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Dica de Eficiência Energética

Continuação…

Análise dos Requisitos Mínimos Necessários para Medição da Qualidade da Energia em Atendimento aos Procedimentos de Distribuição (PRODIST), por Tatiano Busatto.

PARTE 2

…Independente da classe do medidor de flutuação de tensão, no qual o PRODIST ainda não estabelece critérios na utilização, todos os medidores devem pelo menos atender o critério de limite máximo de ±5% na exatidão das medidas. Além disso sempre que possível deve-se respeitar as recomendações da IEC 61000-4-15 [4] comentadas nesta seção.

Variação de Tensão de Curta Duração (VTCD)

Variações de Tensão de Curta Duração (VTCD) são eventos de afundamento, elevação e até mesmo de interrupção de tensão com duração compreendida entre meio ciclo a alguns minutos, dependendo da norma a ser considerada. A norma IEEE 1159 [9] sugere uma classificação destes eventos limitando-os em magnitude e duração (0.5 ciclo a 1 minuto) conforme mostrado na tabela III.

Análise dos Requisitos Mínimos Necessários para Medição da Qualidade da Energia em Atendimento aos Procedimentos de Distribuição (PRODIST), por Tatiano Busatto.

O artigo a seguir foi apresentado na CBQEE 2011, com ótima recepção por parte dos participantes. Dividido em 3 partes, neste Power News é publicado o resumo e a introdução do artigo. Fique atento, leia os próximos News a continuação.

A seguir são analisados os parâmetros de QEE no âmbito das normas IEC vinculadas ao PRODIST. Por fim chega-se a algumas conclusões úteis na escolha dos medidores nesta área.

II. Análise dos requisitos para medição de QEE

 Nesta seção são analisados os parâmetros de QEE previstos no Módulo 8 do PRODIST, sendo que ao todo são sete parâmetros discutidos como segue:

Tensão em Regime Permanente

Por definição Tensão em Regime Permanente se caracateriza como sendo a medição do valor eficaz de tensão em tempo real integralizados em intervalos consecutivos de 10 minutos.

Os requisitos estabelecidos no PRODIST para medição deste parâmetro são os seguintes:

• Amostragem digital de 16 amostras/ciclo;
• Conversor A/D (Analogio/Digital): 12 bits;
• Precisão: até 1.0% da leitura.

As amostras individuais do valor eficaz de tensão para integralização no intervalo de 10 minutos devem ser calculadas a partir de janelas sucessivas de 12 ciclos. A norma extende este limite para 15 ciclos para casos específicos, mas sugere-se o uso de 12 ciclos permanecendo-se em concordância com a norma IEC 61000-4-30 [3].

 Vale ressaltar que as medições deste parâmetro devem incluir, por definição, harmônicos, inter-harmônicos, flutuações de tensão, etc.

No que diz respeito a classe de exatidão a ser atendida, todos os equipamentos que obedeçam a normas IEC 61000-4-30 [3] independente da Classe (A, S ou B) estarão de acordo com o limite máximo permissível de 1.0%, visto que esta norma limita a incerteza de medição a 1.0% do valor nominal da tensão.

Fator de Potência

Parâmetro que define a relação entre a Potência Ativa (P) e a Potência Reativa (Q), comumente chamado de cos φ ele estabelece o quão eficientemente a energia está sendo empregada.

Para este parâmetro, as definições do Módulo 8 do PRODIST apenas sugerem que as medições sejam realizadas preferencialmente por medidor eletrônico que empregue o princípio da amostragem digital aprovados pelo orgão responsável pela conformidade metrológica.

A norma técnica que define as diretrizes para medidores eletrônico é a NBR 14519 [6] e nela constam tabelas com os limites máximos para erro percentual para medição de corrente e tensão em função da classe de exatidão dos medidores em diferentes casos. Para determinação da exatidão mínima necessária, faz-se necessário levar em consideração a contribuição destas duas grandezas. Em geral medidores com exatidão menor que ±2.0% para fator de potência antendem a maioria dos casos descritos na norma para medidores Classe B.

Harmônicos de Tensão

Harmônicos de tensão são componentes de tensão senoidais cuja frequência é um múltiplo inteiro da frequência fundamental. Sendo assim, a forma da onda de tensão é determinada pela soma da componente CC (harmônico de ordem 0) com os demais harmônicos de tensão, os quais podem variar em magnitude e fase ocasinando uma maior ou menor distorção da forma de onda.

Para este parâmetro um dos requisitos mínimos estabelecido pelo Módulo 8 do PRODIST é que para o cálculo da distorção harmônica total (DTT%) deva ser considerado harmônicas de tensão até a 25ª ordem (1,5 kHz). As medições devem atender aos protocolos de medição e as normas técnicas vigentes.

O protocolo de medição de harmônicos de tensão e corrente está descrito na norma IEC 61000-4-7 [5]. Esta norma é referênciada na norma IEC 61000-4-30 [3] e serve como base para as normas técnicas vigentes para medição de harmônicos de tensão.

Dentre outras definições, a norma estabelece que as medições de harmônicos devem ser realizadas em janelas de 12 ciclos (60 Hz) de forma que a taxa amostral seja sincronizada com a frequência fundamental do sistema não permitindo erros maiores que ±0.03% na duração da janela. Normalmente esta funcionalidade é desempenhada por dispositivos chamados de PLL (Phase Locked Loop). A norma define também o uso de filtro anti-alising com atenuação de -3 dB acima da faixa de medição para evitar a sobreposição de espectros de frequência, utilização de conversor AD, janelamento, agrupamento e outras defininições pertinentes a medição.

A Fig 1 mostra estrutura geral de um medidor de harmônicos sugerido pela norma.

A medição se resume da seguinte forma: após a amostragem digital aplica-se a DFT (Discrete Fourier Transform) – pela rapidez no processamento na prática normalmente usa-se a FFT (Fast Fourier Transform). Este algoritmo converte os sinais do domínio do tempo para o domínio da frequência em termos de contribuição de energia de cada componente de frequência, distribuídos em contribuições senos e cossenos (ak e bk). A relação do número de pontos da FFT utilizada e a frequência de amostragem utlizada determinarão a resolução em frequência do instrumento. A partir deste ponto é realizado o agrupamento das componentes em frequência. Este agrupamento, descrito por expressões matemáticas bem definidas na norma, leva em consideração as contribuições de energia para as frequências harmônicas. Após o agrupamento, um filtro de amortização de constante de tempo igual a 1,5 segundos é aplicado de forma a minimizar bruscas variações nos valores obtidos. A saída deste bloco representa as medição efetiva de harmônicos que será usado para monitoramento das distorções harmônicas individuais e para cálculo da distorção harmônica total. Por fim um bloco de verificação de conformidade analisa os resultados em comparação com padrões pré-definidos em normas de referência e informa o resultado da medição.

Devido ao PRODIST regulamentar somente harmônicos de tensão, a Tabela I estabelece limites de exatidão conforme norma IEC 61000-4-7 [5].

  TABELA I. Exatidão requerida para medição de tensão

U_nom: Faixa de tensão nominal do instrumento de medição U_m: Tensão medida

Classe I abrange instrumentos que atendam a IEC 61000-4-7 Classe A, enquanto instrumentos Classe II para instrumentos que atendam a norma IEC 61000-4-7 Classe S.

A norma IEC 61000-4-7 [5] também define que o intrumento preferencialmente deva utilizar janela do tipo retangular e outras formas (Hanning, Hamming, Blackman, etc) quando necessário. Geralmente bons medidores de harmônicos utilizam janela retangular o que indica que os mesmos utilizam um bom sistema de sincronismo na amostragem. O tipo de janela a ser aplicado está intimamente ligado com a resolução em frequência do instrumento e com a exatidão no sincronismo da amostragem. A resolução em frequência é determinada pelo número de pontos da FFT e pela taxa amostral. Por este montivo, equipamentos com uma alta taxa amostral não necessariamente possuem alta resolução na medição de harmônicos, pois ambas características devem ser levadas em consideração.

 Desequílibrio de tensão

Desequílibrio de tensão é por definição o fenômeno associado a alterações dos padrões trifásicos do sistema de distribuição [1]. Em outras palavras este parâmetro caracteriza a diferença entre os módulos das tensões de um sistema elétrico trifásico e a defasagem angular das mesmas.

Para medição deste parâmetro o PRODIST determina que as medições devam ser realizadas por instrumentos que atendam os protocolos de medição e as normas técnicas vigentes e que o instrumento realize medições fase-fase a fim de eliminar os efeitos da componente de sequência zero.

Referindo-se a norma IEC 61000-4-30 [3] esta utiliza como método de medição para sistemas poli-fásicos a teoria das componentes simétricas, sendo que para o caso específico de sistemas tri-fásicos é indicado o uso da expressão (1). Esta expressão define a relação entre a magnitude da tensão de sequência negativa (V-) e a magnitude de tensão de sequência posistiva (V+) eliminando assim o efeito da componente de sequência zero, servindo para os propósitos do PRODIST. 

Igualmente do protocolo de medição da Tensão em Regime Permanente, as medições devem ser calculadas a partir de janelas sucessivas de 12 ciclos.

Equipamentos que utilizam simplesmente o valor aficaz da tensão como referência falham no cálculo do desequilíbrio de tensão, pois desconsideram o desvio angular do desbalanceamento. Além disso quando ocorrem harmônicas de tensão estas causam resultados inesperados nas medições.

A exatidão requerida conforme IEC 61000-4-30 [3] instrumentos Classe A é de ±0.15% sobre o valor medido, quando medido valores de fator de desequilíbrio entre 1% e 5%. Esta tolerância estende-se para ±0.3% para instrumentos classe S e B (IEC). Por exemplo, quando o a medição do valor de tensão da sequência negativa é igual a 1%, o resultado medido deve ficar compreendido entre 0.85% e 1.15% (Classe A).

Flutuação de Tensão (Flicker)

Flutuações de tensão são variações sistemáticas, geralmente de baixa magnitude, dos valores eficazes da tensão. O efeito mais comum é a cintilação em lâmpadas e monitores de vídeo.

Neste parâmetro o PRODIST referência diretamente a norma IEC 61000-4-15 [4], o qual estabelece o protocolo de medição para flutuações de tensão. Além disso é informado que a medição deva ser realizada como o medidor ajustado para o nível de tensão correspondente, em baixa tensão.

A norma IEC 61000-4-15 [4] estabelece todos os aspectos que devem ser respeitados no projeto de um medidor de flutuações de tensão, sendo que para melhor etendimento o processo de medição é subdivido em 5 blocos, conforme mostrado na Fig 3.

Fig. 3. Diagrama funcional de um medidor de flutuação de tensão IEC

Cada bloco do conjunto realiza uma função específica na medição, sendo que o Bloco 1 é responsável por realizar a normalização da tensão a níveis que possam ser medidos pelo instrumento independentemente da magnitude da tensão da entrada. O Bloco 2 tem a função de reproduzir a flutuação de da tensão. Já o Bloco 3 é composto por dois filtros: o primeiro elimina a componente DC do sinal e o segundo filtro simula a reação do olho humano frente as cintilações nas lâmpadas de 60 W ditas incandecêntes alimentadas por tensões de 230 V e 120 V. A função do bloco seguinte, Bloco 4, é de simular por meio de dois filtros a percepção não linear entre olho-cérebro e também simular como o cérebro reage diante dos estímulos de cintilações com frequências diferentes. O valor na saída deste bloco é chamado de Sensação Instantânea de Flicker (IFL). Por último o Bloco 5 realiza o tratamento estatístico do valor da saída do Bloco 4, resultando nos indicadores Pst (Severidade de Flicker de Curta Duração) e Plt( Severidade de Flicker de Longa Duração).

Para uma correta medição todos os blocos devem ser implementados seguindo os rigores da norma, sendo que algumas características não regulamentadas podem influenciar na exatidão do instrumento. É o caso do número de classes utlizado na classificação dos resultados no Bloco 5. A recomendação é a utilização de pelo menos 512 classes com o uso de interpolação logarítmica para medidores de uso geral. Quanto maior o número de classes melhor a distinção entre valores de severidade e consequentemente melhor a exatidão. Ainda nos requisitos estabelecidos, a banda de frequência na entrada não deve sofrer atenuações significativas até pelo menos 700 Hz. Em termos de conversão do sinal, sugere-se a utilização de conversor analógico-digital (A/D) de tensão de pelo menos 16 bits.

A última revisão da norma IEC 61000-4-15 [4] estabelece uma nova classificação de medidores de flutuação de tensão, são elas F1: Medidores para propósitos gerais; F2 Medidores para teste de conformidade e F3: Medidores para pesquisas na área de qualidade de energia, identificação de problemas e outras aplicações. Esta revisão também contempla novos testes de confomidade para diferentes tipos de lâmpada que não estavam previstos na última revisão.

Em termos de exatidão a ser cumprida, todas as classes de medidores (F1, F2 e F3) devem ficar abaixo de um limite estabelecido para os testes de especificados na norma. A tabela II, extraída da norma, mostra os testes que os equipamentos devem submetidos onde o resultado Pst deve ser igual a 1.00 p.u com tolerância de ±5%.

 TABELA II. Teste de Performance

 Independente da classe do medidor de flutuação de tensão, no qual o PRODIST ainda não estabelece critérios na utilização, todos os medidores devem pelo menos atender o critério de limite máximo de ±5% na exatidão das medidas. Além disso sempre que possível deve-se respeitar as recomendações da IEC 61000-4-15 [4] comentadas nesta seção.

Variação de Tensão de Curta Duração (VTCD)

Variações de Tensão de Curta Duração (VTCD) são eventos de afundamento, elevação e até mesmo de interrupção de tensão com duração compreendida entre meio ciclo a alguns minutos, dependendo da norma a ser considerada. A norma IEEE 1159 [9] sugere uma classificação destes eventos limitando-os em magnitude e duração (0.5 ciclo a 1 minuto) conforme mostrado na tabela III.

TABELA III. Classificação das VTCD segundo IEEE 1159

 Por sua vez o Módulo 8 do PRODIST sugere uma classificação diferente da norma IEEE 1159 [9] dividindo-as somente em variações Momentâneas e Temporárias, sendo as variações Intantâneas contempladas nas variações Momentâneas. Além disso a duração máxima dos eventos extende-se para 3 minutos. Sendo assim, a classificação indicada no Módulo 8, fica conforme tabela IV.

TABELA IV. Classificação das VTCD segundo PRODIST

 Para efeito de medição, estas definições refletem somente questões relacionadas a configuração dos instrumentos. Porém no que se refere a forma que estes eventos são detectados o PRODIST estabelece que os mesmo sejam detectados por instrumentos que atendam as normas técnicas vigentes. A IEC 61000-4-30 [3] define que instrumentos do tipo Classe A devem realizar a medida tomando como referência a medição de tensão eficaz atualizada a cada meio ciclo (Urms(1/2) ) ou seja a medição é realizada sobre um ciclo, porém atualizada a cada meio ciclo tomando-se como referência a passagem por zero. A Classe S permite a medição sobre um ciclo e atualizado a cada ciclo, equanto que a Classe B dá abertura a utilização de outros métodos para medição da tensão eficaz para detecção de VTCD. Alguns instrumentos utilizam algoritmos utilizando a Transformada de Wavelet a qual divide o sinal distorcido em diferentes níveis de resolução, desta maneira o sinal pode ser decomposto em outros sinais, em diferentes níveis de freqüência, fornecendo informações diretas no domínio do tempo e da freqüência. Estes sinais decompostos indicam a existência e localização no tempo do distúrbio, uma vez que estes estão em níveis de freqüência diferente do nível da freqüência fundamental. Sendo assim, para atendimento ao PRODIST as Classes A e S definidas na IEC 61000-4-30 atendem os requisitos. Quando o instrumento for classe B, deve-se analisar qual o método ultizado e verificar se o mesmo detecta variações de tensão de duração de 1 ciclo. Caso contrário o mesmo não atenderá os requisitos do PRODIST.

Variação de Frequência

Variações de frequência são variações no valor da frequência fundamental. No Brasil, o valor nominal da frequência é 60 Hz e o PRODIST estabelece que os sistemas de geração e distribuição devem operar dentro do limites de frequência situados entre 59.9 Hz e 60.1 Hz. O Módulo 8 do prodist não regulamenta como a medição deve ser realizada, porém cabe aqui analisar a IEC 61000-4-30 [3] já que os demais parâmetros tem como base as regulamentações desta norma. Neste parâmetro a IEC 61000-4-30 [3] define que para instrumentos Classe A e S as medições de frequência devem ser realizadas em intervalos de 10 segundos sendo que harmônicos e inter-harmônicos devem ser atenuados a fim de evitar erros de medição causados por múltiplas passagens por zero. A incerteza de medição deve ser de no máximo 0.01 Hz e 0,05 Hz para as classes A e S respectivamente. Instrumentos Classe B devem especificar o método utilizado e consequentemente a incerteza da medição.

Na parte 3, a última, veremos a análise das funcionalidades e características de medição necessárias para atendimento ao Prodist, assim como a conclusão. Acompanhe no próximo mês no PowerNEWS.