limitados a uma velocidade de rotação de alguns milhares de rotações por minuto (RPM). Volantes avançados construídos a partir de materiais de fibra de carbono e rolamentos magnéticos podem girar no vácuo a uma velocidade de até 40,000 para 60,000 RPM. A energia armazenada é proporcional ao momento de inércia e ao quadrado da velocidade rotacional. Volantes de alta velocidade podem armazenar muito mais energia do que os volantes convencionais.

O volante fornece energia durante um período entre a perda de energia elétrica fornecida e quer o retorno da energia, ou o início de um back-up do sistema de energia (ou seja,, gerador diesel). Volantes normalmente fornecem 1-100 segundos de tempo de montar-through, geradores e back-up é capaz de obter on-line dentro 5-20 segundo.

B. Supercapacitores

Supercapacitores (também conhecido como ultracondensadores) são fontes de energia de corrente contínua e deve ser conectado à rede elétrica com um condicionador de energia estática, proporcionando a produção de energia na frequência da rede. Um supercapacitor fornece energia durante as interrupções de curta duração ou afundamentos de tensão.

Supercapacitores tamanho médio (1 MJoule) estão disponíveis comercialmente para implementar capacidade de ride-through no pequeno equipamento eletrônico, mas grandes supercapacitores ainda estão em desenvolvimento, mas pode em breve tornar-se um elemento vital do campo de armazenamento de energia.

Figo. 9 - Elétrica camada dupla supercapacitor [http://www.esmacap.com]

A capacitância é muito grande porque a distância entre as placas é muito pequeno (vários angstroms), e porque a área de superfície do condutor (por exemplo, de carvão activado) alcances 1500-2000 m²/g (16000-21500 ft²/g). Assim, a energia armazenada por estes capacitores pode chegar 50-60 J / g [8].

C. PME

Um campo magnético é criado por circulação de uma corrente contínua de uma bobina de fio supercondutor fechado. O caminho da corrente da bobina de circulação pode ser aberta com uma chave de estado sólido, que é modulado e desligar. Devido à alta indutância da bobina, quando o interruptor estiver desligado (aberto), a bobina magnética comporta-se como uma fonte de corrente e forçará atual para o conversor de energia que irá cobrar a algum nível de tensão. Modulação adequada do interruptor de estado sólido pode manter a tensão dentro da faixa de operação adequada do inversor, que converte a tensão contínua em corrente alternada.

Figo. 10 - Sistema de PME [9].

PME de baixa temperatura refrigerados por hélio líquido está disponível comercialmente. PME de alta temperatura resfriado por nitrogênio líquido ainda está em fase de desenvolvimento e pode se tornar uma fonte comercialmente viável de armazenamento de energia no futuro, devido aos seus custos potencialmente mais baixos.

Sistemas PME são grandes e geralmente utilizado por curtos períodos, como eventos de comutação de serviços públicos.

D. Comparação de Sistemas de Armazenamento

Figo. 11 mostra uma comparação de diferentes tecnologias de armazenamento em termos de potência e de energia específica específica.

Figo. 11 - Potência específica contra intervalos de energia específicos para tecnologias de armazenamento [9].

Figo. 12 - custos específicos de dispositivos de armazenamento de energia [10].

O volante de alta velocidade é de aproximadamente a mesma faixa de preço como as PME e supercapacitores e sobre 5 vezes mais caro do que um baixo volante velocidade devido ao seu design mais complicado e potência limitada. Bateria eletroquímica tem um alto grau de maturidade e um design simples. Abaixo de um tempo de armazenamento de 25 segundo o volante baixa velocidade pode ser mais rentável do que a bateria.

8. Geração Distribuída - Recursos Distribuídos

Geração Distribuída (DG) unidades podem ser utilizadas para fornecer energia limpa para cargas críticas, isolando-os distúrbios com origem na rede. DG unidades também podem ser usados ​​como geradores de backup para garantir o fornecimento de energia para cargas críticas durante quedas sustentadas. Além disso DG unidades pode ser usado para gerenciamento de carga proposto para diminuir a demanda de pico.

Presentemente, alternativo motor é a tecnologia predominante em DG mercado, mas com os avanços da tecnologia, outras tecnologias estão se tornando mais atraente, , tais como as células de combustível ou microturbinas (Tabela III).

Tabela III - Evolução das tecnologias DG.

Se DG unidades são para ser utilizados como a geração de back-up, uma unidade de armazenamento deve ser utilizado para fornecer energia às cargas durante o período entre a origem da perturbação e do start-up do gerador de emergência.

A solução mais comum é a combinação de baterias UPS eletroquímicos e um grupo gerador diesel. Presentemente, a integração de um volante e um grupo gerador diesel em uma única unidade também está se tornando uma solução popular, oferecido por muitos fabricantes.

Figo. 13 - Esquema de um sistema de alimentação contínua, usando um volante e um grupo gerador diesel [www.geindustrialsystems.com].

Figo. 14 - UPS dinâmico, por Hitec Power Protection, bv. [http://www.hitec-ups.com].

9. Aprimorados Interface Devices

Além de sistemas de armazenamento de energia e DG, alguns outros dispositivos podem ser usados ​​para resolver os problemas de qualidade de energia.

Usando dispositivos de interface adequadas, pode-se isolar as cargas de distúrbios decorrentes da grade.

A. Restaurador de tensão dinâmica

Um restaurador dinâmico de tensão (DVR) actua como uma fonte de tensão ligada em série com a carga. O princípio de funcionamento dos DVR mais comuns é semelhante à Fig.. 7. A tensão de saída do DVR é mantido aproximadamente constante tensão nos terminais de carga, utilizando um transformador step-up e / ou energia armazenada para injetar potência ativa e reativa no cocho de alimentação de saída de um conversor de voltagem.

B. Transitórios supressores de picos de tensão (TVSS)

Supressores de surtos de tensão transitórios são utilizados como interface entre a fonte de alimentação e cargas sensíveis, de modo que a tensão transitória é presa pela TVSS antes de atingir a carga. TVSSs geralmente contêm um componente com uma resistência não linear (um varistor de óxido metálico ou um diodo zener) que limita a tensão de linha excessiva e realizar qualquer impulso de energia em excesso para a terra.

C. Transformadores de tensão constante

Transformadores de tensão constante (CVT) foram uma das primeiras soluções PQ utilizados para mitigar os efeitos das quedas de tensão e transientes. Para manter constante a tensão, eles usam dois princípios que são normalmente evitados: saturação de ressonância e do núcleo.

Figo. 15 – Constant voltage transformer.

Quando ocorre a ressonância, a corrente irá aumentar a um ponto em que faz com que a saturação do núcleo magnético do transformador. Se o núcleo magnético é saturado, em seguida, o fluxo magnético vai permanecer praticamente constante e transformador produz uma saída de tensão aproximadamente constante.

Se não for usado corretamente, um CVT vai originar mais problemas de qualidade de energia do que os mitigado. Pode produzir transientes, harmônicos (onda de tensão cortada na parte superior e os lados) e é ineficiente (sobre 80% em plena carga). Sua aplicação está se tornando raro devido aos avanços tecnológicos em outras áreas.

D. Filtros de ruído

Filtros de ruído são utilizados para evitar os sinais de corrente de freqüência ou tensão indesejadas (ruído) atinjam equipamento sensível. Isto pode ser conseguido usando uma combinação de condensadores e indutores que cria um caminho de baixa impedância para a frequência fundamental e de alta impedância às frequências mais elevadas, que é, um filtro passa-baixa. Eles devem ser usados ​​quando o ruído com freqüência na faixa de kHz é considerável.

Ele. Transformadores de isolação

Transformadores de isolamento são usadas para isolar cargas sensíveis de transientes e ruídos provenientes da rede elétrica. Em alguns casos (Conexão Delta-Wye) transformadores de isolamento manter correntes harmônicas geradas por cargas de ficar a montante do transformador.

A particularidade de transformadores de isolamento é uma blindagem aterrada feito da folha de nonmagnetic localizado entre o primário eo secundário. Qualquer ruído ou transiente que vêm da fonte é transmitido através da capacitância entre o primário e o escudo e para o solo e não atinge a carga.

Figo. 16 - Transformador de isolamento.

F. Compensadores estáticos VAR

Compensadores estáticos VAR (SVR) usar uma combinação de capacitores e reatores para regular a tensão rapidamente. Interruptores de estado sólido controlar a inserção dos capacitores e reatores da magnitude direito de impedir que a tensão de flutuação. A principal aplicação do SVR é a regulação de tensão em alta tensão ea eliminação de flicker causado por grandes cargas (tais como fornos de indução).

G. Filtros de harmônicas

Filtros de harmônicas são usados ​​para reduzir harmônicos indesejáveis. Eles podem ser divididos em dois grupos: filtros passivos e filtros ativos.

Figo. 17 - Filtros de harmônicas [11].

Os filtros passivos (Figo. 17 esquerda) consistem em um caminho de baixa impedância para as freqüências dos harmônicos a serem atenuadas utilizando componentes passivos (indutores, capacitores e resistores). Vários filtros passivos ligados em paralelo podem ser necessários para eliminar vários componentes harmónicas. Se o sistema varia (mudança de componentes harmônicas), filtros passivos podem tornar-se ineficazes e ressonância causa.

Filtros ativos (Figo. 17 direito) analisar a corrente consumida pela carga e criar uma corrente que cancelar a corrente harmónica gerado pelas cargas. Filtros ativos eram caros no passado, mas eles agora estão se tornando o custo de compensação eficaz para desconhecidos ou mudança harmônicos.

10. Desenvolver Códigos e Normas

Foram tomadas algumas medidas para regular o nível PQ mínimo que as concessionárias têm de fornecer aos consumidores e do nível de imunidade que o equipamento deve ter para funcionar corretamente quando a energia fornecida está dentro dos padrões.

Um passo importante nessa direção foi dado com a curva CBEMA (Figo 18), criado pela Associação de Computer and Business Equipment Manufacturer. Esta norma especifica a capacidade de resistência mínima de equipamentos de informática para afundamentos de tensão, micro-interrupções e sobretensões.

Figo. 18 - Curva CBEMA.

 

Figo. 19 - Curva ITIC

Esta curva, embora substituído recentemente por ITIC (Tecnologia da Informação Conselho da Indústria) curva (Figo. 19), ainda é uma referência na área de PQ. Quando a tensão esteja dentro dos limites determinados pela zona sombreada, o equipamento deve funcionar normalmente. Quando a tensão é constituído na zona abaixo da zona permitida, os equipamentos podem funcionar mal ou parar. Quando a tensão é composto na zona interdita superior, além de mau funcionamento do equipamento, danos no equipamento pode ocorrer.

Outras organizações de normalização (IEC, CENELEC, IEEE, etc) Desenvolvemos um conjunto de normas com os mesmos fins. Na Europa, as normas mais relevantes PQ são o PT 50160 (pelo CENELEC) e IEC 61000.

Tabela IV – Parâmetros mais importantes definidos pela norma europeia 50160:2001.

11. Certifique-uso End Devices menos sensível

Projetando o equipamento a ser menos sensíveis a distúrbios geralmente é a medida mais eficaz para evitar problemas de qualidade de energia. Alguns fabricantes de equipamentos de uso final estão agora reconhecendo este problema, mas o mercado competitivo significa que os fabricantes devem reduzir custos e só responder às necessidades dos clientes. A exceção é o mercado ASD, onde os fabricantes estão promovendo ativamente produtos com capacidades de ride-through melhoradas.

A adição de um capacitor com uma capacidade maior de fontes de alimentação, utilização de cabos com condutores neutros maiores, desclassificação transformadores e ajustar os relés de subtensão, são medidas que podem ser tomadas pelos fabricantes para reduzir a sensibilidade do equipamento para a PQ problemas.

12. Conclusões

A disponibilidade de energia elétrica com alta qualidade é fundamental para o funcionamento da sociedade moderna. Se alguns setores estão satisfeitos com a qualidade da energia fornecida pelas concessionárias, outros são mais exigentes.

Para evitar as enormes perdas relacionadas a problemas de qualidade de energia, os consumidores mais exigentes devem tomar medidas para evitar os problemas. Entre as várias medidas, selecção de equipamento menos sensível pode desempenhar um papel importante. Quando até mesmo o equipamento mais robusto é afetado, em seguida, devem ser tomadas outras medidas, tais como a instalação de restaurar tecnologias, geração distribuída ou um dispositivo de interface para evitar problemas de qualidade de energia.

Referências

[1] J. Fino, “Gestão da Qualidade Total Aplicada ao Sector do Fornecimento da Energia Eléctrica”, Dissertação apresentada para cumprimento dos requisitos para o grau de PhD. em Engenharia Electrotécnica, Coimbra, Setembro 2002.

[2] “O Problema Dois Segundos”, American Superconductor e Pesquisa EPRI, Março 1998.

[3] EPRI Grupo de entrega de energia, "O Futuro do fornecimento de energia no 21^ª Século ", 1999.

[4] M. A bola, "Problemas de Qualidade de Energia Compreensão - afundamentos de tensão e interrupções", IEEE Série Prima Engenharia de Energia - John Wiley and Sons, Piscataway, EUA (2000).

[5] M. McGranaghan, "Custos de Interrupções", em processos da Qualidade de Energia 2002 Conferência, Rosemont, Illinois, pp 1-8, Outubro 2002..

[6] D. Chapman, "Custos de má qualidade de energia", Guia de Aplicação de Qualidade de Energia - Associação de Desenvolvimento de cobre, Março 2001.

[7] EPRI, "Criando a infra-estrutura eléctrica para uma Sociedade Digital", Conferência UIE-2000, Lisboa, 13, Novembro 2000.

[8] http://www.esma-cap.com

[9] P. Ribeiro, B. Johnson, M. Corvo, A. Arsoy, E. Liu, "Sistemas de armazenamento de energia para aplicações avançadas de energia", Proceedings of the IEEE, vôo 89, não. 12, Dezembro 2001.

[10] H. Darrelmann, "Comparação de Tempo Curto sistemas de armazenamento alternativos", Saque, Ltd., Osterode, Alemanha.

[11] P. Ferracci, "Qualidade de Energia", Técnica Cahier Schneider Electric não. 199, Setembro 2000.

Fonte: www.icrepq.com/pdfs/PL4.ALMEIDA.pdf