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UNIVERSIDADE TECNOLOGICA FEDERAL DO PARANA
Programa de Pos-Graduacao em Engenharia Eletrica e Informatica Industrial
DISSERTACAO
apresentada a UTFPR
para obtencao do grau de
MESTRE EM CIENCIAS
por
ANGELO ALFREDO HAFNER
ESTUDO E SIMULACAO DOS MODULOS LOGICOS DE UM
MEDIDOR DE QUALIDADE DE ENERGIA ELETRICA
Banca Examinadora:
Presidente e Orientador:
CARLOS RAIMUNDO ERIG LIMA (PROF. DR.) UTFPR
Examinadores:
HEITOR SILVERIO LOPES (PROF. DR.) UTFPR
JOAQUIM ELOIR ROCHA (PROF. DR.) UTFPR
ANTONIO HERONALDO DE SOUZA (PROF. DR.) UDESC
Curitiba, marco de 2006.
.
ANGELO ALFREDO HAFNER
ESTUDO E SIMULACAO DOS MODULOS LOGICOS DE UM
MEDIDOR DE QUALIDADE DE ENERGIA ELETRICA
Dissertacao apresentada ao Programa de Pos-
Graduacao em Engenharia Eletrica e Informatica
Industrial da Universidade Tecnologica Federal
do Parana, como requisito parcial para obtencao
do grau de Mestre em Ciencias - Area de Concen-
tracao: Informatica Industrial.
Orientador: Prof. Dr. Carlos R. Erig Lima
Curitiba
2006
Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca da UTFPR – Campus Curitiba
H138e Hafner, Angelo Alfredo
Estudo e simulação dos módulos lógicos de um medidor de qualidade de
energia elétrica / Angelo Alfredo Hafner. Curitiba. UTFPR, 2006
XXII, 119 f. : il. ; 30 cm
Orientador: Prof. Dr. Carlos Raimundo Erig Lima
Dissertação (Mestrado) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial.
Curitiba, 2006
Bibliografia: f. 113-119
1. Energia elétrica – Controle de qualidade. 2. Sistemas distribuídos.
3. Medidas elétricas. 4. Eletrônica de potência. 5. Automação de processo.
I. Lima, Carlos Raimundo Erig, orient. II. Universidade Tecnológica Fe-
deral do Paraná. Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Infor-
mática Industrial. III. Título.
CDD: 621.310685
iv
Agradecimentos
Inicialmente quero agradecer a minha famılia, por seu carinho, compreensao e apoio.
Agradeco a meu orientador Prof. Carlos Raimundo Erig Lima, pelo ensinamento,
incentivo e exemplo de trabalho e serenidade que mostrou ao longo do desenvolvimento
desta dissertacao.
Aos membros da banca examinadora, que contribuıram opinando e sugerindo.
Ao Prof. Cesar Claure Torrico, por todo o tempo que dispensou em me ajudar a
utilizar e a resolver problemas com o Latex.
Ao Prof. Jose Carlos Azzolini, pelo exemplo de dedicacao ao trabalho e ao estudo.
Ainda o agradeco pelo incentivo para que eu cursasse o mestrado o quanto antes.
A UNOESC pelo apoio financeiro e horas aula liberadas para capacitacao.
Aos amigos da ”Republica Toca dos Ursos”, sinceras consideracoes. Eles jamais
serao esquecidos.
A todos que contribuıram direta ou indiretamente para o desenvolvimento desta
dissertacao.
v
vi
Sumario
Lista de Figuras x
Lista de Tabelas xiii
Resumo xix
Abstract xxi
Lista de Abreviaturas e Siglas xviii
1 Introducao 1
1.1 Motivacoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Estrutura da Dissertacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Revisao da Literatura 9
2.1 Qualidade do Produto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Termos e Definicoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2 Tipos de Disturbios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.2.1 Variacoes Transitorias da Tensao (Transient Voltages
ou Surge) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.2.2 Variacoes de Curta Duracao (Short Duration Voltage
Variation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.2.3 Variacoes de Longa Duracao (Long Duration Variation) 23
2.1.2.4 Desbalanceamento de Tensao (Voltage Imbalance) . . . 24
2.1.2.5 Distorcoes na Forma de Onda (Waveform Distortion) . 24
2.1.2.6 Flutuacoes de Tensao (Voltage Fluctuations) . . . . . . 32
2.1.2.7 Variacoes Momentaneas de Frequencia (Power Fre-
quency Variations) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2 Qualidade do Servico (Continuidade do Servico) . . . . . . . . . . . . . 33
2.3 Tipos de Equipamentos para Monitoracao de Qualidade de Energia . . 40
2.3.1 Multımetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
vii
2.3.2 Osciloscopios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.3 Analisadores de Disturbios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.4 Analisadores de Espectro e Analisadores de Harmonicas . . . . . 42
2.3.5 Combinacao de Analisadores de Disturbios e Harmonicos . . . . 43
2.3.6 Medidores Inteligentes de Qualidade de Energia . . . . . . . . . 44
2.4 Normas de Monitoracao de Qualidade de
Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.1 IEEE 1159: Guia para Monitoracao de Qualidade de Energia . . 46
2.4.2 IEC 6100-4-30: Testes de Tecnicas de Medicao - Metodos de
Medicao de Qualidade de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5 Fator de Potencia e Qualidade de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5.1 Estudo de um Caso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.2 Fator de Deslocamento e de Distorcao . . . . . . . . . . . . . . 50
3 Proposta de um Medidor de QEE 55
3.1 Medidor Proposto versus Medidores do
Mercado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2 Sistema Distribuıdo de Medidores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3 Processamento Matematico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4 Metodologia de Medicao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.1 Banco de Dados de Entrada (BDE) . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.2 Acumula Ciclo (AC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4.3 Analise Ciclo a Ciclo e por Perıodo . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4.4 Analise de Transiente (AT) e Nota do
Transiente (NT T) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.4.5 Valor Eficaz (VE) e Nota do Valor Eficaz (NT VE) . . . . . . . 68
3.4.6 Harmonicos, Inter-harmonicos, Variacoes na Frequencia e Res-
pectivas Notas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4 Resultados 75
4.1 Analise com Dados de Entrada Simulados . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.1.1 Primeiro Grupo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.2 Segundo Grupo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.3 Terceiro Grupo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.1.4 Quarto Grupo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.1.5 Consolidacao e Analise dos Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.2 Analise com Dados Reais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.1 Analise 1 - Maquina de Papel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.2 Analise 2 - Oscilografia em Alimentador de Subestacao . . . . . 87
viii
4.2.3 Analise 3 - Coleta de Dados de Tensao do Laboratorio de
Eletronica de Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5 Conclusao 91
5.1 Analise dos Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2 Conclusoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.3 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
A Algoritmo de Avaliacao de QEE Implementado em MatLab 97
B Logica Reconfiguravel por Hardware 107
ix
x
Lista de Figuras
1 Custo da hora parada por categoria de consumidor. . . . . . . . . . . . 2
2 Crescimento das cargas eletronicas nos EUA. . . . . . . . . . . . . . . . 4
3 Problemas de QEE predominantes, medidos em 1400 instalacoes de oito
paıses (FRANCO, 2005). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4 Curva CBEMA segundo IEEE Standard 1100-1992. . . . . . . . . . . . 14
5 Curva ITIC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
6 Corrente eletrica proveniente de uma descarga atmosferica . . . . . . . 16
7 Transiente de corrente oriundo do chaveamento de um banco de capaci-
tores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
8 Transiente oscilatorio de baixa frequencia causado pela energizacao de
um banco de capacitores (PAC - Ponto de Acoplamento Comum). . . . 18
9 Transiente oscilatorio de baixa frequencia causado por um transformador
ferrorressonante sem carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
10 Interrupcao momentanea devido a uma falta. . . . . . . . . . . . . . . . 20
11 Subtensao tensao instantanea causada por uma falta fase-terra. . . . . 21
12 Diagrama fasorial dos tipos de falta que podem ocasionar um afunda-
mento de tensao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
13 Elevacao de tensao instantanea causada por uma falta fase-terra. . . . . 23
14 Desequilıbrio de Tensao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
15 Forma de onda de corrente e conteudo espectral de um retificador
trifasico de 6 pulsos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
16 Uso da FFT para encontrar os inter-harmonicos. . . . . . . . . . . . . . 30
17 Sinal com harmonicos e inter-harmonicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
18 Exemplo de entalhe de tensao (notching) causado por um retificador
trifasico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
19 Exemplo de flutuacao de tensao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
20 Rede para analise de interrupcao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
21 Saıda de um Analisador Grafico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
22 Saıda de um Analisador Grafico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
23 Sistema de Medicao de QEE Inteligente. . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
xi
24 Retificador monofasico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
25 Tensoes e correntes em uma fonte monofasica. . . . . . . . . . . . . . . 49
26 Potencias em uma fonte monofasica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
27 Esquema eletrico dos medidores representados pelos pequenos cırculos. 58
28 Esquema logico dos medidores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
29 Diagrama de blocos simplificado do medidor de QEE. . . . . . . . . . . 60
30 Diagrama de blocos simplificado do medidor de QEE. . . . . . . . . . . 61
31 Diagrama de blocos detalhando algumas das funcoes logicas implemen-
tadas no equipamento de medicao e analise de QEE. . . . . . . . . . . . 64
32 Banco de dados de entrada e de saıda do medidor. . . . . . . . . . . . . 64
33 Estrategia global de processamento matematico. . . . . . . . . . . . . . 66
34 Nota da QEE para transitorios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
35 Nota para QEE para valores eficazes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
36 Componentes da sıntese de uma forma de onda. . . . . . . . . . . . . . 70
37 Comportamento individual de cada harmonico ao longo do tempo. . . . 71
38 Nota da QEE para harmonicos e inter-harmonicos. . . . . . . . . . . . 72
39 Nota da QEE para variacoes na frequencia fundamental. . . . . . . . . 73
40 Dados de entrada para analise da QEE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
41 Ciclo com onda sem perturbacoes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
42 Zoom do segundo grupo de ciclos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
43 Zoom da onda com harmonicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
44 Zoom da onda limpa com frequencia de 59 Hz. . . . . . . . . . . . . . . 81
45 Nota por grupo e media final dos 4 grupos analisados. . . . . . . . . . . 82
46 Zoom da forma de onda de tensao de entrada medida em uma maquina
de papel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
47 Zoom da forma do espectro da onda de tensao de entrada medida em
uma maquina de papel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
48 DHT a cada ciclos de um determinado grupo. . . . . . . . . . . . . . . 86
49 Captura do instante de problema de QEE pelo rele. . . . . . . . . . . . 88
50 Tensao a ser analisada a QEE (VB). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
51 Forma de onda de tensao no Laboratorio de Eletronica de Potencia. . . 89
xii
Lista de Tabelas
1 Pesquisa sobre a QEE realizada em oito paıses (KEULENAER, 2004). . . 4
2 Categorias e caracterısticas tıpicas de fenomenos eletromagneticos nos
sistemas de potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3 Limites da distorcao da corrente harmonica (120 V a 69 kV) em % da
fundamental - IEEE 519 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4 Limites da distorcao da Tensao - IEEE 519 . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5 Limites de tensao por consumidor expressos em % da fundamental -
ELETROBRAS (1993) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
6 Limites globais de tensao em % da tensao fundamental - ELETROBRAS
(1993) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
7 Nıveis de tensao harmonica individual em redes de baixa tensao -
IEC1000-2-2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
8 Comparativo de leitura entre metodos de leitura de multımetros . . . . 41
9 Tamanho em bytes dos dados nao tratados por perıodo de armazenagem 65
10 Componentes da sıntese da forma de onda . . . . . . . . . . . . . . . . 70
11 Nota com relacao ao transiente do grupo 2. . . . . . . . . . . . . . . . . 78
12 Nota com relacao as subtensoes, sobretensoes e interrupcoes do grupo2. 79
13 Tabela resumo da avaliacao da QEE dos quatro grupos . . . . . . . . . 81
14 Momento do acontecimento de algum transiente e respectiva caracte-
rizacao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
15 Momento do acontecimento de algum problema relativo a tensao eficaz. 83
16 Media das notas dos grupos analisados . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
17 Notas dos ciclos capturados pelo rele de linhas de transmissao. . . . . . 88
18 Notas para a forma de onda analisada na Figura 51. . . . . . . . . . . . 90
xiii
xiv
Lista de Abreviaturas e Siglas
AC Acumula Ciclo
ANEEL Agencia Nacional de Energia Eletrica
API Application Program Interface (Interface do Programa Aplicativo)
ANSI American National Standards Institute (Instituto de Normalizacao
Nacional Americano)
ASIC Application Specific Integrated Circuit (Circuito Integrado de
Aplicacao Especıfica)
CAD Computer Aided Design (Projeto Auxiliado por Computador)
CBEMA Computer and Business Equipment Manufacturers’ Association -
(Associacao dos Fabricantes de Computadores e Equipamentos para
Escritorio)
CCM Custom Computing Machines (Maquinas Computacionais Custo-
mizadas)
DDT Demanda de Distorcao Total
DEC Duracao Equivalente por Consumidor
DFGA Dynamically Field Programmable Gate Array (Dynamically Field
Programmable Gate Array)
DHI Distorcao Harmonica Individual
DHT Distorcao Harmonica Total
DIC Duracao de Interrupcao Individual por Unidade Consumidora
DMIC Duracao Maxima de Interrupcao Contınua por Unidade Consumi-
dora
DSP Digital Signal Processing (Processamento Digital de Sinais)
END Energia Nao Distribuıda
EPLD Erasable Programable Logic Devices (Dispositivos Logicos Pro-
gramaveis Apagaveis)
EPRI Electric Power Research Institute (Instituto de Pesquisa em
Eletronica de Potencia)
EURELECTRIC Union of the Electricity Industry (Uniao da Industria da Eletrici-
dade)
FC Fator de Crista
xv
FCCM FPGA-based Custom Computing Machines (FPGA-baseado em
Maquinas Computacionais Customizadas)
FDesl Fator de Deslocamento
FDist Fator de Distorcao
FDistI Fator de Distorcao da Corrente
FDistV Fator de Distorcao da Tensao
FEC Frequencia Equivalente de interrupcao por Consumidor
FFT Fast Fourier Transform (Transformada Rapida de Fourier)
FIC Frequencia de Interrupcao Individual por Unidade Consumidora
FP Fator de Potencia
FPGA Field Programmable Gate Array (Matriz de Portas Programaveis)
h Ordem Harmonico
I1ef Componente Harmonico da Corrente Fundamental
I3ef Componente Harmonico de Corrente de Ordem 3
ICC Componente Harmonico de Corrente Contınua
IEC International Electrotechnical Commission (Comissao Eletrotecnica In-
ternacional)
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto dos Engenhei-
ros Eletricistas e Eletronicos)
IP −CORE
Intelectual Property Cores (Nucleos de Propriedade Intelectual)
ITIC Information Technology Industry Council (Conselho de Industria de In-
formatica)
min minuto
NTT Nota do Transiente
NTVE Nota do Valor Eficaz
PAC Ponto de Acoplamento Comum
pu Por Unidade
PWM Pulse Width Modulation (Modulacao por Largura de Pulso)
QEE Qualidade de Energia Eletrica
QP Qualidade do Produto
QQEE Qualidade e Quantidade de Energia Eletrica
QS Qualidade do Servico
RAM Random Access Memory (Memoria de Acesso Aleatorio)
RMS Root Mean Square (Valor Medio Quadratico = Valor Eficaz)
THDI Distorcao Harmonica Total da Corrente
THDV Distorcao Harmonica Total da Tensao
xvi
UNOESC Universidade do Oeste de Santa Catarina
UPS Uninterruptible Power Supply (Fonte Ininterrupta de Energia)
UTFPR Universidade Tecnologica Federal do Parana
V1ef Componente Harmonico da Tensao Fundamental
V3ef Componente Harmonico de Tensao de Ordem 3
VCC Componente Harmonico de Tensao Contınua
VP Tensao de Pico
VE Valor Eficaz
VHDL Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (Lin-
guagem de Descricao de Hardware de Circuitos integrados de Muito Alta
Velocidade)
θI Angulo de Defasamento da Corrente com relacao a referencia adotada
θV Angulo de Defasamento da Tensao com relacao a referencia adotada
xvii
xviii
Resumo
Com a crescente utilizacao de cargas eletronicas na automacao dos processos de
producao, as industrias estao conseguindo aumentar a quantidade e qualidade de seus
produtos e ainda reduzir seus custos operacionais, onde o custo da energia eletrica nao e
excecao. Junto com estas vantagens, surgem alguns problemas como interferencias ele-
tromagneticas e harmonicos, os quais justificam a insercao de medidores de qualidade
e quantidade de energia eletrica (QQEE) para avaliacoes e analises tanto da parte do
consumidor quanto da parte da concessionaria. O presente trabalho descreve aspectos
de implementacao de um medidor de QEE (Qualidade de Energia Eletrica), visando
a futura implementacao de seus blocos funcionais com computacao reconfiguravel por
hardware. Vantagens desta tecnica de projeto, como tempo de execucao e paralelismo,
sao analisadas ao longo desta dissertacao. Sao feitas analises com dados reais e simula-
dos para a validacao dos algoritmos feitos no software MatLab. No final de cada analise
uma nota da QEE naquele intervalo e apresentada. A nota tem o intuito de fornecer
ao consumidor uma forma de conhecimento da QEE fornecida pela concessionaria.
xix
xx
Abstract
With the increasing use of electronic loads in the automation of production proces-
ses, industry is achieving an increase in product quantity and quality while reducing
operational costs, where electric energy costs are no exception. Together with these
advantages, some problems, such as electromagnetic interferences and undesirable har-
monics, manifest themselves, thus justifying the installation of electrical power quality
and quantity meters (EPQQ) for evaluation and analysis by both consumer and sup-
plier. This paper describes aspects relating to the implementation of EPQ meters
(electrical power quality, with the view to future implementation of functional blocks
with hardware reconfiguring computation. The advantages of this design technique,
such as time of execution and parallelism, are analyzed throughout this dissertation.
Analysis is performed using both real and simulated data to validate the algorithms
produced on MatLab. At the end of each analysis, an EPQ evaluation score is pre-
sented for that interval. The score has the intention of providing the consumer with a
manner of advising as to the EPQ provided by the supplier.
xxi
.
xxii
Capıtulo 1
Introducao
1.1 Motivacoes
Ate bem pouco tempo atras, a maioria dos consumidores industriais entendia que
gerenciar a energia eletrica significava controlar a demanda, o fator de potencia, e admi-
nistrar os contratos junto a concessionaria. Pouco se falava em supervisao de grandezas
como tensoes, correntes, potencias e, muito menos, em distorcoes harmonicas ou tran-
sientes. Alguns especialistas garantem que nos proximos cinco anos, a evolucao dos
sistemas de gerenciamento de energia sera tao grande quanto foi nos ultimos 30 anos
(OLESKOVICZ, 2005). Por esta razao, as empresas que hoje pretendem apenas acompa-
nhar a tensao e a corrente em tempo real logo manifestarao uma grande preocupacao
com o numero de interrupcoes no fornecimento e o tempo medio destas interrupcoes.
Por outro lado, e crescente por parte dos usuarios a busca por informacoes mais de-
talhadas sobre a qualidade de energia fornecida, permitindo, por exemplo, acompanhar
a forma de onda da tensao entregue pela concessionaria, de modo a analisar tran-
sitorios, correntes harmonicas e afundamentos de tensao. No entanto, esta almejada
analise depende da definicao apropriada de indicadores que representem o desempenho
dos servicos prestados pelas concessionarias envolvidas.
Atualmente, os motivos para o crescente interesse por Qualidade de Energia Eletrica
(QEE) sao:
• Os equipamentos modernos sao mais sensıveis as variacoes na qualidade da ener-
gia. Muitos deles possuem controles baseados em microprocessadores e dispositi-
vos eletronicos sensıveis a muitos tipos de disturbios.
• O crescente interesse pela racionalizacao e conservacao da energia eletrica, com
2
vista a otimizar a sua utilizacao, tem aumentado o uso de equipamentos que,
em muitos casos, aumentam os nıveis de distorcoes harmonicas e podem levar o
sistema a condicoes de ressonancia.
• Determinacao de responsabilidades legais por danos ocorridos em instalacoes e
equipamentos em caso de baixa QEE.
• Maior conscientizacao dos consumidores em relacao aos fenomenos ligados a qua-
lidade da energia, visto que estes estao se tornando mais informados a respeito
de fenomenos como interrupcoes, subtensoes e transitorios de chaveamentos, pas-
sando a exigir que as concessionarias melhorem a qualidade da energia fornecida.
• Integracao dos processos, significando que a falha de qualquer componente tem
consequencias muito mais importantes para o sistema eletrico.
A questao qualidade de energia eletrica surge, entao, como um fator muito mais
relevante e necessario em relacao aos varios outros envolvidos no sistema eletrico. A
deterioracao da qualidade pode provocar ineficiencias tecnicas e economicas com sig-
nificativas perdas para a comunidade. A revista Business Week (8 de abril de 1991),
informava que a “poluicao eletrica” estava custando cerca de USS 26 bilhoes por ano
em danos e atitudes preventivas, so nos Estados Unidos.
Segundo Thornton (2005) os custos oriundos na ma QEE relativos as inter-
rupcoes, por hora, por ramo de atividade sao distribuıdos de acordo a Figura 1.
0
500.000
1.000.000
1.500.000
2.000.000
2.500.000
3.000.000
Energ
ia
Telec
om
Finan
ceiro
Varejo
Quí
mica
Hos
pita
is
Míd
ia
US
$
Figura 1: Custo da hora parada por categoria de consumidor.
McGranaghan e Roettger (2002) afirmaram que, os custos associados as
interrupcoes de energia em empresas de manufatura, devido a paradas no processo,
3
podem atingir a casa dos 10 bilhoes de dolares. Os custos de empresas do tipo comer-
ciais podem ser tao altos ou maiores. Infelizmente, estas empresas podem ser sensıveis
a uma grande gama de disturbios relacionados a QEE. Interrupcoes momentaneas ou
afundamentos de duracao menor que 100 ms podem causar o mesmo impacto que uma
interrupcao de muitos minutos.
O conceito de qualidade de energia do servico prestado por uma concessionaria de
energia eletrica engloba, hoje, nao so o suprimento de tensao adequada e a continuidade
do servico como tambem, e principalmente, o fornecimento de uma forma de onda de
tensao desprovida de deformacoes, tais como transientes e harmonicos. A ma QEE
contribui para a reducao da vida util do sistema e dos equipamentos a ele ligados.
Em alguns ramos de atividade, como as industrias textil, siderurgica e petroquımica,
os impactos economicos da qualidade de energia sao enormes. Nestes setores, uma inter-
rupcao eletrica de ate 1 minuto pode ocasionar prejuızos de ate USS 500 mil (FRANCO,
2005). E, diante deste potencial de prejuızos possıveis, fica evidente a importancia de
uma analise e diagnostico da qualidade da energia eletrica, no intuito de determinar
as causas e as consequencias dos disturbios no sistema, alem de apresentar medidas
tecnicas e economicamente viaveis para solucionar o problema. A QEE constitui na
atualidade um fator crucial para a competitividade de praticamente todos os setores
industriais e dos servicos.
Segundo Oleskovicz (2005), o setor da energia eletrica esta, sobretudo nas duas
ultimas decadas, atravessando profundas mudancas devido a um numero consideravel
de fatores como:
• a alteracao da natureza de cargas consumidoras e da forma como a energia eletrica
e utilizada hoje (Figura 2;
• a liberalizacao, desregulamentacao (ou re-regulamentacao) em curso a nıvel mun-
dial;
• a proliferacao de autoprodutores;
• o aparecimento de novas tecnologias de geracao;
• o peso crescente das questoes ambientais associadas as tecnologias de geracao.
O custo da ma QEE e razoavelmente bem conhecido no caso de eventos singulares,
como interrupcoes e afundamentos de tensao. Por exemplo, o custo do kWh nao for-
necido e muito estudado em diversos paıses. Uma excelente visao deste trabalho pode
ser encontrada no relatorio da Cigre (2001).
4
1960 1970 1980 1990 20000
50
100
150
200
Ano
Pot
ênci
a (G
W) Concessionária
Cargas Eletrônicas
Figura 2: Crescimento das cargas eletronicas nos EUA.
Fenomenos como harmonicos estao causando perdas de energia adicionais e, even-
tualmente, falhas prematuras de equipamentos, alem de funcionamento incorreto de
equipamentos de processamento de dados. Para estes fenomenos “invisıveis” exis-
tem poucas informacoes disponıveis com relacao ao custo e a frequencia da ocorrencia.
Em 2001 foi realizada uma pesquisa em 1.400 instalacoes de oito paıses (Tabela 1),
analisando os seguintes aspectos (KEULENAER, 2004):
Tabela 1: Pesquisa sobre a QEE realizada em oito paıses (KEULENAER, 2004).Paıs Metodo da Pesquisa Amostra
Bulgaria Entrevistas Pessoais 100Republica Tcheca Entrevistas Pessoais 100
Alemanha Pesquisas por Telefone 200Hungria Entrevistas Pessoais 100Polonia Entrevistas Pessoais 100Romenia Entrevistas Pessoais 100Espanha Entrevistas Pessoais e por telefone 100Turquia Entrevistas Pessoais 600
Total 1400
• Que tipos de problemas de QEE sao experimentados na instalacao?
• Que percentagem das instalacoes sofre destes problemas?
• Que solucoes sao adotadas para mitigar estes problemas?
5
Na Figura 3 e mostrado um grafico indicando os dados ja tratados da referida
pesquisa, onde:
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30%
RMC
DI
SN
PLL
PCP
SSCFP
EPD
DE
C
TCT
ipo
de
Pro
ble
ma
Percentual de Problemas
Figura 3: Problemas de QEE predominantes, medidos em 1400 instalacoes de oitopaıses (FRANCO, 2005).
• RMC: reclamacoes da medicao da concessionaria;
• DI: disparos intempestivos;
• SN: sobre-aquecimento do condutor neutro;
• PLL: problemas com linhas longas;
• PCP: problemas de chaveamento de cargas pesadas;
• SSCFP: sobre-aquecimento do sistema de correcao do fator de potencia;
• EPD: equipamentos de processamento de dados;
• DE: danificacao de equipamentos;
• C: cintilacao (flicker);
• TC: travamento de computador;
De acordo com a pesquisa, qualquer instalacao na Europa tem uma probabilidade de
5% a 20% de sofrer alguns dos problemas citados na Figura 3. E claro que a ma QEE nao
e a causa de todas as ocorrencias dos problemas listados. Por exemplo, o travamento
de computadores pode estar relacionado a problemas de software. Alem disto, atribuir
6
a origem do problema a causas observadas antes do medidor (lado do fornecedor) ou
apos o medidor (lado do consumidor) e frequentemente difıcil sem analises detalhadas.
Por outro lado, os problemas podem ocorrer sem que o responsavel pela instalacao
esteja ciente deles. Assim, a frequencia real de incidencia e possivelmente muito mais
elevada do que a relatada na Figura 3.
1.2 Objetivos
A energia eletrica e um produto; ela e gerada, transportada (transmitida), dis-
tribuıda e vendida aos consumidores. Os consumidores convertem a energia eletrica
em outras formas de energia tais como mecanica, termica e luminosa.
Os usuarios de energia eletrica esperam um grau razoavel qualidade do servico. Em
termos tecnicos, as condicoes seguintes sao necessarias para assegurar a satisfacao do
cliente (EIGELES; MCNEILL, 1997):
1. A energia eletrica deve estar continuamente disponıvel.
2. A fonte de tensao deve ter uma frequencia constante com uma forma senoidal
e constante em magnitude. A magnitude de tensao deve estar dentro da faixa
recomendada pelo fabricante.
3. Em um sistema trifasico, deve haver perfeita simetria: as tres tensoes devem ser
senoides identicas defasadas de 120◦ umas das outras.
Entao, a proxima etapa neste processo de gerenciamento da energia eletrica e a
necessidade de acompanhar a forma de onda da tensao entregue pela concessionaria,
de modo a analisar, por exemplo, transitorios, correntes harmonicas e afundamentos
de tensao. No entanto, esta almejada analise depende da definicao apropriada de
indicadores que representem o desempenho dos servicos prestados pelas concessionarias
envolvidas.
O objetivo principal deste trabalho e o estudo e simulacao dos modulos logicos de
um medidor de QEE, proposto como alternativa de monitoracao de QEE. O usuario
tera acesso a relatorios simples (somente uma nota, por exemplo) ou mais elaborados,
dependendo da parametrizacao do equipamento.
Os objetivos especıficos decorrentes do objetivo maior sao:
1. Estudo dos diferentes disturbios na QEE e como detecta-los.
7
2. Especificacao dos componentes ou blocos logicos necessarios para a deteccao dos
disturbios.
3. Elaboracao de uma proposta para quantificar (nota) a QEE.
4. Estudo da aplicabilidade da logica reconfiguravel ao problema.
O equipamento em questao nao se restringe somente a consumidores residenciais.
Pelo contrario, uma industria tambem podera utiliza-lo em seus diversos setores para
medicao de sua QEE com a vantagem de faze-lo em varios setores ao mesmo tempo, o
que hoje com os equipamentos portateis nao acontece devido principalmente aos custos
envolvidos (equipamento e mao-de-obra). Tambem as concessionarias poderao analisar
onde, quando e quem sofreu ou gerou disturbios no sistema; fato este que tambem
podera servir de auxılio tanto a concessionaria como aos consumidores no caso de
indenizacoes por prejuızos causados pela QEE inadequada.
A ANEEL tambem se beneficiara, pois podera contar com acompanhamento on-
line e geracao de relatorios com os diversos ındices atuais de Qualidade do Servico
(DEC, DIC, END, DMIC, etc.) e de Qualidade de Produto (transitorios, harmonicos,
sobretensoes, subtensoes e interrupcoes) que ainda hoje nao estao bem definidos, talvez
devido a dificuldade de medicao e acompanhamento destes.
1.3 Estrutura da Dissertacao
Esta dissertacao esta organizada em quatro capıtulos. No Capıtulo 2 faz-se uma
revisao da literatura dos principais conceitos e ındices relativos a QEE, bem como
topicos teoricos correlatos. No Capıtulo 3 e descrito o medidor proposto, bem como
sao apresentados os modulos logicos implementados. No capıtulo 4 sao relatados os
resultados obtidos a partir da utilizacao de dados de entrada reais e simulados nos
modulos logicos implementados. Finalmente, no Capıtulo 5 apresenta-se a discussao
dos resultados, conclusoes e propostas de trabalhos futuros.
8
Capıtulo 2
Revisao da Literatura
Diante de um mercado globalizado crescentemente competitivo, o assunto da QEE
tem se tornado de fundamental importancia no cenario economico internacional, uma
vez que os modernos processos industriais, cada vez mais integrados e sensıveis, podem
sofrer interrupcoes significativas devido a variacoes momentaneas da tensao, implicando
em significativas perdas economicas (PROCEL, 2001).
Pretende-se abordar neste capıtulo a questao da QEE, definindo e identificando os
seus principais disturbios e causas.
Segundo Kagan, Oliveira e Robba (2005), a QEE e dividida em:
• Qualidade do Produto (QP): caracterizada basicamente pela forma de onda de
tensao dos componentes de um sistema eletrico.
• Qualidade do Servico (QS): esta relacionada a continuidade de fornecimento.
E fruto de interrupcoes no sistema eletrico, provocadas por faltas no sistema
(manutencao corretiva) e por atividades de manutencao programada (manutencao
preventiva), em funcao de servicos necessarios a serem realizados no sistema. Sao
muitos os indicadores ligados a continuidade e serao propriamente definidos e
tratados na proxima secao deste capıtulo.
2.1 Qualidade do Produto
A QEE pode ser definida como a ausencia relativa de variacoes de tensao provocadas
pelo sistema da concessionaria, particularmente a ausencia de desligamentos, flutuacoes
de tensao, surtos e harmonicos, medidos no ponto de entrega de energia (PROCEL, 2001;
10
DUGAN, 2002).
A probabilidade de uma instalacao sofrer ou nao problemas de QEE depende: da
qualidade da alimentacao de energia da concessionaria, dos tipos de cargas existentes
na instalacao e da sensibilidade dos equipamentos aos varios tipos de perturbacao.
Os principais fenomenos eletromagneticos associados a QEE podem ser agrupados em
(BRONZEADO, 1996; IEEE1159, 1995):
• Variacoes Transitorias da Tensao.
• Variacoes Momentaneas de Tensao.
• Variacoes Sustentadas de Tensao.
• Desequilıbrio de Tensao.
• Distorcao da Forma de Onda da Tensao.
• Flutuacao de Tensao.
• Variacoes Momentaneas de Frequencia.
Alguns disturbios relacionados a qualidade da energia originam-se do proprio sis-
tema da empresa. No entanto, as causas destes disturbios estao, geralmente, alem do
controle destas. Como exemplo podem ser citadas as acoes provocadas pela acao da
natureza como: relampagos, contato de galhos de arvores, ventos fortes, contatos de
animais, gelo, etc. Alem destes, tem-se os eventos de causas aleatorias como: atividades
de construcao, acidentes envolvendo veıculos motores e falhas de equipamentos. Some-
se ainda, as operacoes normais da empresa como chaveamentos, operacoes com bancos
de capacitores e atividades de manutencao, que tambem podem gerar situacoes que
venham a provocar determinados disturbios sobre o sistema. Para limitar estes tipos
de disturbios a um menor numero possıvel de clientes, o sistema de distribuicao das em-
presas emprega um consideravel numero de dispositivos tais como circuitos disjuntores,
circuitos automaticos de religamento, barramentos e seccionadores para auxiliar no iso-
lamento do defeito. Uma grande percentagem dos disturbios relacionados a qualidade
da energia, na realidade, originam-se, de uma maneira geral, dentro das instalacoes
industriais/comerciais.
Dos disturbios originados dentro das instalacoes dos usuarios podemos destacar
como fontes principais:
• nas instalacoes eletricas comerciais:
11
– os sistemas de aquecimento ou resfriamento de motores;
– elevadores;
– refrigeradores, lampadas fluorescentes;
– condutores inadequados e aterramentos improprios;
– maquinario de escritorio (copiadoras, fax, impressoras a laser, etc.);
– circuitos sobrecarregados;
– interferencias eletromagneticas.
• nas instalacoes eletricas industriais:
– reguladores de velocidade ajustavel;
– capacitores para a correcao do fator de deslocamento (FDels);
– motores eletricos de grande porte;
– condutores inadequados;
– aterramentos improprios;
– circuitos sobrecarregados;
– interferencias eletromagneticas.
Segundo Delgado, Saraiva e Almeida (1997) apud Electric Power Research
Institute - EPRI, cerca de 91% dos cortes de energia eletrica que ocorrem nos Es-
tados Unidos tem uma duracao inferior a 2 segundos, e 85%, duracao inferior a 200
millissegundos. A maioria das interrupcoes sao quase imperceptıveis para certos ti-
pos de consumidores, mas sao suficientes e responsaveis por causar grandes danos a
consumidores que possuem cargas mais sensıveis a estas interrupcoes.
2.1.1 Termos e Definicoes
Uma larga variedade de fenomenos eletromagneticos que muitas vezes se fazem pre-
sentes nos sistemas eletricos, vem sendo catalogadas e classificadas ao logo dos anos
(DUGAN, 2002; PHIPPS, 1994; KOVAL, 1997, 1993; EMANUEL, 1993; MCGRANAGHAN,
1993). Tais fenomenos foram seguidos pelo desenvolvimento de uma terminologia es-
pecial para sua descricao. Neste campo, ha que se considerar algumas confusoes em
termos da terminologia usada, a presenca de termos ambıguos e de termos com multiplo
sentido. Por exemplo, o termo surge e usado para descrever uma larga variedade de
disturbios que causam falha ou ma operacao de equipamentos. Tambem ha presenca
12
de termos semelhantes, como cintilacao (glitch) e piscadela (blink), que nao tem signifi-
cado tecnico, mas sao usados no vocabulario de profissionais da area de energia eletrica
(DUGAN, 2002).
O objetivo desta secao e o de apresentar as definicoes aceitas para muitos dos termos
encontrados na literatura nacional e internacional relacionados a QEE. Termos como
os que seguem sao empregados em uma variedade de diferentes documentos e estao
frequentemente sujeitos a confusoes (IEEE1159, 1995).
1. Valor em pu: razao entre uma determinada grandeza e outra tomada como valor
base. Semelhante a grandeza percentual; pu significa por unidade.
2. Afundamento (Dip ou Sag): qualquer decrescimo na tensao de duracao de 0,5
ciclo a 1 min com magnitude de 0,1 a 0,9 pu;
3. Elevacao (Swell): Um aumento no valor eficaz da tensao ou corrente na frequencia
fundamental por um perıodo de 0,5 ciclos a 1 min. Os valores tıpicos estao entre
1,1 e 1,8 pu;
4. Sobretensao (Overvoltage): aumento do nıvel de tensao acima do normal (10%
ou mais), com duracao superior a um minuto. Tipicamente entre 1,1 e 1,2 pu.
5. Subtensao (Drop ou Undervoltage): queda ou diminuicao de tensao devido a
partida de grandes motores ou perda de alimentadores ou transformadores sob
carga. Tipicamente com valores entre 0,8 e 0,9 pu.
6. Interrupcao (Interruption ou Outage): completa perda da energia eletrica ou
tensao menor que 0,1 pu;
7. Carga Crıtica (Critical Load): dispositivos ou equipamentos identificados como
importantes ou essenciais para a seguranca de pessoas ou para a situacao
economica do comercio/industria;
8. Distorcao da Forma de Onda (Waveform Distortion): qualquer variacao na qua-
lidade da energia representada nas formas de ondas das tensoes ou correntes.
9. Distorcao Harmonica (Harmonic Distortion): alteracao na forma padrao da
tensao ou corrente (onda senoidal) devido a um equipamento gerando frequencias
diferentes da fundamental;
10. Disturbio (Disturbance): uma variacao de tensao. Comumente, apos a operacao
incorreta de determinado equipamento eletrico, por razoes desconhecidas, o seu
mal funcionamento sera relacionado ao disturbio de tensao;
13
11. Ressonancia Harmonica: uma condicao na qual o sistema de potencia e ressonante
proximo a um dos harmonicos produzidos por elementos nao-lineares do sistema,
aumentando assim a distorcao harmonica;
12. Cintilacao ou Tremulacao (Flicker): variacao de tensao de pequena duracao, mas
longa o necessario para ser percebida pelos olhos humanos como uma oscilacao
de tensao;
13. Ruıdo (Noise): qualquer sinal eletrico indesejado de alta frequencia que altera a
forma de tensao padrao (onda senoidal);
14. Transitorio (Transient, Spike ou Surge): uma variacao inesperada no nıvel de
tensao que tipicamente tem por menos do que 5ns de subida (unidirecional) a
50 ms de duracao.
15. Tensao de Pico (Vp): maxima tensao apresentada por uma forma de onda em um
perıodo.
16. Tensao Eficaz (Vrms): RMS (Root Mean Square), valor medio quadratico ou sim-
plesmente valor eficaz. E o equivalente da tensao que em corrente contınua geraria
o mesmo trabalho.
17. Fator de Crista (FC): razao de corrente (ou tensao) maxima ou de pico pela
corrente (ou tensao) eficaz de um dado circuito, como e apresentado na Equacao
1:
FC =Vp
Vrms
(1)
Para uma dada senoide a relacao ente o valor de pico e rms deve ser√
2 . O fator
de crista e usado para redefinir a capacidade de saıda de transformadores, fontes
ininterruptas de energia (UPSs)e outros equipamentos que alimentem cargas nao-
lineares (BRAGA, 2001).
18. Curva CBEMA: e um conjunto de curvas (Figura 4) para descrever a tolerancia de
equipamentos computacionais de grande porte em relacao a magnitude e duracao
de variacoes de tensao. Desenvolvida pela Computer Business Equipment Manu-
factures Association (CBEMA) (IEEE446, 1995), esta tornou-se um padrao para a
medicao de desempenho de diversos tipos de equipamentos e sistemas de potencia.
A area abaixo de curva inferior representa o desligamento de carga devido a falta
de energia. A area acima da curva superior representa a possibilidade de mau
funcionamento da carga, falha na isolacao e sobre-excitacao.
19. Curva ITIC : Apesar da curva CBEMA ter sido originalmente proposta para ca-
racterizar a sensibilidade de computadores, ela tem sido tambem utilizada para
14
Perc
en
tual d
e T
en
são
300%
200%
100%
0%0,001 0,01 0,1 10,5 6 10 30 100 1000
MAUFUNCIONAMENTO OU COLAPSO DE ALGUMAS
CARGAS
Ciclo
FALTA DE ENERGIA E/OU DESLIGAMENTO DE ALGUMAS CARGAS
TENSÃO DE TOLERÂNCIA PARA EQUIPAMENTOS
COMPUTACIONAIS
115%
30%
106%
87%
Figura 4: Curva CBEMA segundo IEEE Standard 1100-1992.
outros equipamentos eletro-eletronicos. Desta forma, esta foi revisada e modi-
ficada para caracterizar melhor a sensibilidade destes equipamentos, surgindo,
entao a curva ITIC (Information Technology Industry Council), mostrada na
Figura 5 (TEIXEIRA, 2005):
0,0001 0,001
PE
RC
EN
TU
AL
DE
VA
RIA
ÇÃ
O D
E T
EN
SÃ
O
±10%
CONDIÇÕES DE SOBRETENSÃO
TENSÃOACEITÁVEL
0,01 0,1 1 10 100
TEMPO EM SEGUNDOS
-100
-50
0
50
100
150
200
8,33
ms
0,5
cicl
o
1000
CONDIÇÕES DE SUBTENSÃO
Figura 5: Curva ITIC.
15
2.1.2 Tipos de Disturbios
Os disturbios de energia podem ser originados tanto nos sistemas e/ou equipamentos
das empresas concessionarias como dos consumidores. Segundo a IEEE1159 (1995),
estes disturbios podem ser classificados em categorias que podem variar quanto ao
efeito, duracao e intensidade (Tabela 2).
Tabela 2: Categorias e caracterısticas tıpicas de fenomenos eletromagneticos nos siste-mas de potencia.
Categorias Espectro Duracao Tensao (pu)1 Transientes
1.1 Impulsivos1.1.1 Nanossegundos 5 ns ascensao < 50 ns1.1.2 Microssegundos 1 µs ascensao 50 ns- 1 ms1.1.3 Millissegundos 0,1 ms ascensao > 1 ms
1.2 Oscilatorios1.2.1 Baixa Frequencia < 5 kHz 0,3 - 50 ms 0 - 4 pu acima Vnom1.2.2 Media Frequencia 5 - 500 kHz 20 µs 0 - 8 pu acima Vnom1.2.3 Alta Frequencia 0.5 - 5 MHz 5 µs 0 - 4 pu acima Vnom
2 Variacoes de Curta Duracao2.1 Instantaneas
2.1.1 Afundamento (Sag) 0,5 - 30 ciclos 0,1 - 0,9 pu2.1.2 Elevacao (Swell) 0,5 - 30 ciclos 1,1 - 1,8 pu
2.2 Momentaneas - 3 s2.2.1 Interrupcao 0,5 ciclos - 3 s < 0.1 pu2.2.2 Afundamento (Sag) 30 ciclos - 3 s 0,1 - 0,9 pu2.2.3 Elevacao (Swell) 30 ciclos - 3 s 1,1 - 1,4 pu
2.3 Temporarias2.3.1 Interrupcao 3 s - 1 min < 0,1 pu2.3.2 Afundamento (Sag) 3 s - 1 min 0,1 - 0,9 pu2.3.3 Elevacao (Swell) 3 s - 1 min 1,1 - 1,2 pu
3 Variacoes de Longa Duracao3.1 Interrupcao Sustentada > 1 min 0.0 pu3.2 Subtensao > 1 min 0.8 - 0.9 pu3.3 Sobretensao > 1 min 1.1 - 1.2 pu
4 Desbalanceamento de Tensao Estado Estacionario 0,5 - 2%5 Distorcao da Forma de Onda
5.1 Nıvel CC Estado Estacionario 0 - 0,1%5.2 Harmonicos Estado Estacionario 0 - 20%5.3 Interharmonicos Estado Estacionario 0 - 2%5.4 Recortes na Tensao Estado Estacionario5.5 Ruıdo Estado Estacionario 0 - 1%
6 Flutuacoes de Tensao Intermitente 0,1 - 7%7 Variacoes na Frequencia < 10 s
2.1.2.1 Variacoes Transitorias da Tensao (Transient Voltages ou Surge)
Sao variacoes subitas do valor instantaneo da tensao caracterizados por um evento
que e indesejado e momentaneo por natureza. Em geral, dependem do montante de
energia armazenada nos elementos do sistema no instante inicial da ocorrencia e do
16
comportamento transitorio do sistema para atingir o seu novo ponto de operacao. Neste
grupo estao incluıdos os transitorios impulsivos e os oscilatorios.
1. Transitorios Impulsivos (Impulsive Transientes): Um surto ou transiente impul-
sivo e uma mudanca repentina na condicao de estado estacionario da tensao ou
corrente. Usualmente causados por descargas atmosfericas, sao caracterizados
pelo tempo de subida (tempo de crista), tempo de queda (tempo de cauda) e
pelo valor de pico da tensao. Em geral, os surtos de tensao tem polaridade uni-
direcional.
Por causa das frequencias envolvidas, a forma de onda do transiente impulsivo
pode ser mudada rapidamente pelos componentes do circuito e pode apresentar di-
ferentes caracterısticas quando vista de diferentes partes do sistema. Geralmente
nao sao conduzidas muito longe da fonte (por onde elas entraram no sistema),
embora, em alguns casos possam ser conduzidas para grandes distancias ao longo
das linhas da concessionaria. Os transientes impulsivos podem tambem excitar
a frequencia natural de oscilacao dos circuitos do sistema e produzir transientes
oscilatorios (DUGAN, 2002). O caso mais comum de transientes impulsivos e o
relampago. Na Figura 6 a corrente de um transiente tıpico causado por uma
descarga atmosferica (IEEE1159, 1995) e apresentada.
0 25 50 75 100 125 150−25
−20
−15
−10
−5
0
X: 5Y: −22.5
X: 19Y: −17
X: 130Y: −1.6
X: 110Y: −1
t(µs)
I (kA
)
Figura 6: Corrente eletrica proveniente de uma descarga atmosferica
Em sistema de distribuicao, o caminho mais provavel para as descargas at-
mosfericas e atraves do condutor fase, no primario ou no secundario, causando
17
altas sobretensoes no sistema. Existem numerosos caminhos atraves dos quais as
correntes de descarga podem penetrar no sistema de aterramento, tais como os
terras do primario e secundario dos transformadores e as estruturas do sistemas
de distribuicao. Os principais problemas causados por tais correntes no sistema
de aterramento sao (DELMONT, 2003):
• Elevacao do potencial do terra local, em relacao a outros terras, em varios
kV. Equipamentos eletronicos sensıveis que sao conectados entre duas re-
ferencias de terra podem falhar quando submetidos a altos nıveis de tensao,
tal como um computador conectado ao telefone atraves de um modem.
• Introducao de altas tensoes nos condutores fase, quando as correntes passam
pelos cabos a caminho do terra.
2. Transitorios Oscilatorios de Tensao (Oscillatory Transients): Sao oscilacoes do
valor instantaneo da tensao sobreposta ao seu valor instantaneo normal.
Como os transientes impulsivos, os transientes oscilatorios podem ser medidos
com ou sem a componente da frequencia fundamental incluıda. Sao descritos por
seu conteudo espectral, duracao e magnitude (IEEE1159, 1995; DUGAN, 2002).
Em geral os transitorios oscilatorios sao causados pelas manobras de equipamen-
tos e linhas de transmissao ou por transitorios impulsivos que excitam o sistema
em uma determinada frequencia.
Os transientes oscilatorios com uma componente de frequencia primaria maior que
500 kHz e uma duracao tıpica medida em microssegundos (ou alguns ciclos da
frequencia principal) sao considerados transientes oscilatorios de alta frequencia.
Estes transientes sao quase sempre devidos a algum tipo de evento de chavea-
mento. Transientes oscilatorios tambem sao frequentemente o resultado da res-
posta do sistema local a um transiente impulsivo (IEEE1159, 1995).
A energizacao de banco de capacitores resulta em correntes transitorias com
frequencias na casa de dezenas de quilohertz. O fenomeno ocorre quando um
banco de capacitores e energizado nas proximidades de um outro banco ja ener-
gizado. O banco energizado ve o nao-energizado como um caminho de baixa
impedancia, limitado apenas pela indutancia do barramento aos quais os ban-
cos estao conectados (tipicamente pequenas). A Figura 7 ilustra o resultado da
corrente transiente devido ao chaveamento de capacitores. O chaveamento re-
sulta em um transitorio de tensao na mesma faixa de frequencia. Transientes
de frequencia media tambem podem ser resultado da resposta do sistema a um
transiente impulsivo.
A energizacao de banco de capacitores resulta tipicamente um transiente osci-
latorio de tensao com uma frequencia primaria entre 300 e 900 Hz. O transiente
18
0 1 2 3 4 5 6
x 10−3
−8000
−6000
−4000
−2000
0
2000
4000
6000
8000
t (s)
i (A
)
Figura 7: Transiente de corrente oriundo do chaveamento de um banco de capacitores.
tem uma magnitude de pico que pode de aproximar dos 2 pu, mas normalmente
assume valores entre 1,3 e 1,5 pu durando de 0,5 a 3 ciclos, dependendo do amor-
tecimento do sistema (Figura 8).
0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065
−300
−200
−100
0
100
200
300
t (s)
V (
V)
somente transitoriotensao do PAC
Figura 8: Transiente oscilatorio de baixa frequencia causado pela energizacao de umbanco de capacitores (PAC - Ponto de Acoplamento Comum).
19
Transientes oscilatorios com frequencia dominante menor que 300 Hz tambem
podem ser encontrados no sistema de distribuicao. Estes geralmente estao as-
sociados com ferroressonancia e energizacao de transformadores (veja Figura 9).
Transientes envolvendo capacitores serie podem tambem estar nesta categoria.
Eles ocorrem quando a ressonancia do sistema resulta ampliacao das componen-
tes de baixa frequencia na corrente de partida do transformador (segunda, terceira
harmonica) ou quando condicoes nao usuais resultam em ferroressonancia.
1000 1050 1100 1150 1200−600
−400
−200
0
200
400
t (ms)
V (
V)
Figura 9: Transiente oscilatorio de baixa frequencia causado por um transformadorferrorressonante sem carga.
2.1.2.2 Variacoes de Curta Duracao (Short Duration Voltage Variation)
Variacoes de curta duracao sao, em sua maioria, causadas por condicoes de falta,
energizacao de grandes cargas que requerem altas correntes de partida ou perda de
conexao intermitente com a rede. Dependendo da localizacao da falta e das condicoes
do sistema, a falta pode causar quaisquer elevacoes, afundamentos, ou uma completa
perda de tensao (interrupcao). A condicao de falta pode estar proxima ou distante do
ponto em questao. Em todo caso, o impacto na tensao durante a condicao de falta
atual e uma variacao de curta duracao (IEEE1159, 1995).
1. Interrupcao (Interruption): Uma interrupcao ocorre quando a tensao da fonte ou
corrente da carga decai para menos de 0,1 pu por um perıodo de tempo que nao
excede 1 minuto.
As interrupcoes podem ser o resultado de faltas no sistema, falhas em equipa-
mentos e mal funcionamento de controles. Sao medidas pela sua duracao desde
20
que a magnitude de tensao seja menor que 10% da nominal. A duracao de uma
interrupcao devido a uma falta no sistema da concessionaria e determinada pelos
seus dispositivos de protecao e o evento particular que causa a falta, quando de-
vido ao mal funcionamento de equipamentos ou perda de conexoes e totalmente
irregular. Algumas interrupcoes podem ser precedidas por uma queda rapida da
tensao (voltage sag) quando estas interrupcoes sao devidas a faltas no sistema.
Os sags ocorrem entre o tempo que a falta inicia e o tempo que o dispositivo
de protecao opera. No alimentador que sofreu a falta, as cargas podem experi-
mentar um sag seguidos imediatamente por uma interrupcao. A duracao da in-
terrupcao dependera da capacidade de religamento dos dispositivos de protecao.
Religamentos instantaneos geralmente limitarao a interrupcao causada pela falta
nao-permanente por menos de 30 ciclos. Religamentos posteriores podem causar
interrupcoes momentaneas e sustentadas. A Figura 10 mostra uma interrupcao
momentanea durante a qual a tensao cai durante 1, 7 s aproximadamente. Note,
a partir da forma de onda deste evento, que a tensao instantanea pode nao cair
para zero instantaneamente no momento da interrupcao da fonte de tensao. A
tensao residual e devido ao efeito da forca contra-eletromotriz (back-emf ) dos
motores de inducao no circuito interrompido.
0 1 2 3 40
50
100
150Tensão Eficaz
t (s)
Ten
são
Efic
az (
%)
0 20 40 60 80 100−100
0
100
t (ms)
Ten
são
(%)
Tensão Instantânea
Figura 10: Interrupcao momentanea devido a uma falta.
2. Afundamentos de Tensao (Sags ou Dips): As subtensoes curtas estao normal-
mente associadas com falhas do sistema, mas tambem podem ser causadas por
manobra de grandes cargas como partidas de motores de grande potencia. A
21
Figura 11 mostra um sag tıpico que pode ser associado com uma falta devido a
um condutor estar em curto com o terra (Single Line to Ground Fault - SLC ).
A falta deste alimentador afeta tambem os alimentadores conectados ao mesmo
barramento ate que o problema seja resolvido. Tipicamente o tempo de falta e
de 3 a 30 ciclos, dependendo da magnitude da corrente de falta e da deteccao do
tipo de sobrecorrente e interrupcao. Estas duracoes estao diretamente ligadas aos
tempos de operacao dos dispositivos de protecao como tambem com as divisoes
de duracao recomendadas pelas organizacoes tecnicas internacionais.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.30
50
100
150Tensão Eficaz
t (s)
V (
%)
0 50 100 150−100
0
100Tensão Instantânea
t (ms)
V (
%)
Figura 11: Subtensao tensao instantanea causada por uma falta fase-terra.
Os principais tipos de afundamentos de tensao resultantes dos diferentes tipos de
faltas estao mostrados nas Figuras 11 e 12, onde o sub-ındice N dos fasores indica
a tensao pre-falta e o subındice F indica a tensao durante a ocorrencia da falta
(BOLLEN; BOLLEN, 1999).
A Figura 12(a) indica que as tres tensoes por ocasiao do afundamento de tensao
possuem a mesma amplitude, sendo este fenomeno provocado por uma falta do
tipo trifasica. A Figura 12(b) e caracterizada por apenas uma das tensoes com
a sua amplitude reduzida e e produzida pela falta de uma das fazes a terra.
Na Figura 12(c), duas tensoes possuem amplitude reduzidas, assim como seus
angulos de fase diferem de 120◦, e pode ser produzida por uma falta entre fases.
No ultimo caso, mostrado na Figura 12(d), duas das fases variam em amplitude e
em angulo, ao passo que a terceira fase varia apenas em modulo, sendo este tipo
de fenomeno tambem provocado por falta de uma das fases para a terra ou por
22
um curto bifasico.
aNV
bNV
cNV
aFV
bFV
cFV
aNV
bNV
cNV
aFV
bFV
cFV
aNV
bNV
cNV
aFV
bFV
cFV
aNV
bNV
cNV
aFV
bFV
cFV
(a) (b)
(c) (d)
Figura 12: Diagrama fasorial dos tipos de falta que podem ocasionar um afundamentode tensao.
A duracao dos afundamentos de tensao esta aqui subdividida em tres categorias:
instantanea, momentanea e temporaria, as quais coincidem com as tres categorias
de interrupcoes e elevacoes de tensao.
3. Elevacoes de Tensao (Swells): sao aumentos do valor eficaz da tensao ou corrente
na frequencia fundamental com duracao entre 0,5 ciclo a 1 min. Magnitudes
tıpicas variam entre 1,1 e 1,8 pu.
Assim como os afundamentos as elevacoes de tensao estao usualmente associados
com condicoes de falta do sistema, porem sao muito menos comuns que os afun-
damentos. Uma elevacao de tensao pode ocorrer devido a uma falta fase-terra
em um sistema, resultado em um acrescimo de tensao temporario passada a fase
de falta. As faltas tambem podem ser causadas pela manobra de grandes cargas
ou grandes bancos de capacitores. A Figura 13 ilustra uma elevacao em um dos
condutores (swell) causada por uma falta fase-terra em outro condutor.
As elevacoes de tensao sao caracterizados por sua magnitude e duracao. A se-
veridade da sobretensao durante a condicao de falta e funcao da localizacao da
falta, impedancia do sistema e aterramento.
As consequencias de elevacoes de tensao em aparelhos de iluminacao, por exemplo,
23
0 50 100 150 200 250 300−200
0
200
Tempo (ms)
v (%
)
Tensão Instantânea
5 10 150
50
100
150Tensão Eficaz
Ciclo
V (
%)
Figura 13: Elevacao de tensao instantanea causada por uma falta fase-terra.
pode ser o aumento da luminosidade; ja em banco de capacitores pode, frequen-
temente, causar serios danos ao equipamento. Dentro do exposto, a preocupacao
recai sobre os equipamentos eletronicos, uma vez que estas elevacoes podem vir
a danificar os componentes internos destes, conduzindo-os a ma operacao, ou em
casos extremos, a completa inutilizacao (DELMONT, 2003).
2.1.2.3 Variacoes de Longa Duracao (Long Duration Variation)
Esta categoria engloba os desvios eficazes de tensao na frequencia fundamental
durante mais que 1 min. Sobretensoes e subtensoes geralmente nao sao resultados de
faltas no sistema, mas sim causadas por variacoes de cargas e manobras neste. Estas
variacoes sao caracterizadas por graficos de tensao eficaz versus tempo.
1. Interrupcoes Sustentadas (Sustained Interruptions): A reducao para zero da fonte
de tensao for um perıodo de tempo maior que 1 min e considerada uma inter-
rupcao sustentada. Interrupcoes de tensao maiores do que 1 min sao frequente-
mente permanentes por natureza e requerem intervencao manual para restauracao
da tensao.
2. Sobretensoes (Overvoltages): Podem ser o resultado de manobras de grandes car-
gas, ou variacoes na compensacao de reativos no sistema (manobra de grandes
24
bancos de capacitores). Sistemas com capacidade de regulacao ou controle po-
bres sao mais suscetıveis a sofrer sobretensoes. Configuracoes incorretas de taps
tambem causam sobretensoes.
3. Subtensoes (Undervoltages): Sao resultados de eventos que sao os inversos que
causam as sobretensoes. A entrada de uma grande carga, ou uma saıda de um
banco de capacitores, podem causar uma subtensao ate que o equipamento de
regulacao de tensao possa trazer a tensao de volta para dentro das tolerancias.
Circuitos sobrecarregados podem resultar tambem em subtensoes.
2.1.2.4 Desbalanceamento de Tensao (Voltage Imbalance)
O desequilıbrio de tensao pode ser definido como o maximo desvio da media de
tensoes ou correntes trifasicas, divididos pela media das tensoes ou correntes das tres
fases, expressadas em percentual. Tambem pode ser definido como a razao entre a
componente simetrica negativa ou zero pela positiva. A componente simetrica negativa
ou zero de tensao em um sistema e geralmente resultado de um desbalanceamento de
cargas causando um fluxo de corrente desequilibrada. Na Figura 14 e mostrado as
tensoes de um sistema trifasico (220Vrms fase-neutro), onde a tensao vb esta reduzida
de 2% em relacao as demais.
A principal causa de desbalanceamentos de tensao menores que 2% sao as cargas
monofasicas em um circuito trifasico. Os desbalanceamentos de tensao tambem podem
ser o resultado de anomalias no banco de capacitores, como a queima de fusıveis de
uma fase de um banco trifasico. Desbalanceamentos severos de tensao (maiores que
5%) podem ser oriundos de condicoes de uma unica fase (IEEE1159, 1995).
Tais fatores fazem com que a qualidade no fornecimento de energia, idealizada
pela concessionaria, seja prejudicada. Desta forma, alguns consumidores tem em suas
alimentacoes um desequilıbrio de tensao, o qual se manifesta de tres formas distintas:
amplitudes diferentes; assimetria nas fases e assimetria conjunta de amplitudes e fases.
Destas, apenas a primeira e frequentemente evidenciada no sistema eletrico.
2.1.2.5 Distorcoes na Forma de Onda (Waveform Distortion)
A distorcao na forma de onda e uma condicao em regime permanente de desvio
da onda senoidal da frequencia fundamental, caracterizada principalmente pelo seu
conteudo espectral de desvio.
Ha cinco principais tipos de distorcao na forma de onda (DUGAN, 2002):
25
0 5 10 15 20
−300
−200
−100
0
100
200
300
t (ms)
Ten
são
(V)
va
vb
vc
Figura 14: Desequilıbrio de Tensao.
1. Nıvel CC (DC offset): A presenca de uma tensao ou corrente contınua em um
sistema de corrente alternada chama-se de nıvel cc. O nıvel cc em redes de
corrente alternada pode levar a saturacao de transformadores, resultando em
perdas adicionais e reducao da vida util. Pode tambem causar corrosao eletrolıtica
dos eletrodos de aterramento e de outros conectores.
2. Harmonicos(Harmonics): Os harmonicos sao tensoes ou correntes senoidais tendo
frequencias que sao multiplas inteiras da frequencia a qual a fonte do sistema e
projetada para operar (denominada frequencia fundamental, usualmente 50 ou 60
Hz). Os harmonicos combinados com a frequencia fundamental, produzem uma
forma de onda distorcida. As distorcoes harmonicas sao devido as caracterısticas
nao-lineares dos dispositivos e cargas no sistema. Estes dispositivos podem usu-
almente ser modelados como fontes de corrente que injetam correntes harmonicas
no sistema. As distorcoes de tensao sao o resultado da queda de tensao devido a
passagem de uma corrente nao linear sobre as impedancias do sistema.
Os nıveis de distorcoes harmonicas poder ser caracterizados por seu conteudo
harmonico espectral com magnitudes e angulos de fase para cada componente
harmonico individual. Tambem e comum o uso de uma simples grandeza, a Dis-
torcao Harmonica Total (DHT), como uma medida para a magnitude da distorcao
harmonica.
A Figura 15 ilustra a forma de onda e o espectro de um retificador trifasico
26
de 6 pulsos (utilizado na maioria dos inversores de frequencia). A distorcao
de corrente pode ser caracterizada pela distorcao harmonica total de corrente,
como descrito acima, mas esta pode frequentemente ser enganosa. Por exemplo,
muitos inversores exibirao altos valores de distorcao harmonica total para a
corrente de entrada quando este esta operando com cargas grandes. Isto nao e
uma preocupacao significativa porque a magnitude das correntes harmonicas e
baixa, embora sua distorcao relativa seja alta. Para lidar com esta preocupacao
de caracterizar correntes harmonicas de um modo consistente, a IEEE519
(1992) define outro termo, a demanda de distorcao total. A grandeza Demanda
de Distorcao Total (DDT) e definida como a distorcao harmonica da corrente,
em percentual da maxima demanda da corrente de carga (demanda de 15 ou 30
minutos). Isto significa que a medicao da DDT deve ser feita no pico de consumo
(POMILIO, 2005).
900 920 940 960 980 1000−200
0
200
X: 926.3Y: −119.9
X: 984.6Y: 122.5
Corrente no Tempo
t (ms)
I (A
)
0 200 400 600 800 1000 12000
50
100
150
X: 300Y: 33.35
X: 420Y: 9.092
X: 660Y: 5.75
Corrente na Freqüência
f (Hz)
I (A
)
Figura 15: Forma de onda de corrente e conteudo espectral de um retificador trifasicode 6 pulsos.
Correntes harmonicas circulando no sistema de distribuicao aumentam as perdas
eletricas no sistema e limitam a capacidade de transporte de demanda, alem da
possibilidade de ocorrencia de ressonancias harmonicas em determinados pontos
do sistema, que podem provocar danos as instalacoes (sobretensoes harmonicas).
Distorcoes harmonicas podem ainda provocar queima de capacitores e fusıveis,
sobreaquecimento de motores e transformadores, vibracao ou falha de motores, fa-
27
Tabela 3: Limites da distorcao da corrente harmonica (120 V a 69 kV) em % dafundamental - IEEE 519
Ordem das harmonicas (harmonicas ımpares)ICC/IL h < 11 11 ≤ h < 17 17 ≤ h < 23 23 ≤ h < 35 35 ≤ h THDi
< 20 4 2 1,5 0,6 0,3 520 - 50 7 3,5 2,5 1 0,5 850 - 100 10 4,5 4 1,5 0,7 12
100 - 1000 12 5,5 5 2 1 15> 1000 15 7 6 2,5 1,4 20
Tabela 4: Limites da distorcao da Tensao - IEEE 519Tensao no PAC DHI (%) DHT (%)
< 69 kV 3,0 5,069 - 138 kV 1,5 2,5> 138 kV 1,0 1,5
lha ou operacao indevida de disjuntores, mau funcionamento de reles de protecao,
problemas em controle de equipamentos, interferencia telefonica, medicoes incor-
retas de energia eletrica, dentre outros defeitos (KAGAN, 2005).
As normas internacionais que disciplinam esta materia estao baseadas muito mais
na realidade das plantas industriais do que em teorizacoes a respeito do tema,
o que alias e extremamente complexo por se tratar de analise de dispositivos
nao-lineares e suas consequencias do ponto de vista da matematica envolvida
(KASSICK, 2000).
No contexto internacional existem normas relativas ao monitoramento da QEE
(IEEE-1159, 1995) e outras normas que estabelecem limites harmonicos para sis-
temas eletricos de energia em altas tensao (IEEE-519, 1992), e em sistemas a
nıveis de tensao de distribuicao (IEC-1000, 1990). O aspecto fundamental e ino-
vador da norma IEEE-519 (1992) e a divisao da responsabilidade do problema de
harmonicos entre os consumidores e a concessionaria, e os limites de distorcao de
corrente, nesse mesmo ponto, sao de responsabilidade dos consumidores (Tabelas
3 e 4). Os harmonicos pares sao limitadas a 25% dos valores indicados nas tabelas
para os harmonicos ımpares.
A recomendacao brasileira (ELETROBRAS, 1993) sugere limites harmonicos (glo-
bais e por consumidor) para sistemas de tensoes inferiores e superiores a 69 kV
(Tabelas 5 e 6).
A norma europeia (IEC1000-2-2, 1995), referencia mundial para as medicoes
dos nıveis harmonicos em sistemas de distribuicao, fornece as principais carac-
terısticas da tensao, no ponto de entrega ao consumidor, em baixa e media tensao,
sob as condicoes normais de operacao (Tabela 7).
28
Tabela 5: Limites de tensao por consumidor expressos em % da fundamental - ELE-TROBRAS (1993)
V < 69kV V > 69kV
Impares Pares Impares ParesOrdem Valor Ordem Valor Ordem Valor Ordem Valor3 a 25 1,5% Todos 0,6% 3 a 25 0,6% Todos 0,3%> 27 0,7% ≥ 27 0,4%
THDV = 3% THDV = 1, 5%
Tabela 6: Limites globais de tensao em % da tensao fundamental - ELETROBRAS(1993)
V < 69kV V > 69kV
Impares Pares Impares ParesOrdem Valor Ordem Valor Ordem Valor Ordem Valor3, 5, 7 5,0% 2, 4, 6 2,0% 3, 5, 7 2,0% 2, 4, 6 1,0%
9, 11, 13 3,0% 9, 11, 13 1,5%15 - 25 2,0% ≥ 8 1,0% 15 - 25 1,0% ≥ 8 0,5%≥ 27 1,0% ≥ 27 0,5%
THDV = 6, 0% THDV = 3, 0%
Tabela 7: Nıveis de tensao harmonica individual em redes de baixa tensao - IEC1000-2-2.
Harmonicos Impares NaoMultiplos de 3
Harmonicos ImparesMultiplos de 3
Harmonicos Pares
h Vh/V1(%) h Vh/V1(%) h Vh/V1(%)5 6 3 5 2 27 5 9 1,5 4 111 3,5 15 0,3 6 0,513 3 21 0,2 8 0,517 2 > 21 0,2 10 0,519 1,5 12 0,223 1,5 > 12 0,225 1,5
> 25 0, 2 + 0, 5× 25/h
29
Para fins praticos, geralmente as componentes harmonicas de ordens elevadas
(acima da 25◦ a 50◦ ordem, dependendo do sistema) sao desprezıveis para a
analise de sistema de potencia. Apesar de poderem causar interferencia em dis-
positivos eletronicos de baixa potencia, elas usualmente nao representam perigo
aos sistemas de potencia (DUGAN, 2002).
3. Inter-harmonicos (Interharmonics): podem ser encontrados em todas as classes
de tensao. Elas podem aparecer como frequencias discretas ou como uma
larga faixa espectral. As principais fontes de distorcoes na forma de onda por
inter-harmonicos sao os conversores estaticos de frequencia, ciclo-conversores,
motores de inducao e dispositivos a arco. Os sinais dos sistemas carrier
(ondas portadoras em linhas de alta tensao) de telefonia podem tambem ser
caracterizados como inter-harmonicos.
O efeito dos inter-harmonicos nao sao bem conhecidos, mas podem ser percebidos
nas linhas carrier de telefonia e efeito flicker em dispositivos como tubos de
raios catodicos.
Embora organizacoes internacionais ja tenham definido a terminologia e proposto
diretrizes de medida, ainda existem dificuldades na deteccao e medicao dos
inter-harmonicos com precisao aceitavel (LI, 2003).
Os Inter-harmonicos sao uma classificacao relativamente nova de distorcao de
no sistema de energia (KEY; MANSOOR, 2000) e atualmente nao aparentam
ser o maior problema, mas ha indicacoes que os nıveis de inter-harmonicos
estao crescendo devido a proliferacao emergente de conversores de frequencia e
equipamentos de controle similares (EURELETRIC, 2003).
Ainda segundo a EURELETRIC (2003), alguns indicativos de valores de
inter-harmonicos sao dados pela IEC/EN61000-2-2 (2002), porem nao existem
nıveis normatizados ou valores limites para os inter-harmonicos.
Na Figura 16 pode-se verificar a onda no tempo e seu espectro, atraves do uso da
Transformada Rapida de Fourier (FFT - Fast Fourier Transform) . Verifica-se
que devido as frequencias nao-multiplas da fundamental, a onda nao se repete a
cada ciclo da fundamental. Isto se deve ao fato de que estes nao terminam seu
perıodo exatamente no momento em que a frequencia fundamental. Sendo assim,
a FFT nao se faz precisa para um pequeno numero de ciclos para o calculo dos
inter-harmonicos.
Segundo Li, Xu e Tayjasanant (2003), existem quatro regras para detectar
os inter-harmonicos:
30
0 50 100 150−200
−100
0
100
200X: 66.59Y: 156.3
X: 107.9Y: −149.9
t (ms)
% V
pico
0 100 200 300 400 500 6000
50
100
150
X: 60Y: 100.2
X: 198Y: 30.07
X: 330Y: 34.92
X: 420Y: 9.85
f (Hz)
% V
pico
Figura 16: Uso da FFT para encontrar os inter-harmonicos.
(a) Se a amplitude do sinal parece modulada, e bastante provavel que este con-
tenha inter-harmonicos (Figura 17);
(b) Se os inter-harmonicos existem, o espectro da tensao e da corrente devem
apresentar correlacao;
(c) Os inter-harmonicos geralmente coexistem com os harmonicos;
(d) Usar janelas grandes para deteccao dos inter-harmonicos para o calculo da
FFT.
4. Recortes na Tensao: (Notching): Os recortes na tensao sao disturbios de tensao
periodicos causados pela operacao normal de dispositivos eletronicos de potencia
quando a corrente e comutada de uma fase para outra.
Os entalhes na tensao representam um caso especial que cai entre transientes
e distorcoes harmonicas. Como os entalhes ocorrem continuamente (regime
permanente), eles podem ser caracterizados atraves de seu conteudo espectral
da tensao afetada. Contudo, as componentes de frequencias associadas com
os entalhes podem ser tao altas tal que medidores normalmente utilizados nao
possam le-las. Os conversores trifasicos que produzem continuamente corrente
contınua sao a maior causa de entalhes na tensao (veja Figura 18).
Os entalhes ou dentes ocorrem quando a corrente comuta de uma fase para
outra. Durante este perıodo, ha um curto circuito momentaneo entre duas
fases. A severidade do dente em qualquer ponto no sistema e determinado pela
31
0 200 400 600 800 1000−200
−100
0
100
200
Tempo (ms)
Ten
são
(%)
0 100 200 300 400 5000
40
80
120
X: 60Y: 100
X: 180Y: 20.02 X: 198
Y: 14.97
X: 330Y: 19.92
X: 420Y: 4.961
Freqüência (Hz)
Ten
são
(%)
Figura 17: Sinal com harmonicos e inter-harmonicos.
indutancia da fonte e indutancia de isolacao entre o conversor e o ponto a ser
monitorado.
70 75 80 85 90 95 100−400
−300
−200
−100
0
100
200
300
400
Tempo (ms)
Ten
são
(V)
entalheentalhe
entalhe
entalhe
Figura 18: Exemplo de entalhe de tensao (notching) causado por um retificadortrifasico.
32
5. Ruıdos (noise): O ruıdo e um sinal eletrico indesejado com uma larga banda de
conteudo espectral abaixo dos 200 kHz sobreposta a tensao do sistema ou cor-
rente nos condutores. Os ruıdos no sistema podem ser causados por dispositivos
eletronicos, circuitos de controle, equipamentos a arco, cargas com retificado-
res a estado solido ou fontes de tensao chaveadas. Os problemas de ruıdos sao
frequentemente exacerbados por maus aterramentos. Basicamente, o ruıdo con-
siste de qualquer distorcao indesejada na frequencia fundamental do sistema que
nao possa ser classificada como distorcao harmonica ou transientes. A faixa de
frequencia e o nıvel de magnitude do ruıdo dependem de sua fonte e das carac-
terısticas do sistema. Uma magnitude tıpica do ruıdo e menos de 1% da magni-
tude da tensao do sistema. O ruıdo perturba dispositivos eletronicos tais como
microcomputadores e controladores programaveis. O problema pode ser minimi-
zado pelo uso de filtros, transformadores de isolacao e alguns condicionadores de
linha.
2.1.2.6 Flutuacoes de Tensao (Voltage Fluctuations)
Flutuacoes de Tensao sao variacoes sistematicas do envelope da tensao ou uma
serie de mudancas aleatorias na tensao. A magnitude destas normalmente nao excede
a faixa de tensao especificada pela ANSI C84.1 de 0,9 a 1,1 pu (DUGAN, 2002).
A IEC 61000-2-1 define varios tipos de flutuacoes de tensao. Nos restringiremos
nossa discussao aqui para a IEC 61000-2-1 Tipo (d) flutuacoes de tensao, as quais sao
caracterizadas por uma serie de aleatorios ou contınuas flutuacoes de tensao. Qual-
quer carga que tem variacoes significativas de corrente, especificamente a componente
reativa, pode causar flutuacoes de tensao. Cargas que exibem variacoes contınuas, va-
riacoes rapidas na corrente de carga podem causar variacoes de tensao, erroneamente
referido como efeito flicker. O termo flicker (cintilacao) e derivado do impacto da
flutuacao de tensao na intensidade luminosa. A flutuacao de tensao e a resposta do
sistema as variacoes de carga e a cintilacao da luz e a resposta da iluminacao do sis-
tema observada por um olho humano. O sistema de potencia, o sistema de iluminacao
e a resposta humana sao todas variaveis. Embora haja uma clara distincao entre estes
termos (causa e efeito), eles sao frequentemente confundidos ao ponto do termo voltage
flicker (cintilacao de tensao) ser usado em alguns documentos. Os fornos a arco sao a
causa mais comum de flutuacoes de tensao no sistema de transmissao e distribuicao.
As flutuacoes de tensao sao definidas pelo seus valores eficazes expressados como per-
centual da tensao fundamental. O efeito de cintilacao luminosa e medido com respeito
a sensibilidade do olho humano. Um exemplo de forma de onda que produz o efeito de
33
cintilacao luminosa e mostrado na Figura 19.
0 0.1 0.2 0.3 0.4−400
−300
−200
−100
0
100
200
300
400
Tempo (s)
Ten
são
(V)
Figura 19: Exemplo de flutuacao de tensao.
2.1.2.7 Variacoes Momentaneas de Frequencia (Power Frequency Variati-
ons)
Sao pequenos desvios momentaneos do valor da frequencia fundamental da tensao
decorrentes do desequilıbrio entre a geracao da energia eletrica e a demanda solicitada
pela carga. A sua duracao e magnitude dependem essencialmente da dimensao do
desequilıbrio ocorrido, da caracterıstica dinamica da carga e do tempo de resposta do
sistema de geracao as variacoes de potencia. Segundo o ONS () e a Duke (2006) o
maximo desvio de frequencia para que a energia seja considerada de boa qualidade e
de 0, 5 Hz.
2.2 Qualidade do Servico (Continuidade do
Servico)
A continuidade do fornecimento e, em geral, avaliada pelas empresas de distribuicao,
a partir das ocorrencias na rede de distribuicao. Por exemplo, uma determinada falha
em dado equipamento da rede pode causar a interrupcao de varios consumidores. A
34
contabilizacao da qualidade do servico a estes consumidores ou relacionada a este sis-
tema de distribuicao e avaliada apos um determinado perıodo, em geral, mensalmente,
trimestralmente ou anualmente.
No sistema da Figura 20 estao apresentados dois circuitos primarios: o circuito
em analise e o circuito que o socorre quando de contingencias. Alem disso, estao
representados: os disjuntores, D, na saıda da SE, chave de protecao, P, chave fusıveis, F,
na saıda dos ramais, chave de posicionamento, NF, que opera na condicao normalmente
fechada, e chave de socorro entre os dois circuitos, NA, que opera na condicao normal
aberta. No caso de ocorrer, num instante t0, um defeito no trecho 01-04, poderia ter-se
a seguinte sequencia de eventos:
1. O disjuntor do circuito em analise, D, atua desenergizando todo o circuito.
2. A equipe de manutencao percorre o alimentador identificando o ponto de defeito
e, em seguida, abre a chave de protecao P isolando o trecho com defeito.
3. Fecha no instante t1 a chave de socorro, NA, restabelecendo o suprimento aos
consumidores a jusante da barra 04.
4. Procede ao reparo do defeito e, ato tempo t2, termino do reparo, abre a chave
NA, fecha a chave de protecao, P, e liga o disjuntor, restabelecendo o suprimento
de todo o alimentador.
Assim, nesta contingencia tem-se:
1. No intervalo de tempo ∆t1 = t1− t0, a interrupcao do suprimento a 140 consumi-
dores e a potencia instalada nao atendida foi de 5, 4 MVA (consumidores de todo
o circuito).
2. No intervalo ∆t2 = t2 − t1, a interrupcao do suprimento a consumidores e a
potencia instalada nao atendida foi de 2, 0 MVA (consumidores e cargas no trecho
03-04).
Para possıveis defeitos nos demais trechos do circuito, ter-se-ia condicoes analogas,
ou seja, a cada interrupcao no fornecimento de energia por manutencao, seja ela pre-
ventiva ou corretiva, pode-se determinar o tempo em que a energia nao foi distribuıda,
o numero de consumidores atingidos pela interrupcao e a demanda nao atendida.
Assim, definindo-se as seguintes variaveis:
35
Cai, numero de consumidores atingidos na interrupcao “i”;
Cs, numero total de consumidores existentes na area de estudo;
ti, duracao da interrupcao de suprimento “i”;
Pi, demanda nao atendida na contingencia “i”;
Ps, demanda total do sistema;
T, perıodo de estudo;
N, numero de ocorrencias no perıodo de estudo.
Figura 20: Rede para analise de interrupcao.
Define-se para um determinado perıodo (ano, semestre, trimestre), os ındices ope-
rativos a seguir:
1. Duracao Equivalente por Consumidor (DEC): exprime o espaco de tempo em
que, em media, cada consumidor na area de estudo ficou privado do fornecimento
de energia eletrica no perıodo considerado. E dado pela expressao:
DEC =
N∑i=1
Cai ti
Cs
(2)
O DEC, que tem dimensao de tempo - usualmente o minuto ou a hora, representa
o tempo que um consumidor medio da area em estudo teve seu fornecimento
interrompido. Sendo o perıodo de analise o ano e a duracao das contingencias em
minutos, representa os minutos que o consumidor medio ficou desligado durante
o ano.
2. Duracao equivalente por Potencia Instalada (Dk): exprime o espaco de tempo em
que, em media, a potencia instalada de cada uma das cargas do conjunto consi-
36
derado ficou privada do fornecimento de energia eletrica no perıodo considerado.
E dado pela equacao:
Dk =
N∑i=1
Ps ti
Ps
(3)
O indicador Dk, que tem dimensao de tempo, representa o tempo medio em
que a potencia instalada na area em estudo teve seu suprimento interrompido.
Este indicador, em algumas empresas de distribuicao e tambem conhecido como
DEP . Seu uso e relacionado a importancia da potencia instalada na gestao do
fornecimento da energia, em contraste a gestao voltada para o consumidor, como
e o caso do DEC.
3. Duracao Media por Consumidor (d): representa o tempo medio de interrupcao
para os consumidores que sofreram interrupcao:
d =
N∑i=1
Cai ti
N∑i=1
Cai
(4)
4. Duracao Media por Potencia Instalada (dk): representa o tempo medio de inter-
rupcao para a potencia instalada que sofreu interrupcao:
dk =
N∑i=1
Pi ti
N∑i=1
Pi
(5)
5. Frequencia Equivalente de Interrupcao por Consumidor (FEC): exprime o
numero de interrupcoes que, em media, cada consumidor considerado sofreu no
perıodo considerado:
FEC =
N∑i=1
Cai
Cs
(6)
Destaca-se que este parametro e adimensional, representando o numero de inter-
rupcoes sofridas pelo consumidor medio da area em estudo no perıodo conside-
rado:
6. Frequencia Equivalente de Interrupcao por Potencia Instalada (fk): representa o
37
numero de interrupcoes sofridas pela potencia media instalada na area:
fk =
N∑i=1
Pi
Ps
(7)
7. Confiabilidade por Consumidor (C): e a relacao dos consumidores × horas efeti-
vamente atendidos no perıodo e o total de consumidores × horas na hipotese de
nao haver contingencias no perıodo:
C =
Cs T −N∑
i=1
Cai ti
Cs T= 1 − DEC
T(8)
8. Confiabilidade por Potencia (Ck): e a relacao entre a energia efetivamente for-
necida a potencia instalada e a que seria fornecida na hipotese de nao haver
contingencias:
Ck =
Ps T −N∑
i=1
Pi ti
Ps T= 1 − Dk
T(9)
9. Energia Nao Distribuıda (END): e a energia nao fornecida aos consumidores (ou
a um consumidor individual) de um sistema, durante um perıodo de observacao
T :
END =N∑
i=1
Pmi ti (10)
onde Pmi corresponde a potencia media que seria fornecida ao sistema durante
a interrupcao i. Conhecidos os fatores tıpicos da carga, podemos relacionar a
potencia media com a potencia instalada, isto e:
Pmi = fcarga Pmaxi= fcarga fdem Pi (11)
e assumindo-se os fatores de carga, fcarga, e de demanda, fdem, constantes para
todas as composicoes de consumidores em cada contingencia i, temos, a partir
da 3, a seguinte relacao da END com DEP (ou Dk):
END =N∑
i=1
Pmi ti = fcarga fdeman
N∑i=1
Pi ti = fcarga fdem Ps DEP (12)
Observa-se que todos os indicadores da operacao da rede, apresentados anterior-
mente, representam valores medios ou coletivos de uma area de estudo.
38
A tıtulo de exemplo, seja uma area que conta com 100.000 consumidores e, durante
um ano, 100 desses consumidores sofreram 100 horas de interrupcao, ou seja, 6.000
minutos de interrupcao no ano. Nessas condicoes o DEC sera dado por:
DEC =100× 6.000
100.000= 6 min (13)
Isto e, o DEC global da area, de 6 minutos/ano, esta aparentemente muito bom.
Porem, os 100 consumidores que sofreram interrupcoes, ficaram durante 1,14% do ano
sem fornecimento de energia. A duracao media por consumidor exprime melhor o
desempenho da rede no atendimento aos consumidores:
d =100× 6.000
100= 6.000 min (14)
Para um melhor controle da qualidade de servico das empresas de distribuicao, a
ANEEL (Agencia Nacional de Energia Eletrica) no uso de suas atribuicoes emitiu a
resolucao n 24, de 27 de janeiro de 2000, que teve por finalidade rever, atualizar e
consolidar as disposicoes referentes a continuidade da distribuicao da energia eletrica
definidas pela Portaria 046 de 1978, ainda do DNAEE (Departamento Nacional de
Aguas e Energia Eletrica).
Um dos conceitos introduzidos nesta resolucao diz respeito ao Conjunto de Unida-
des Consumidoras, que representa “...qualquer agrupamento de unidades consumido-
ras, global ou parcial, de uma mesma area de concessao de distribuicao, definido pela
concessionaria ou permissionaria e aprovado pela ANEEL”.
A ideia de definicao de um conjunto parte da suposicao que agrupamentos de con-
sumidores, principalmente em areas contıguas, devem ter seu nıvel de qualidade de
servico estabelecido em funcao de caracterısticas fısicas da rede (por exemplo: ex-
tensao da rede, area de cobertura, etc.) e de caracterısticas do mercado de energia (por
exemplo: potencia instalada, consumo medio, etc.). Isto ficara mais claro quando forem
tecidos comentarios sobre as metas estabelecidas para os indicadores de continuidade
de servico de cada conjunto de uma empresa (KAGAN, 2005).
Outra caracterıstica importante consiste na necessidade de se ter um controle maior
sobre cada consumidor, o que e difıcil realizar atraves de indicadores coletivos, como
e o caso do DEC ou FEC, definidos anteriormente. Desta forma sao definidos tres
indicadores importantes, relacionados a duracao e a frequencia de interrupcoes de um
dado consumidor:
1. Duracao de Interrupcao Individual por Unidade Consumidora (DIC): Intervalo
39
de tempo que, no perıodo de observacao, em cada unidade consumidora ocorreu
descontinuidade da distribuicao da energia eletrica:
DIC =N∑
i=1
ti (15)
2. Frequencia de Interrupcao Individual por Unidade Consumidora (FIC): Numero
de interrupcoes ocorridas, no perıodo de observacao e, cada unidade consumidora:
FIC = N (16)
3. Duracao Maxima de Interrupcao Contınua por Unidade Consumidora (DMIC):
Tempo maximo de interrupcao contınua, da distribuicao de energia eletrica, para
uma unidade consumidora qualquer:
DMIC = maxi=1,...,i(ti) (17)
A ANEEL (2005) estabelece uma relacao direta entre as metas de indicadores
coletivos e indicadores individuais. A partir deste ano (2005), caso um consumidor
tenha sua meta de indicador individual transgredida, este tera o ressarcimento direto
em sua conta de energia. O valor a ser ressarcido esta determinado pela Equacao 18:
Penalidade =
(DICV
DICP
− 1
)DICP
CM
730kei (18)
onde:
• DICV , corresponde ao valor da duracao de interrupcao individual verificado no
perıodo;
• DICP , corresponde ao valor da duracao de interrupcao individual previsto
(meta);
• CM , corresponde a media aritmetica do valor das faturas mensais do consu-
midor afetado relativas as tarifas de uso, referentes aos tres meses anteriores a
ocorrencia;
• kei, coeficiente de majoracao, que pode variar entre 10 e 50, e cujo valor podera
ser alterado pela ANEEL a cada revisao ordinaria das tarifas.
40
2.3 Tipos de Equipamentos para Monitoracao de
Qualidade de Energia
2.3.1 Multımetros
Depois de testes iniciais de integridade de fiacao, faz-se tambem necessario fazer
checagens rapidas dos nıveis de tensao e corrente dentro do estabelecimento. Sobre-
cargas de circuitos, problemas de sub ou sobretensao e desbalanceamentos podem ser
detectados desta maneira. Estas medidas requerem somente simples multımetros. Os
sinais a serem checados sao:
• tensoes fase-terra;
• tensoes fase-neutro;
• tensao neutro-terra;
• tensao fase-fase;
• correntes de linha;
• correntes de neutro.
O fator mais importante a considerar quando do uso e selecao do multımetro e o
metodo de calculo usado por ele para medicao. Todos os medidores comumente usados
sao calibrados para fornecer o valor eficaz para um sinal medido. Contudo, um numero
de diferentes metodos sao usados para calcular o valor eficaz. Os tres metodos mais
comuns sao (MERLHORN; MCGRANAGHAN, 1995):
1. Metodo do Pico (Peak Method): O medidor le o pico do sinal e divide o resultado
por√
2;
2. Metodo da Media (Averaging Method): O medidor determina o valor da media
de um sinal retificado. Para um sinal puramente senoidal, o valor eficaz a partir
do valor medio e encontrado multiplicando-o por π2√
2;
3. RMS Verdadeiro (True RMS ): O valor eficaz (rms) de um sinal alternado e o
valor equivalente de um sinal contınuo que se ligado a uma carga resistiva geraria
a mesma energia termica. Um dos metodos de detectar o valor rms verdadeiro e
o uso de detectores termicos para medir o calor. Os equipamentos mais modernos
usam um calculo digital para a medida deste valor elevando ao quadrado o sinal
41
Tabela 8: Comparativo de leitura entre metodos de leitura de multımetros
Tipo de
Medidor
Método
AplicadoOnda Seno
Onda
Quadarada
Onda
DistorcidaDimmer
Onda
Triangular
Pico 100% 82% 184% 113% 121%
Média 100% 110% 60% 84% 96%
True RMS Conversor
RMS100% 100% 100% 100% 100%
2
picoV
2 2
π
2
picoV
2 2
π
sobre uma amostra, tirando a media do perıodo e, finalmente, calculando a raiz
quadrada deste resultado (definicao de valor eficaz).
Todos estes diferentes metodos nos fornecem o mesmo resultado para uma onda
puramente senoidal, mas podem ser bastante diferentes para sinais distorcidos. A
Tabela 8 ilustra melhor este ponto.
2.3.2 Osciloscopios
Um osciloscopio e de grande valia quando estamos executando testes em tempo real.
Olhando para as formas de onda de tensao e corrente nos podemos verificar o que esta
acontecendo, mesmo sem executar analises detalhadas da forma de onda. Nos podemos
obter as magnitudes de tensao e corrente, a distorcao mais aparente e detectar maiores
variacoes nos sinais.
Ha varios tipos e modelos de osciloscopios que podemos escolher. Um osciloscopio
digital com armazenagem de dados e de grande valia porque a forma de onda pode ser
salva para posterior analise. Os osciloscopios desta categoria fazem analise da forma
de onda tais como valor eficaz e espectro. Os osciloscopios digitais podem ainda se
comunicar com um PC para fazer upload dos dados para realizar analises mais apuradas
neste (TEKTRONIX, 2005).
2.3.3 Analisadores de Disturbios
Os analisadores de disturbio sao monitores de perturbacoes provenientes de uma
categoria de instrumentos os quais tem sido desenvolvidos especificamente para medidas
42
de qualidade de energia. Eles tipicamente podem medir uma grande variedade de
perturbacoes no sistema desde transientes de duracao muito curta ate variacoes de
longa duracao.
Existem basicamente duas categorias destes equipamentos (MERLHORN; MCGRA-
NAGHAN, 1995):
1. Analisadores Convencionais: que sumarizam eventos com informacoes especıficas
tais como sob/subtensao, sags/swells e duracao, transientes e duracao, etc;
2. Analisadores Graficos: que salvam e imprimem a forma de onda ao longo do
tempo com as descricoes das informacoes as quais seriam geradas por um medidor
convencional.
Alguns analisadores de disturbio requerem uma taxa de leitura bastante lenta de
tensao e/ou corrente. Por outro lado, algumas aplicacoes requerem uma taxa de leitura
bastante alta destas grandezas. Este e o caso de quando precisamos detectar transientes
de alta frequencia que pode ser a fonte potencial de problemas. Equipamentos deste
nıvel de sofisticacao devem detectar e coletar dados tais como swells, sags, transientes,
erros de frequencia, ruıdo eletrico, distorcao, notching entre outros.
Os fatores que determinam a propria tecnica de medida nao somente inclui a pre-
cisao, faixa dinamica e resposta em frequencia, mas tambem como os dados sao proces-
sados e apresentados. Um exemplo, e a transformada Rapida de Fourier (FFT - Fast
Fourier Transform) aplicada a captura de um evento (IEEE1159, 1995).
E frequentemente difıcil determinar as caracterısticas de um disturbio ou um transi-
ente oriundo de uma informacao sumarizada disponıvel em um analisador convencional
de disturbios. Por exemplo, um transiente oscilatorio nao pode ser efetivamente des-
crito por seu pico e duracao. No entanto, e quase imperativo ter-se a capacidade de
captura da forma de onda em um analisador de disturbios para analise detalhada de
um problema de QEE (Figura 21). Contudo, um analisador de disturbios conven-
cional e de grande valida para checagens iniciais no local do problema (MERLHORN;
MCGRANAGHAN, 1995; GOLKAR, 2005).
2.3.4 Analisadores de Espectro e Analisadores de Harmonicas
Muitos instrumentos e equipamentos de monitoracao agora ja possuem a capacidade
de amostrar as formas de onda e calcular a FFT. Esta caracterıstica destes instrumentos
varia amplamente e os usuarios finais devem ser cuidadosos que a informacao e precisao
43
Figura 21: Saıda de um Analisador Grafico
obtidas e adequada para a investigacao. Alguns requisitos basicos para medicoes de
harmonicas sao utilizados para investigar o problema (MERLHORN; MCGRANAGHAN,
1995; GOLKAR, 2005):
• Capacidade de medir tensao e corrente simultaneamente para que o fluxo de
potencia harmonica possa ser obtido;
• Capacidade de medir magnitude e fase das componentes individuais de tensao e
corrente (tambem necessaria para o calculo do fluxo de potencia harmonico);
• Sincronizacao e uma alta taxa de amostragem para medicao precisa de compo-
nentes harmonicas ate pelo menos a 37◦;
• Capacidade de caracterizar a natureza estatıstica dos nıveis de distorcoes
harmonicas (os nıveis harmonicos variam com a carga aplicada e condicoes do
sistema).
2.3.5 Combinacao de Analisadores de Disturbios e
Harmonicos
Os equipamentos mais recentes combinam amostragem limitada de harmonicos e
funcoes de monitoracao de grandezas eletricas com tambem completa monitoracao de
disturbios (Figura 22). Os dados sao reunidos e enviados pela linha telefonica ate uma
central para posteriores analises estatısticas (MERLHORN; MCGRANAGHAN, 1995).
44
0 5 10 15 20 25 30−400
−200
0
200
400Tensão X Tempo
Tempo (ms)
Ten
sao
(VA)
0 200 400 600 800 10000
100
200
300
400Tensão X Freqüencia
Frqüência (Hz)
Ten
sao
(VA)
Fase A:10/out/ 200514:39hDHT
V = 20%
Figura 22: Saıda de um Analisador Grafico
2.3.6 Medidores Inteligentes de Qualidade de Energia
Todos os medidores de qualidade de energia anteriormente descritos sao projetados
para coletar dados. Alguns instrumentos podem enviar dados atraves de um meio fısico
para uma central de processamento para analises e interpretacoes. Contudo, uma ca-
racterıstica comum destes equipamentos e que estes nao tem a capabilidade de analise,
interpretacao e determinar o que esta acontecendo no sistema. Eles simplesmente gra-
vam e transmitem para uma central para posterior processamento (SANTOSO, 2000;
BRINGHAM, 1995).
Uma tendencia pratica de monitoracao de qualidade de energia esta emergindo,
onde o medidor processa os dados individualmente. Para tal, um nova producao de
medidores de qualidade de energia foi desenvolvida com sistemas inteligentes integrados
para atender este novo desafio. Neste tipo de monitorador de QEE a informacao e
diretamente criada dentro do instrumento e imediatamente disponibilizada aos usuarios
(DUGAN, 2002).
A identificacao do tipo de problema de QEE a partir das formas de onda requer
grande experiencia do profissional da area. Para este profissional, os eventos podem
ser caracterizados com certa facilidade; contudo, identificar grandes quantidades de
problemas pode ser tedioso, sujeito a erros de natureza humana, nao pratico e custoso
(SANTOSO, 2000).
45
Segundo Ananth e Morcos (1999), a analise dos dados em tempo real (Medido-
res Inteligentes) pode ser utilizada junto com o monitoramento contınuo para reduzir
o espaco requerido para armazenamento, alem de prover uma rapida percepcao do que
esta acontecendo no sistema.
Um tipo de monitoracao inteligente de QEE foi desenvolvida pela Electrotek
(2005), Dranetz-BMI (2005), EPRI (2005) e a TVA (2005). O sistema e mos-
trado na Figura 23, o qual possui as caracterısticas de rapida disseminacao da in-
formacao via tecnologia de internet, e-mails, pagers, e faxes. O sistema consiste de
uma aquisicao de dados, agregacao de dados, comunicacao, visualizacao Web e compo-
nentes de gerenciamento empresarial.
A componente de aquisicao de dados (NodoDados) e projetada para medir a tensao
e corrente instantaneas do sistema. A agregacao de dados, comunicacao, visualizacao
Web e componentes de gerenciamento empresarial sao executados por um sistema de
computador chamado NodoInfo. A comunicacao entre o dispositivo de aquisicao de
dados e o NodoInfo e realizado atraves de serial RS-232/485/422 ou ethernet usando
protocolos industriais padrao (UCA MMS e Modbus). Um ou mais dispositivos de
aquisicao de dados, ou NodoDados podem ser conectados ao NodoInfo (DUGAN, 2002).
NodoInfo
NodoDados
Browsers Web
Figura 23: Sistema de Medicao de QEE Inteligente.
O NodoInfo tem seu proprio firmware que governa toda a funcionalidade do sistema
de monitoramento. Ele age como um gerenciador de base de dados e servidor web;
qualquer usuario conectado a internet pode acessar dados e resultados de suas analises
gravados em sua memoria.
O sistema de monitoramento suporta o protocolo de transferencia de arquivo padrao
(FTP - File Transfer Protocol). Por esta razao, uma base de dados pode ser manual-
mente arquivada via FTP simplesmente copiando-a desta base de dados para um PC
via rede ou modem.
46
2.4 Normas de Monitoracao de Qualidade de
Energia
A padronizacao e muito importante na monitoracao da QEE. Os nıveis de QEE
devem estar definidos de forma consistente e caracterizados atraves do uso de mesmos
metodos quando comparados de um local para outro ou de um sistema para outro.
A IEEE1159 e a Forca Tarefa do IEEE que coordena o desenvolvimento da nor-
matizacao da qualidade de energia. A IEEE1159 atual fornece diretrizes gerais para
monitoramento da qualidade de energia, e existem diferentes Forcas Tarefas que estao
trabalhando em diretrizes e exigencias mais especıficas. Boa parte deste trabalho esta
sendo coordenada juntamente com atividades do IEC, de forma que os requisitos pos-
sam ser mais consistentes internacionalmente (DUGAN, 2002).
2.4.1 IEEE 1159: Guia para Monitoracao de Qualidade de
Energia
A IEEE1159 (1995) desenvolveu diretrizes gerais para a medicao de QEE e fornece
padronizacao de definicoes para diferentes categorias de problemas com a QEE (vide
secoes 2.1.1 e 2.1.2). Os equipamentos medidores de QEE devem usar esta linguagem
para diferenciar corretamente os mais diversos tipos de perturbacoes.
Apos a publicacao dessas diretrizes basicas, tres grupos de trabalho foram estabe-
lecidos para desenvolvimento de guias para monitoracao da QEE e seu progresso pode
ser acompanhado no site http://grouper.ieee.org/groups/1159/.
O grupo IEEE1159.1 esta desenvolvendo diretrizes de exigencias de instrumentacao
associados aos diferentes tipos de fenomenos associados a QEE. Estas exigencias sao
no sentido de recomendar a taxa de amostragem exigida, sincronismo, precisao do
conversor A/D e numero de amostras por ciclo.
O grupo IEEE1159.2 esta desenvolvendo diretrizes diferentes fenomenos relaciona-
dos a QEE. Isto inclui a definicao de importantes caracterısticas que podem relatar
impactos das variacoes da QEE (tal como magnitude mınima, duracao, deslocamento
de fase,etc.).
O grupo IEEE1159.3 esta definindo o formato de troca eletronica de dados que
devem ser usados para troca de informacoes entre monitoradores de QEE em diferentes
aplicacoes.
47
Recentemente, o trabalho dos grupos da IEEE1159.1 e 1159.2 foram combinados em
uma unica forca tarefa e tem sido coordenado no sentido de desenvolver um padrao in-
ternacional para caracterizacao de variacoes na QEE com equipamentos monitoradores
(IEC61000-4-30, ) (veja secao 2.4.2).
2.4.2 IEC 6100-4-30: Testes de Tecnicas de Medicao -
Metodos de Medicao de Qualidade de Energia
As normas IEC para monitoracao de QEE estao disponıveis em uma serie de docu-
mentos com os numero 61000-x-xx. As normas individuais nesta serie cobrem requisitos
especıficos para cada tipo de problema relacionado a QEE. Por exemplo, a IEC61000-4-
7 fornece as recomendacoes para monitoramento de distorcoes harmonicas, a IEC61000-
4-15 fornece as recomendacoes para monitoramento da cintilacao luminosa e assim por
diante. Os requisitos globais para caracterizacao dos fenomenos relacionados a QEE
estao descritos resumidamente em uma nova norma que esta a pouco sendo completada
na IEC (61000-4-30). Esta nova norma usa como referencia as antigas (como 61000-4-7
e 61000-4-15) para especificacoes detalhadas quando necessario (DUGAN, 2002).
Esta norma fornece os requisitos necessarios para os procedimentos de medicao
bem como da precisao dos equipamentos. Nem todo equipamento de monitoracao esta
de acordo exatamente com os requisitos desta norma, sendo assim, duas classes de
medidores foram definidas, de acordo com sua precisao:
• Classe A: sao medidores de extrema precisao, normalmente utilizados em labo-
ratorios em aplicacoes especiais onde resultados de alta precisao se fazem ne-
cessarios;
• Classe B: apropriados para a maioria dos sistemas, porem com precisao menor
do que a dos equipamentos de classe A.
O trabalho realizado pelo IEC61000-4-30 esta tambem se tornando base para atu-
alizacoes e enriquecimentos para as normas IEEE1159. Esta e parte de uma tendencia
em direcao a internacionalizacao das normas no que se refere a QEE.
2.5 Fator de Potencia e Qualidade de Energia
As definicoes aqui apresentadas foram extraıdas da referencia Kassick (2000) e
IEEE519 (1992) e adaptadas.
48
2.5.1 Estudo de um Caso
Para melhor entendermos como os problemas de QEE afetam o Fator de Potencia,
principalmente tratando-se de harmonicos, imaginemos o caso de um retificador mo-
nofasico, tal como exposto na Figura 24:
Figura 24: Retificador monofasico
Na Figura 25 pode-se observar o comportamento da tensao e da corrente ao longo
do tempo e os valores medios e eficazes de cada uma.
ientrada = 14, 77Arms
ventrada = 12, 00Vrms
isaida = 13, 45Arms
vsaida = 6, 727Vrms
Ja as potencias ativa e aparente de entrada e saıda sao as seguintes:
Sentrada = 177, 2VA
Pentrada = 101, 7W
Ssaida = 90, 5VA
Psaida = 90, 5W
49
0 20 40 60 80 100−50
0
50
100
X: 26.6Y: 12
X: 42.5Y: 14.78
Tensões e Corrente de Entrada
V(V
); I(
A)
t(ms)
0 20 40 60 80 1000
10
20
X: 34.9Y: 13.45
X: 52.4Y: 6.727
Tensões e Corrente de Saída
V(V
); I(
A)
t(ms)
isaída
vsaída
ieficaz
veficaz
ientrada
ventrada
ieficaz
veficaz
Figura 25: Tensoes e correntes em uma fonte monofasica.
0 20 40 60 80 100−500
0
500
1000
X: 31.6Y: 177.2
X: 49.4Y: 101.7
X: 10.7Y: 611.8
Potências de Entrada
P(W
); S
(VA
)
t(ms)
pentrada
pmédia
peficaz
0 20 40 60 80 1000
50
100
150
X: 33.75Y: 90.5
X: 12.55Y: 117.9
X: 52.28Y: 63.01
Potências de Saída
P(W
); S
(VA
)
t(ms)
psaída
pmédia
peficaz
Figura 26: Potencias em uma fonte monofasica.
que resultam nos seguintes Fatores de Potencia:
50
FPentrada = 0, 574
FPsaida = 1
Chega-se a conclusao que o Fator de Potencia e a quantidade de potencia consumida
pela carga com relacao a disponıvel pela fonte de tensao.
Isto fica mais claro quando examinamos o caso de alimentarmos uma carga tal
como a mostrada na Figura 24, ou seja, no momento de bloqueio dos diodos , nao
ha transporte de potencia da fonte para a carga, mesmo esta estando disponıvel. Em
outras palavras: o circuito nao aproveita 100% da potencia disponibilizada pela fonte,
o que reduz o fator de potencia.
2.5.2 Fator de Deslocamento e de Distorcao
Por definicao, Fator de Potencia e o quociente entre a potencia media P em [W] e
a potencia aparente S = Vef × Ief em [VA], onde os valores eficazes Vef e Ief sao totais,
isto e, incluem a fundamental e todas as harmonicas (se houver componentes CC estas
tambem estarao incluıdas no calculo de P e S).
FP =P
S=
P
Vef × Ief
(19)
Aplicando-se a definicao de valor medio e valor eficaz de funcoes, obtem-se a ex-
pressao para a potencia media P (numerador de 19) e as expressoes do valor eficaz da
tensao e da corrente (denominador de 20).
FP =
1T
t0+T∫t0
v (t) i (t) dt
√1T
t0+T∫t0
v2 (t) dt
√1T
t0+T∫t0
i2 (t) dt
(20)
A tensao e a corrente expressas por serie de Fourier tomam a forma apresentada
pelas Equacoes(21) e (22) respectivamente.
51
v(t) = VCC +√
2V1ef cos(1× 2πft + θV 1) +
+√
2V2ef cos (2× 2πft + θI2) + (21)
+√
2V3ef cos (3× 2πft + θV 3) + ...
onde:
• VCC e a componente de tensao contınua;
• Vief e a componente de tensao eficaz do harmonico i;
• θV i e o angulo do fasor da tensao de ordem harmonico i.
i(t) = ICC +√
2I1ef cos(1× 2πft + θI1) +
+√
2I2ef cos (2× 2πft + θI2) + (22)
+√
2I3ef cos (3× 2πft + θI3) + ...
onde:
• ICC e a componente de corrente contınua;
• Iief e a componente de corrente eficaz do harmonico i;
• θIi e o angulo do fasor da corrente de ordem harmonico i.
Efetuando as operacoes indicadas em (20), utilizando as funcoes genericas dadas por
(21) e (22), resulta a expressao generica (23) para o Fator de Potencia FP, valido para
qualquer tipo de circuito (linear ou nao-linear) e qualquer tipo de tensao e corrente.
FP =VCCICC + V1efI1ef cos (θV 1 − θI1) + V2efI2ef cos (θV 2 − θI2) + ...√
V 2CC + V 2
1ef + V 22ef + V 2
3ef ×√
I2CC + I2
1ef + I22ef + I2
3ef + ...(23)
A expressao (23) abriga todos os casos particulares possıveis, sendo os mais comuns:
52
1. Circuito linear em Corrente Continua (ausencia de componentes CA): caracteri-
zando fator de potencia sempre unitario.
FP =VCCICC
(VCC)× (ICC)(24)
2. Circuito linear em Corrente Alternada (ausencia de componentes CC e
harmonicas): neste caso o Fator de Potencia FP confunde-se com o Fator de
Deslocamento FDesl, onde
varphi1 e o angulo de defasagem entre a tensao e a corrente (Equacao 25).
FP =V1efI1ef cos (θV 1 − θI1)
(V1ef )× (I1ef )= cos (θV 1 − θI1) = cos (ϕ1) (25)
3. Circuito nao-linear em Corrente Alternada, com fonte de tensao CA ideal (tensao
isenta de harmonicas e componente CC):
FP =V1efI1ef cos (θV 1 − θI1)
V1ef ×√
I2CC + I2
1ef + I22ef + I2
3ef + ...
=I1ef cos (θV 1 − θI1)√
I2CC + I2
1ef + I22ef + I2
3ef + ...(26)
que ainda pode ser reescrita como:
FP =I1ef cos (ϕ1)√
I2CC + I2
1ef + I22ef + I2
3ef + ...
=cos (ϕ1)√1 + THD2
I
(27)
=FDesl√
1 + THD2I
Definindo o Fator de Distorcao da corrente FDistI e a distorcao harmonica total
de corrente THDI conforme Equacoes (28) e (29) respectivamente, e substituindo
na expressao (27) obtem-se o Fator de Potencia como produto do Fator de Deslo-
camento (= cos ϕ1) e o Fator de Distorcao da corrente, apresentado na expressao
(30):
FDistI =1√
1 + THD2I
(28)
53
THDI =
√I22ef + I2
3ef + I24ef + I2
5ef ...
I1ef
(29)
FP = FDesl × FDistI (30)
4. Circuito nao-linear em Corrente Alternada, com fonte de tensao CA isenta de
componente CC:
FP =VCCICC + V1efI1ef cos (θV 1 − θI1) + V2efI2ef cos (θV 2 − θI2) + ...√
V 2CC + V 2
1ef + V 22ef + V 2
3ef ×√
I2CC + I2
1ef + I22ef + I2
3ef + ...(31)
Levando (33) em (31) e apos algumas manipulacoes algebricas, resulta:
FP =I1ef√
I21ef + I2
2ef + I23ef + ...
×
× V1ef√V 2
1ef + V 22ef + V 2
3ef + ...× (32)
×(
S1 cos (ϕ1) + S2 cos (ϕ2) + S3 cos (ϕ3) + ...
S1
)
onde:
• Si cos (ϕi) e a potencia ativa dissipada (Watts) pelos harmonicos de tensao
e corrente de ordem i;
• ϕi e o defasamento angular entre a tensao e a corrente de ordem harmonico
i.
Definindo o Fator de Distorcao da tensao FDistV conforme expressao (33) e
levando ainda a expressao (28) em (34), obtem-se o Fator de Potencia como o
triplo produto envolvendo o Fator de Distorcao da corrente, o Fator de Distorcao
da tensao e o quociente entre a potencia media total e a potencia aparente gerada
pelas componentes fundamentais de tensao e corrente, conforme expresso pelas
expressoes (34) e (35).
FDistV =1√
1 + THD2V
(33)
FP = FDistV × FDistI ×(
P1 + P2 + P3 + ...
S1
)(34)
FP = FDistV × FDistI × FDesl (35)
54
Capıtulo 3
Proposta de um Medidor de QEE
Com a crescente automatizacao dos processos, as industrias estao conseguindo au-
mentar a quantidade e qualidade de seus produtos e ainda reduzindo seus custos, onde
o custo com energia eletrica nao e excecao. Observa-se, principalmente nas ultimas
duas decadas, um alto crescimento de cargas eletronicas (PROCEL, 2001), nas quais as
formas de onda de corrente e tensao nao sao proporcionais, caracterizando uma cargas
nao-lineares. Este tipo de carga gera disturbios (perturbacoes) na Qualidade de Ener-
gia Eletrica (QEE), influenciando cargas vizinhas a esta, inclusive cargas conectadas a
outros circuitos, dependendo da ordem de grandeza do disturbio.
Qualidade de Energia e diferente de confiabilidade, trata-se tambem de duracoes
muito curtas de variacoes de tensao como sags, swells, de distorcoes harmonicas, dese-
quilıbrios, transientes e flickers. Estes podem impactar nas operacoes dos processos dos
clientes, causando mal funcionamento e custos de producao de maquina parada. Para
evitar estes problemas e custos desnecessarios, muitas concessionarias e grandes clien-
tes tem solicitado a instalacao de Monitores de QEE (BADRUL, 2001; MCGRANAGHAN,
2001).
Tanto concessionarias quanto usuarios finais de eletricidade estao ficando cada vez
mais preocupados com a qualidade de energia eletrica. O termo qualidade de energia
e um conceito associado a varios tipos individuais de disturbios eletricos, os quais nao
sao disturbios necessariamente novos. O que e novo e que os engenheiros atualmente
estao mais atentos a tais problemas.
56
3.1 Medidor Proposto versus Medidores do
Mercado
Foram estudados os seguintes equipamentos e respectivos fabricantes do mercado:
1. Dranetz-BMI (DRANETZ-BMI, 2005):
(a) 3100 PQPager;
(b) 658 Power Quality Analyzer;
(c) 7100/7100S;
(d) Power Platform PP1;
(e) PowerGuide 4400;
(f) MeasuringPAD;
(g) Power Platform PP-4300;
(h) PowerXplorer PX5;
(i) PowerXplorer PX5-400;
2. Fluke (FLUKE, 2005):
(a) VR101;
(b) Serie 430;
(c) Gravador multiponto de energia;
(d) Gravadores Portateis de Energia;
3. Embrasul (EMBRASUL, 2005):
(a) RE 6040;
(b) RE 6081;
(c) RV MD2010;
(d) RE 6000;
4. Siemens (SIEMENS, 2005):
(a) 9610 Power Quality Meter
57
Dentre os varios equipamentos pesquisados, verifica-se quase na totalidade a
tendencia de uma taxa de amostragem de 128 amostras/ciclo, o que e tambem adotado
no medidor proposto. Verifica-se que nenhum deles possui processamento dos dados
alem dos apresentados em display em tempo real, ou seja, todos os analisadores acima
citados gravam eventos para posterior analise em um PC atraves de algum tipo de
software.
Pode-se ainda comparar o equipamento proposto com osciloscopios digitais e ana-
lisadores de espectro; onde se chega a conclusoes bastante parecidas. Em ambos os
casos apenas dados sao mostrados, gravados ou graficos Modulo versus Frequencia
instantaneos podem ser vistas.
Tanto para analisadores de QEE dedicados, quanto para osciloscopios e analisado-
res de espectro verifica-se pouca ou nenhuma automaticidade de processamento dos
dados com relacao a QEE no sentido de classificar os eventos segundo algum criterio
(IEEE1159, por exemplo). Junte-se a isso o fato de que com estes equipamentos, sejam
portateis ou nao, pode-se medir grandezas eletricas somente em um ponto da rede a
cada tempo, dificultando uma analise da planta eletrica como um todo naquele mo-
mento. Verifica-se, no entanto, que alguns analisadores de QEE capturam transientes
com uma taxa de amostragem de ate 1µs, resolucao que a proposta deste trabalho nao
contempla.
O que difere o equipamento proposto dos existentes no mercado e o processamento
local da informacao, a consequente reducao da memoria requerida para armazena-
mento dos eventos relacionados a QEE, o custo reduzido e a possibilidade da criacao
de um sistema distribuıdo de medidores, possibilitando encontrar os causadores dos
disturbios (linha externa, cargas locais, relampagos, concessionaria, etc.), bem como
saber o porque e quais as principais causas de falha de equipamentos sensıveis a cada
momento.
Pode-se ainda, a cada instante, determinar o fluxo de potencia dos
harmonicos/inter-harmonicos atraves dos resultados obtidos da FFT em cada ponto
a fim de encontrar a fonte de disturbios (Figuras 27 e 28). As informacoes geradas
pela rede de medidores e o proximo passo para uma manutencao pro-ativa de QEE,
ou seja, instrumentos que nao gravem somente “o acontecido”, mas tambem processem
localmente e informem “o que aconteceu”(BINGHAM, 2005).
Verifica-se na Figura 27 e 28, onde SE = Subestacao, GE = Geracao, S = Servidor
e ET = Estacao de Trabalho, a existencia de um macrossistema e um microssistema.
A aplicabilidade do medidor se da em ambos os casos:
58
Figura 27: Esquema eletrico dos medidores representados pelos pequenos cırculos.
Figura 28: Esquema logico dos medidores.
59
• Macrossistema: considera cada consumidor como uma unica carga; as informacoes
geradas por estes medidores interessa principalmente a concessionaria. E a partir
destas informacoes que novos indicadores de QEE, no que tange a qualidade do
produto, poderao ser criados e medidos. Desta maneira, tanto a concessionaria
quanto o consumidor possuem subsıdios no caso de indenizacoes/multas a serem
cobradas por ambas as partes devido a problemas relativos a QEE. A de medicao
de tamanha grandeza com equipamentos nao-inteligentes geraria uma base de
dados astronomica, o que inviabilizaria a monitoracao proposta.
A concessionaria podera utilizar o referido equipamento na identificacao de
condicoes de ressonancia ou proxima desta de acordo com a variacao de car-
gas e/ou manobra de banco de capacitores. Tambem, devido a sua caracterıstica
eletronica de medicao, o equipamento podera medir o “Fator de Potencia Verda-
deiro”das instalacoes nos diversos consumidores.
• Microssistema: utilizado em sua maioria por grandes consumidores que desejam
um monitoramento local de QEE, principalmente em locais onde se tem cargas
mais sensıveis ou geradoras de perturbacoes. Ele se justifica nos casos em que se
possui processos crıticos onde as paradas ou reativacao da producao sao bastante
custosas, a exemplo de fabricas de papel e de aco.
E possıvel neste tipo de monitoramento descentralizado identificar a causa do
mal funcionamento de determinado dispositivo e, com base nas informacoes por
ele geradas, encontrar solucoes tecnicas mais proximas do ideal de maneira mais
rapida e eficaz e com menor custo. Como exemplo pode-se citar uma simples
realocacao de cargas ao inves da insercao de um filtro para as diversas harmonicas
geradas por determinado equipamento.
O medidor proposto, quando disposto em uma rede, consiste para ambos os casos
(macrossistema e microssistema) em um sistema de monitoramento em tempo real, de
processamento descentralizado e de baixo custo, com menor necessidade de memoria
de massa quando comparado aos existentes hoje no mercado.
O equipamento proposto e baseado em uma arquitetura hierarquica e aberta re-
presentada no diagrama de blocos funcionais da Figura 29. Os diferentes blocos sao
implementados em software ou hardware. A arquitetura e organizada em diversos
blocos independentes, associados a interfaces de sensores e atuadores, comunicacao e
tratamento de memoria. Quando surgem novas demandas de projeto, novos blocos po-
dem ser adicionados, permitindo uma reconfiguracao adequada do dispositivo para cada
tarefa. O medidor proposto esta inserido em um processo de medicao descentralizado
e distribuıdo QQEE, sendo o projeto em funcao de tres requisitos principais:
60
• tamanho da memoria de massa do medidor;
• capacidade de processamento em tempo real; e
• gerenciamento do envio e recebimento de dados.
Figura 29: Diagrama de blocos simplificado do medidor de QEE.
O comprometimento entre memoria e capacidade de processamento e crucial, con-
siderando a complexidade dos algoritmos implementados nos modulos de analise de
QEE.
Os modulos de analise de QEE sao implementados com o auxılio da logica recon-
figuravel e seriam o principal foco deste trabalho. Devido a complexidade de pro-
gramacao em VHDL e o tempo disponıvel para a execucao do trabalho, os algoritmos
que compoem estes modulos foram desenvolvidos e testados (Capıtulo 4) somente no
em software MatLab.
Basicamente, a partir de uma leitura de tensao e corrente monofasicos, deseja-se
determinar as caracterısticas que dizem respeito a QEE no local da medicao.
O modulo de comunicacao e responsavel pela transmissao periodica de relatorios,
bem como pela recepcao de parametros de controle e configuracao do medidor. Um
microcontrolador, que tambem pode ser implementado em logica reconfiguravel, tem a
funcao de gerenciar as informacoes e a comunicacao de dados.
A arquitetura do microcontrolador pode ser projetada especificamente para o medi-
dor ou pode ser utilizada uma arquitetura bem conhecida, como as famılias MCS51 ou
ARM. A memoria nao-volatil e um modulo fundamental, pois uma das especificacoes
do projeto e garantir que somente informacoes que representem distorcoes nos sinais
amostrados sejam armazenadas.
61
3.2 Sistema Distribuıdo de Medidores
Como se pretende medir a QEE atraves da utilizacao de um medidor em cada
unidade consumidora e no alimentador (saıda do transformador) daquele grupo de
cargas, tem-se como resultado um sistema distribuıdo de aquisicao e processamento de
dados no que se refere a QQEE, como representado na Figura 30.
Figura 30: Diagrama de blocos simplificado do medidor de QEE.
Todos os dados dos consumidores residenciais, comerciais ou industriais sao enviados
via rede publica de energia, ate o transformador alimentador, onde estara instalado um
equipamento supervisor e concentrador da area. Os dados seguem via rede publica de
energia ou fibra optica ate a subestacao rebaixadora mais proxima. Da mesma forma,
sao medidas as grandezas eletricas na saıda e na entrada de cada transformador para
posterior envio destes dados a central (PAVLIDOU, 2003).
A transmissao de dados via rede publica de energia apresenta as seguintes vantagens:
• utilizar uma infra-estrutura ja existente, com um potencial de cobertura superior
ao de outras tecnologias de acesso;
• permitir uma instalacao rapida, simples, seletiva e modular, nao exigindo novos
cabos;
• possuir caracterısticas tecnicas e comerciais competitivas.
62
Pela rede sao enviados dados ja processados, reduzindo significativamente o volume
dos mesmos. Os dados sao enviados em um intervalo de tempo limitado somente pela
quantidade de medidores e capacidade de memoria de cada medidor. Cada medidor e
identificado atraves de um endereco IP fixo, que pode ser configurado local ou remo-
tamente. O intuito deste endereco fixo e identificar precisamente o estado, a regiao,
o municıpio, o transformador e a unidade consumidora respectivamente. A parame-
trizacao do medidor pode ser feita de forma remota ou local, sendo possıvel alterar os
seguintes parametros:
• Tempo da Integralizacao das Potencias;
• Tempo da Integralizacao dos Harmonicos;
• Endereco IP;
• Nome do Medidor; e
• Parametros limites considerados para baixa QEE;
• Medicao Mono, Bi ou Trifasica.
A geracao de relatorios visa a apresentacao, tanto local quanto remota de in-
formacoes tais como:
• Energia consumida no perıodo (KWh).
• Fator de Potencia, de Distorcao e de Deslocamento.
• Avaliacao da QEE: A, B, C ou D.
• Maiores sobretensao e subtensao eficaz e em qual instante.
• Quantidade e instantes de problemas relativos a transientes.
• Tempo total que houve problemas com harmonicos/inter-harmonicos e variacoes
na frequencia fundamental.
O nıvel de detalhes dos relatorios e funcao dos parametros configurados no medidor.
63
3.3 Processamento Matematico
Na Figura 31 e apresentada a arvore de funcoes logicas realizadas pelo medi-
dor. Atraves do processamento paralelo de diversas funcoes e possıvel a obtencao
de parametros de qualidade em tempo real, minimizando a base de dados efetivamente
armazenada e posteriormente transmitida. Nas medicoes trifasicas, o mesmo procedi-
mento para as tensoes de fase e correntes de linha e adotado para o calculo da tensao
entre neutro e terra como tambem a corrente de neutro.
A FFT e executada a cada ciclo, o que se justifica pelo fato de que, depois de calcu-
lada, e possıvel detectar muitas grandezas eletricas de interesse, tais como a existencia
de deformacoes na onda e o valor eficaz de tensao e de corrente. Na distincao entre
transientes e harmonicos utiliza-se um acumulador de ciclos. Caso a distorcao ocorra
sucessivamente e durante mais de um numero de ciclos pre-determinado (normalmente
4 ciclos) o problema e considerado como de harmonicos e as informacoes anteriormente
calculadas para transientes sao descartadas.
As potencias, energias, harmonicos, inter-harmonicos e frequencia fundamental sao
integralizados a cada perıodo pre-determinado (tipicamente de 1s a 5min), nao sendo
calculadas a cada ciclo por se tratarem de dados que nao necessitam de tamanho nıvel
de detalhe, visto que os valores de demanda cobrados sao integralizados a cada 15
minutos e os de potencia reativa integralizados a cada 1 hora, conforme a legislacao
atual (ANEEL, 2002). Os harmonicos e inter-harmonicos tambem tendem a nao variar
em um perıodo a ser integralizado, alem disto quanto maior o numero de pontos no
momento do calculo da FFT maior a precisao dos da informacao obtida da resposta
desta tanto em termos de modulo como de frequencia.
Quanto aos harmonicos, segue-se a norma do IEEE519 (1992), que determina a
integralizacao dos mesmos a cada 5 minutos (nao existe, ate o momento, uma legislacao
especıfica no paıs).
3.4 Metodologia de Medicao
Nesta secao e necessario ao leitor periodicamente recorrer a Figura 31. Cada bloco
e explicado em detalhes atraves do uso de exemplos e graficos.
64
BDE
AC FFT
AT NT_T
VE
NT
AGC FFT_GC NT_Dist
DHT > 5 %
NR <= 4
Análise por Grupo de
Ciclos
NT_VE
NT_Freq
AnáliseCiclo a Ciclo
Figura 31: Diagrama de blocos detalhando algumas das funcoes logicas implementadasno equipamento de medicao e analise de QEE.
3.4.1 Banco de Dados de Entrada (BDE)
Serao utilizados basicamente dois grandes bancos de dados, um de entrada e um
de saıda. O de saıda sera muito menor devido a este conter somente as informacoes
tratadas dos dados coletados pelo banco de dados de entrada (Figura 32).
AN BN CNA B C NT N
Figura 32: Banco de dados de entrada e de saıda do medidor.
O Banco de Dados de Entrada (BDE da Figura 31) e temporario, ou seja, periodi-
65
camente novas informacoes sao gravadas depois das informacoes anteriores terem sido
tratadas pelo medidor.
O medidor proposto possui uma resolucao de 16 bits (degraus menores que 0, 002%)
e uma taxa de amostragem de 128 amostras por ciclo (perıodo de 130 µs). Na Tabela
9 e mostrada a quantidade de memoria necessaria para o BDE por perıodo de armaze-
namento de dados brutos.
Tabela 9: Tamanho em bytes dos dados nao tratados por perıodo de armazenagem.
Perıodo 1 grandeza 8 grandezas1 ciclo 256 2.0481 segundo 15.360 122.8801 minuto 921.600 7.372.8005 minutos 4.608.000 36.864.00015 minutos 13.824.000 110.592.0001 hora 55.296.000 442.368.00024 horas 1.327.104.000 10.616.832.0001 semana 9.289.728.000 74.317.824.0001 mes 39.813.120.000 318.504.960.000
Pode-se verificar na Tabela 9 que somente gravar dados para posterior analise nao
e uma boa estrategia para medicao da QEE. Tratar os dados (atribuir notas, por
exemplo) atraves de um medidor inteligente e armazenar em um BDS (Banco de Dados
de Saıda) apresenta-se como uma solucao possıvel. O principal fator limitador deste
tipo de abordagem e a velocidade de processamento, o que pretende-se atingir atraves
de algoritmos implementados em hardware (FPGAs, por exemplo). Com vantagens
de processamento paralelo, velocidade e facilidade de parametrizacao se comparado a
tecnologia de DSPs (ANDRAKA, 2006).
3.4.2 Acumula Ciclo (AC)
Este bloco e responsavel apenas por acumular 128 pontos a uma taxa de amostragem
de 130 mus, totalizando 16 ms (1 ciclo a 60 Hz) do total dos pontos de um dos varios
grupos armazenados no BDE. Este conjunto de pontos sera analisado pelos blocos
seguintes e, depois de completamente analisados, um novo conjunto e acumulado, que
e sobrescrito ao anterior e assim por diante.
Paralelamente a este processo realizar-se a FFT de um grupo de ciclos (de 1s a 5min
tipicamente) para de medir-se harmonicos, inter-harmonicos e variacoes na frequencia
fundamental do sistema.
66
Apos realizadas as analises ciclo a ciclo, bem como a do grupo de ciclos, este conjunto
de dados e sobrescrito por outro.
3.4.3 Analise Ciclo a Ciclo e por Perıodo
Segundo a IEEE1159 (1995) e Dugan, McGranaghan e Santoso (2002), a
qualidade de energia se divide basicamente em dois grandes grupos:
• Perturbacoes transientes ou temporarias.
• Perturbacoes permanentes ou em regime.
A estrategia escolhida para a medicao da QEE adotada e a mostrada na Figura 33:
Figura 33: Estrategia global de processamento matematico.
Apos o termino do AC (Acumulo de um Ciclo) e realizada a FFT do ciclo em
questao. A partir desta a DHT (Distorcao Harmonica Total), calcula-se a notas da
QEE do ciclo relativas a transientes. Vale lembrar que so e dada uma nota para
transitorios, quando a distorcao na forma de onda nao se estende por um perıodo
maior do que 4 ciclos. Se muitos ciclos apresentarem distorcao, nao temos mais um
problema de transitorios, mas sim de distorcoes em regime permanente.
O mesmo processo e aplicado na analise por perıodo. A partir das DHTs ou DHIs
destes, sao calculadas as notas relativas aos harmonicos e inter-harmonicos. Devido
a nao existir em norma nada que defina um limite de distorcao total ou individual
de problemas com inter-harmonicos, seguiremos a mesma metodologia aplicada pela
IEEE519 (1992) para harmonicos.
Para melhor entendimento desta secao tambem sera apresentado no Capitulo 4 com
um exemplo que englobe tanto perturbacoes transitorias como em regime permanente.
67
3.4.4 Analise de Transiente (AT) e Nota do
Transiente (NT T)
Caracterizam-se por transientes desvios na forma de onda fundamental com duracao
menor do que 4 ciclos. Caso a duracao seja maior, esta caracterizar-se-a como problema
de regime e sao tratados como tal.
Segundo a IEEE519 (1992), no caso de harmonicos, a distorcao maxima permitida
em baixa tensao e DHTV e 5% e para a DHIV e 3%. Seguindo o mesmo raciocınio
para os transientes, considerando nota 7 para a QEE no limite da distorcao, nota 10
para a distorcao 0% e nota 0 para distorcoes muito acentuadas, pode-se, e a partir
destes pontos, gerar-se uma equacao (Equacao 36) que represente a nota da QEE no
que tange aos transientes para cada distorcao (veja Figura 34).
notatransiente = 10 e−7,1335 DHTV (36)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 X: 1.515Y: 8.976
X: 5.051Y: 6.975
X: 8.586Y: 5.42
X: 13.64Y: 3.78
X: 21.21Y: 2.202
X: 30.81Y: 1.111
X: 41.92Y: 0.5027
Not
a
Percentual de Distorção
Figura 34: Nota da QEE para transitorios.
Alem de fornecer uma nota, util principalmente ao consumidor leigo, o medidor
devera ser capaz de armazenar algumas grandezas sumarizadas a respeito do transiente
tais como frequencia predominante, amplitude nesta frequencia e tempo de duracao, ou
seja, segundo a IEEE1159 (1995), informar as grandezas caracterısticas do transiente
e armazena-las no BDS.
68
3.4.5 Valor Eficaz (VE) e Nota do Valor Eficaz (NT VE)
Depois de calculada a FFT, paralelamente ao processo de Analise do Transiente, e
feita uma analise quanto aos Valores Eficazes. Aqui entram os problemas de elevacoes,
afundamentos e interrupcoes.
Segundo a IEEE1159 (1995), um valor de tensao eficaz entre 0, 9 e 1, 1 pu e
considerado adequado no que tange a QEE.
Sabe-se que no caso de simples sub/sobretensoes pode nao haver distorcoes. Porem
quando estas excedem os limites estabelecidos em norma (±0, 1 pu) tambem sao um
problema relativo a QEE. Da mesma forma que no caso anterior, considera-se nota 10
uma tensao eficaz de 1, 0 pu e nota 7 uma tensao com um desvio de 0, 1 pu.
Atraves da Equacao 37 e da Figura 35 pode-se chegar ao valor da nota de cada
ciclo. O valor da nota do grupo de ciclos referente a tensao eficaz sera a menor do
grupo de ciclos.
notaeficaz = 10 e−3,5667 S (37)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
X: 0.07273Y: 7.715
X: 0.1273Y: 6.351
X: 0.2091Y: 4.744
X: 0.3091Y: 3.321
X: 0.4364Y: 2.109
X: 0.6Y: 1.176 X: 0.7455
Y: 0.7003
Not
a
Desvio do Valor Eficaz (pu)
Figura 35: Nota para QEE para valores eficazes.
Cabe um comentario quanto ao valor da nota obtido pelo uso da Equacao 37. A
nota admite apenas uma variacao de ±10%. Sabe-se, da curva ITIC ou CBEMA, que
69
todo equipamento eletronico deve suportar uma interrupcao de um ciclo sem apresentar
falhas. Tambem, da mesma curva, que um inversor de frequencia suportaria uma tensao
de 0, 7 pu durante um perıodo de 3 ciclos sem maiores problemas. Da mesma forma,
sobretensoes da ordem de ±50% (1, 5 pu) podem ser suportadas durante um perıodo
de 1 ms. Somente em regime, que segundo a curva ITIC, e aceita uma variacao de
apenas ±10%. Sendo assim, o calculo proposto para a nota e mais rigoroso do que o
necessario, porem de mais facil modelamento.
3.4.6 Harmonicos, Inter-harmonicos, Variacoes na Frequencia
e Respectivas Notas
Tambem em paralelo sao calculadas as grandezas a serem integralizadas a cada
perıodo. Sao elas:
1. Harmonicos.
2. Inter-harmonicos.
3. Nota de distorcao no perıodo.
4. Variacoes na frequencia fundamental.
5. Potencia.
6. Fator de Deslocamento.
7. Fator de Distorcao.
8. Fator de Potencia.
Consideram-se, neste momento, as quatro primeiras grandezas, visto que sao agora
estas as de nosso maior interesse. As mesmas estao representadas na Figura 31.
Esta parte do processamento e feita a cada perıodo pre-determinado, valores tıpicos
encontrados comercialmente variam de 1 s e 15 min.
Pode-se verificar experimentalmente que a ferramenta FFT e adequada para en-
contrar tambem inter-harmonicos. Como exemplo, seja a forma de onda da Figura 36,
onde a sıntese da forma de onda resultante e dada pela Equacao 38 e a Tabela 10:
v (t) = 100 cos (2π60 t) + 30 cos (5 · 2π60 t) +
70
+20 cos (7, 3 · 2π60 t) + 10 cos (9 · 2π60 t) (38)
Tabela 10: Componentes da sıntese da forma de ondaTensao (%V1) Frequencia (Hz)
100 6030 30020 43810 540
0 25 50 75 100 125 150 175 200−200
−100
0
100
200
t (ms)
V (
%V
1)
0 100 200 300 400 500 600 7000
25
50
75
100
125
X: 60.01Y: 100
X: 438.1Y: 19.9 X: 540.1
Y: 9.907
X: 300Y: 29.94
f (Hz)
V (
%V
1)
Figura 36: Componentes da sıntese de uma forma de onda.
Os diferenciais deste medidor com a maioria dos medidores de mercado no que tange
as distorcoes sao basicamente quatro:
1. Processamento local das informacoes;
2. Memoria de massa reduzida;
3. Calculo de inter-harmonicos;
4. Acompanhamento/armazenamento da evolucao dos harmonicos e inter-
harmonicos ao longo do tempo.
O ultimo item e muito importante principalmente para fornecer subsıdios para o
dimensionamento de banco de capacitores, filtros de dessintonia e filtros harmonicos.
71
Caso o equipamento nao tenha esta capacidade alguns valores podem se perder na
media, tal como acontece com os transientes durante a integralizacao dos ciclos.
Na Figura 37 sao apresentados graficos do comportamento da evolucao dos
harmonicos de corrente de uma determinada empresa, onde o eixo das ordenadas e
abscissas representam respectivamente a corrente em Amperes e o perıodo de integra-
lizacao correspondente.
0 20 40 600
50
100
150Harmônico # 0 − Nível DC
Tempo (min)
Cor
rent
e (%
I 1)
0 20 40 600
50
100
150Harmônico # 1 − Fundamental
Tempo (min)C
orre
nte
(%I 1)
0 20 40 600
50
100
150Harmônico # 5
Tempo (min)
Cor
rent
e (%
I 1)
0 20 40 600
50
100
150Harmônico # 7
Tempo (min)
Cor
rent
e (%
I 1)
0 20 40 600
50
100
150Harmônico # 9
Tempo (min)
Cor
rent
e (%
I 1)
0 20 40 600
50
100
150Harmônico # 11
Tempo (min)
Cor
rent
e (%
I 1)
Figura 37: Comportamento individual de cada harmonico ao longo do tempo.
Pode-se observar que para o caso da Figura 37 condicoes de sintonia entre a in-
dutancia do transformador e a capacitancia do banco de capacitores proximas ao quinto
ou setimo harmonicos poderiam ser catastroficas a planta eletrica da empresa. Tambem
a partir desta figura pode-se chegar a conclusao da necessidade da implantacao de filtros
passivos para o quinto e setimo harmonicos.
O calculo da nota tambem e feito com base na aproximacao da curva aos pontos
de forma que esta sera 10 para uma DHTV = 0% e 7 para uma DHTV = 5% ou 10
DHIV = 0% e 7 para DHIV = 3% (veja Equacoes 39 e 40 e Figura 38). A menor das
notas sera a escolhida a cada perıodo para avaliar o desempenho quanto aos harmonicos
e inter-harmonicos.
72
notaDHTV= 10 e−7,1335 DHTV (39)
notaDHIV= 10 e−11,889 DHIV (40)
0 5 10 15 20 25 300
2
4
6
8
10
Percentual de Distorção
Not
a
Nota DHTV
Nota DHIV
Figura 38: Nota da QEE para harmonicos e inter-harmonicos.
No que se refere a nota dada a frequencia, de acordo com o ONS, sao aceitas
variacoes em regime de no maximo 0, 1 Hz. Sao permitidas variacoes transitorias de
0, 5 Hz durante um intervalo de 30 s. Sendo assim, o valor de 0, 5 Hz de desvio sera
considerado como nota 7 para variacoes na frequencia.
Dessa forma, fica representada a nota da frequencia fundamental do sistema pela
Equacao 41 e a Figura 39.
notafreq = 10 e−0,7133 DHTV (41)
73
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Variação da Freqüência
Not
a
Figura 39: Nota da QEE para variacoes na frequencia fundamental.
74
Capıtulo 4
Resultados
Foram desenvolvidos algoritmos no software MatLab para testar os blocos funcio-
nais propostos antes da implementacao do circuito que utiliza a tecnologia de logica
reconfiguravel por hardware.
Este capıtulo do trabalho divide-se em duas secoes:
1. Analise com dados simulados.
2. Analise com dados reais (coletados).
Os dados simulados foram gerados para analisar e entender o funcionamento dos
algoritmos do analisador de QEE (secao 4.1 e Figura 40). Uma das vantagens de se
trabalhar com este tipo de dados e a possibilidade de simular problemas da rede eletrica
que nem sempre podem ser detectados na pratica, como por exemplo um mergulho de
tensao de apenas dois ciclos.
Buscou-se tambem, para fins de validacao deste trabalho, alguns arquivos texto
de tensoes instantaneas medidas experimentalmente que serao melhor explorados logo
adiante (subsecoes 4.2.1, 4.2.2 e 4.2.3).
4.1 Analise com Dados de Entrada Simulados
Para melhor compreensao do funcionamento, sera analisada a QEE de uma tensao
monofasica.
76
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
−1
0
1
Grupo # 1
t(s)
V(p
u)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
−1
0
1
Grupo # 2
t(s)
V(p
u)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
−1
0
1
Grupo # 3
t(s)
V(p
u)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
−1
0
1
Grupo # 4
t(s)
V(p
u)
Figura 40: Dados de entrada para analise da QEE.
77
4.1.1 Primeiro Grupo
No primeiro grupo da Figura 40 temos uma tensao isenta de qualquer perturbacao
tal como e mostrado na Figura 41.
20 40 60 80 100 120
−1
0
1
X: 32Y: 1
ponto (1..128)
Ten
são
(pu)
0 10 20 30 40 500
0.5
1
1.5X= 1Y= 1
Ordem Harmônico (1..50)
Ten
são
(pu)
Figura 41: Ciclo com onda sem perturbacoes.
4.1.2 Segundo Grupo
No segundo grupo observam-se tres problemas (Figura 42): um mergulho de tensao
(ciclos 6 e 7), um salto de tensao (ciclos 10,11 e 12), uma interrupcao (do ciclo 13 ao
18) e um transiente (inicia no ciclo 24 e termina no ciclo 25).
Procede-se agora com o calculo das notas a cada ciclo. Inicialmente caracteriza-se
a onda para posterior calculo da nota com relacao aos transientes. Pode-se verificar na
Tabela 11 que no inıcio do transiente ocorre uma DHT mais acentuada, 22% e no fim
deste uma menor distorcao, 8%. De acordo com a Equacao 36, obtem-se as notas 2,1 e
5,6, respectivamente. A menor destas notas sera considerada a nota do grupo de ciclos
com relacao aos transientes.
Quanto as subtensoes, sobretensoes, afundamentos, elevacoes e interrupcoes, a
analise se da de forma semelhante, ou seja, verifica-se onde ocorre a maior severidade
de afundamento ou elevacao da tensao fundamental eficaz.
78
0.1 0.2 0.3 0.4−2
−1
0
1
2 X: 0.0707Y: 0.9988
X: 0.09622Y: −0.4946
X: 0.1543Y: 1.298
X: 0.221Y: 0.08989
X: 0.3878Y: 1.231
Tempo (s)
Ten
são
(pu)
0 50 100 1500
0.25
0.5
0.75
1X: 60Y: 0.9073
X: 54Y: 0.07569
X: 66Y: 0.06864
Freqüência (Hz)
Ten
são
(pu)
Figura 42: Zoom do segundo grupo de ciclos.
Tabela 11: Nota com relacao ao transiente do grupo 2.Ano Mes Dia Hora Minuto Segundo Grupo Ciclo DHTV NOTAV
2.006 1 19 10 28 16 2 24 22% 2,12.006 1 19 10 28 16 2 25 8% 5,6
79
Tabela 12: Nota com relacao as subtensoes, sobretensoes e interrupcoes do grupo2.Ano Mes Dia Hora Minuto Segundo Grupo Ciclo Severidade NOTAV
2.006 1 19 10 28 16 2 6 -0,5 1,72.006 1 19 10 28 16 2 7 -0,5 1,72.006 1 19 10 28 16 2 10 0,3 3,42.006 1 19 10 28 16 2 11 0,3 3,42.006 1 19 10 28 16 2 12 0,3 3,42.006 1 19 10 28 16 2 13 -0,9 0,42.006 1 19 10 28 16 2 14 -0,9 0,42.006 1 19 10 28 16 2 15 -0,9 0,42.006 1 19 10 28 16 2 16 -0,9 0,42.006 1 19 10 28 16 2 17 -0,9 0,42.006 1 19 10 28 16 2 18 -0,9 0,4
Percebem-se problemas de afundamento de tensao da ordem de 0, 5 pu nos ciclos
6 e 7 do grupo 2, afundamentos que, de acordo com a Equacao 37 recebem nota 1,7
(Tabela 12).
Problemas de elevacao de tensao tambem sao observados no ciclos 10, 11 e 12.
Estas sobretensoes sao de severidade 0, 3 pu. Aplicando esta severidade a Equacao 37
atribui-se a estes ciclos a nota 3,4 (Tabela 12).
Observa-se ainda problemas de interrupcao (severidades maiores ou iguais a 0, 9 pu),
o que ocorre desde o ciclo 13 ate o 18. Aplicando-se novamente a Equacao 37 chega-se
a nota 0,4 para esta severidade de afundamento (Tabela 12).
Considerar-se-a como nota do grupo de ciclos relativo aos afundamen-
tos/elevacoes/interrupcoes a menor nota verificada em todo o grupo, no caso 0,4.
4.1.3 Terceiro Grupo
Verifica-se neste terceiro grupo de ciclos a existencia de deformacoes continuadas na
forma de onda, caracterizando a existencia de harmonicos ou inter-harmonicos (Figura
43). Tambem nao existem subtensoes, sobretensoes e interrupcoes.
A DHTV apresentada e de 36% enquanto a DHIV e de 30%. Aplicando-se as
Equacoes 39 e 40 chega-se as notas 0,8 e 0,3 respectivamente. Assumir-se-a como nota
do grupo com relacao aos harmonicos e inter-harmonicos a menor nota destas duas,
0,3.
Quanto as variacoes na frequencia verifica-se que a frequencia fundamental encontra-
se exatamente a 60 Hz e a nota desta, conforme Equacao 41, e 10.
80
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1−2
−1
0
1
2 X: 0.004557Y: 1.26
X: 0.06315Y: −1.232
X: 0.09063Y: 0.8446
Tempo (s)
Ten
são
(pu)
0 100 200 300 400 500 6000
0.5
1
1.5X: 60Y: 1
X: 300Y: 0.3 X: 420
Y: 0.2
Freqüência (Hz)
Ten
são
(pu)
Figura 43: Zoom da onda com harmonicos.
4.1.4 Quarto Grupo
No quarto grupo pouco pode-se constatar visualmente. A Figura 44 mostra o zoom
da forma de onda correspondente no tempo e na frequencia. Verifica-se atraves da
FFT do grupo de ciclos que a frequencia fundamental do sistema esta abaixo do que e
considerada uma frequencia de boa qualidade pela ONS (Operador Nacional do Sistema
Eletrico).
Aplicando-se a Equacao 41 ou recorrendo-se a Figura 39 observa-se que a nota para
uma frequencia de 59Hz e de 4,9.
4.1.5 Consolidacao e Analise dos Dados
O sistema proposto serve de base tanto para o leigo como para o especialista na
area para avaliacao da QEE. Para o leigo apresentar-se-a a Tabela 13 somente com a
ultima coluna e a media destes grupos.
O grafico da Figura 45 mostra a evolucao da nota (ordenadas) em funcao do grupo
de ciclos (abscissas).
Para consumidores residenciais a media pode servir como um bom parametro, o
maximo percebido pela maioria destes e o fato do radio-relogio ou o microondas estar
81
0 0.01 0.02 0.03 0.04−1
−0.5
0
0.5
11
X: 0.01693Y: −0.008181
X: 0.03398Y: 0.0319
Tempo (s)
Ten
são
(pu)
0 50 100 150 200 250 3000
0.5
1
1.5X: 59Y: 1
Freqüência (Hz)
Ten
são
(pu)
Figura 44: Zoom da onda limpa com frequencia de 59 Hz.
Tabela 13: Tabela resumo da avaliacao da QEE dos quatro gruposGrupo Transiente Sobretensao,
Subtensao eInterrupcao
Frequencia Harmonicose Inter-harmonicos
Nota do Grupo
1 10,0 10,0 10,0 10,0 10,02 2,1 0,4 10,0 3,2 0,43 10,0 10,0 10,0 0,3 0,34 10,0 9,8 4,9 10,0 4,9
82
1 2 3 40
2
4
6
8
10
X: 2Y: 0.3894
X: 1Y: 10
X: 3Y: 0.2825
X: 4Y: 4.9
X: 2Y: 3.893
Grupo
Not
a
Nota do GrupoMédia
Figura 45: Nota por grupo e media final dos 4 grupos analisados.
piscando ao inves de estar marcando as horas corretamente. Para consumidores mais
exigentes ou que possuam cargas mais sensıveis, a nota mınima funciona como um
melhor parametro para analises.
Como ja foi mostrado no Capıtulo 2, para cargas mais sensıveis, as variacoes na
forma de onda da tensao, mesmo que durante pouquıssimo tempo (2 ciclos por exemplo)
podem gerar falhas no equipamento. Este equipamento esta integrado a todo um
sistema de producao, que pode levar horas ate a sua reativacao, causando perda de
producao, de materiais e maiores gastos com mao de obra (horas extras por exemplo).
Para o consumidor nao-leigo, alem das notas de cada problema por grupo sao dis-
ponibilizadas tabelas com informacoes tais como tipo de evento, severidade e o tempo
em que ocorreu, tal como mostrado nas Tabelas 14 e 15. Trata-se de uma analise mais
detalhada feita ciclo a ciclo, muito util para avaliacao de variacoes rapidas tais como
mergulhos e saltos de tensao e transientes. As Tabelas 14 e 15 mostram o resultado na
analise feita no segundo grupo apresentado neste exemplo.
Tabela 14: Momento do acontecimento de algum transiente e respectiva caracterizacao.Ano Dia Mes Hora Minuto Segundo Grupo Ciclo THD V NOTA V2006 1 20 17 51 16,893 2 24 0,21915 2,09442006 1 20 17 51 16,893 2 25 0,080622 5,6264
Atraves das Tabelas 14 e 15 e possıvel ao Engenheiro de Manutencao da industria
83
Tabela 15: Momento do acontecimento de algum problema relativo a tensao eficaz.Ano Dia Mes Hora Minuto Segundo Grupo Ciclo Severidade NOTA V2006 1 20 17 51 16,883 2 6 -0,5 1,68072006 1 20 17 51 16,883 2 7 -0,5 1,68072006 1 20 17 51 16,893 2 10 0,3 3,43012006 1 20 17 51 16,893 2 11 0,3 3,43012006 1 20 17 51 16,893 2 12 0,3 3,43012006 1 20 17 51 16,893 2 13 -0,91 0,389412006 1 20 17 51 16,893 2 14 -0,91 0,389412006 1 20 17 51 16,893 2 15 -0,91 0,389412006 1 20 17 51 16,893 2 16 -0,91 0,389412006 1 20 17 51 16,893 2 17 -0,91 0,389412006 1 20 17 51 16,893 2 18 -0,91 0,38941
ou da concessionaria verificar se a causa da parada de determinado processo foi da ma
QEE ou nao.
4.2 Analise com Dados Reais
Esta parte do trabalho refere-se a tres analises feitas com dados reais. Os dados
foram coletados com o equipamento RE1000, da empresa Embrasul. Depois estes
dados brutos (tensoes instantaneas) serviram de dados de entrada para o algoritmo
desenvolvido em MatLab.
A primeira analise diz respeito ao acompanhamento do comportamento da tensao
em uma maquina de papel em uma empresa que possui geracao propria. Espera-se
nesta medicao encontrar principalmente problemas relacionados a harmonicos, visto
que a entrada e constituıda basicamente de grandes inversores de frequencia trifasicos.
Tambem espera-se problemas relacionados a frequencia fundamental, devido a geracao
propria nao interligada a rede da concessionaria local.
O segundo estudo nada mais e do que a coleta de dados de tensao instantaneos
coletados por reles de protecao, que tem, dentre suas funcoes, tambem a de armazenar
a tensao e corrente quando do surgimento de algum problema relacionado a QEE.
Finalmente, o terceiro estudo refere-se a uma onda de tensao sem problemas rela-
tivos a QEE, que foi retirada de uma das tomadas do Laboratorio de Eletronica de
Potencia da UNOESC no Campus de Joacaba.
84
4.2.1 Analise 1 - Maquina de Papel
A producao de papel exige sincronia e sequencia dos processos sem variacoes bruscas
de velocidade. Manutencoes nao programadas (corretivas), alem do prejuızo da parada
em si, gera desperdıcios de materiais que nao podem ser reaproveitados e tambem
tempo de maquina parada devido a complexidade de iniciar o processo. Sendo assim,
a QEE e um fator de competitividade fundamental para este tipo de empresa.
A Figura 46 contem o zoom do sinal medido em uma maquina de papel no tempo
e na frequencia.
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1−1.5
−1−0.5
00.5
11.5 X: 0.01987
Y: 0.9864
X: 0.04455Y: −0.9758
Tempo (s)
Ten
são
(pu)
0 100 200 300 400 500 6000
0.25
0.5
0.75
1
X: 428Y: 0.02203
X: 61Y: 0.9234
Freqüência (Hz)
Ten
são
(pu)
Figura 46: Zoom da forma de onda de tensao de entrada medida em uma maquina depapel.
Verifica-se, examinando a Figura 46 no grafico do modulo versus frequencia, a
nao existencia de harmonicos/inter-harmonicos significativos, ou seja, apenas 2% de
distorcao a 428Hz.
No entanto, ainda analisando a Figura 46, constata-se que a frequencia fundamental
nao esta centrada exatamente nos 60Hz, mas sim em 61 Hz e existe uma pequena
variacao desta, tal como e mostrado na Figura 47.
Verifica-se nesta figura a existencia de tensoes maiores que 3% desde 56Hz ate
66Hz. Trata-se da frequencia fundamental que sofre leves variacoes durante o intervalo
de integralizacao (variacao da carga exigida pelo equipamento). Como ja comentado
no inıcio desta secao (4.2.1) trata-se de geracao propria a qual possui uma inercia
85
40 45 50 55 60 65 70 75 800
0.025
0.05
0.075
0.1
0.125
0.15
0.175
0.2X: 62Y: 0.1948
X: 57Y: 0.0383
X: 59Y: 0.07349
X: 64Y: 0.05754
X: 69Y: 0.02084
X: 63Y: 0.08873
X: 60Y: 0.1375
Freqüência (Hz)
Ten
sao
(pu)
Figura 47: Zoom da forma do espectro da onda de tensao de entrada medida em umamaquina de papel.
com relacao as mudancas de carga muito menor do que se a alimentacao fosse de uma
concessionaria.
Na pratica, a referida maquina funciona sem sofrer de problemas com a QEE. A
Figura Tabela 16 mostra a avaliacao da QEE de acordo com a metodologia proposta.
Tabela 16: Media das notas dos grupos analisadosT ISS F H/I NT V6,9 9,0 4,9 6,8 4,9
onde:
• T = Transiente;
• ISS = Interrupcao, subtensao e sobretensao;
• F = Frequencia;
• H/I = Harmonicos/inter-harmonicos;
• NT V = Nota da tensao.
Analisando da Tabela 16 constata-se a nota da frequencia, visto que a maxima
86
variacao de frequencia segundo o ONS () para a QEE ser considerada boa e de 60 ±0, 5 Hz.
Quanto as deformacoes continuadas na forma de onda (harmonicos/inter-
harmonicos) tambem a nota e adequada, visto que a DHTV media e de 8,1% e a
maxima DHIV e de 2,4%.
Tambem verificar-se que a nota 9,0 para a media de subtensoes, sobretensoes e
interrupcoes e coerente, visto que a tensao fica na faixa de 1± 0, 1 pu.
O valor que pode gerar polemica dentre os apresentados na tabela 16 e a nota 6,9
para transientes, visto que, pelo menos a princıpio nao ha transientes. Para entender
melhor do porque desta nota, a Figura 48 e examinada.
10 20 30 40 50 604
4.25
4.5
4.75
5
5.25
5.5X: 12Y: 5.304
X: 34Y: 4.205
X: 31Y: 5.029
Ciclo do Grupo
TH
DV (
%)
Figura 48: DHT a cada ciclos de um determinado grupo.
Verifica-se nesta figura que em alguns ciclos em que a DHTV e superior a 5% e
momentos em que ela e inferior. Este fato acaba por gerar certa confusao no resultado
da analise devido ao programa encarar tais ciclos como transientes e, consequentemente
avaliando-os como tal.
Existem algumas limitacoes do calculo da DHTV a cada ciclo, porem nao o suficiente
para inviabilizar o seu uso. Verifica-se que somente uma variacao na frequencia de 1 Hz
de uma onda perfeitamente limpa gera diferenca de DHTV de 0% (60 Hz) para 3,4%
(61 Hz); some-se a isso pequenas distorcoes na forma de onda e teremos uma DHTV
do ciclo maior do que 5%.
87
Segundo os parametros de QEE adotados para nota 7 (DHTV = 5%, ∆f =
±0, 5 Hz, etc), verifica-se que temos entao problemas maiores relativos a QEE somente
com a frequencia. Contudo, na pratica, variacoes de frequencia ate 2 Hz nao sao proble-
mas para o bom funcionamento deste tipo de equipamento (inversores de frequencia)
(WEG, 2006). O mesmo verifica-se in loco, ou seja, o equipamento tem funcionado de
maneira satisfatoria (o motivo das medicoes foi apenas para validacao dos algoritmos
desenvolvidos).
Ja nesta primeira analise, verifica-se que para cargas especiais, ao inves de se seguir
normas para definir as equacoes que geram as notas de cada ciclo e grupo de ciclo, deve-
se ajustar os parametros de acordo com a sensibilidade de alimentacao desta. Como
exemplo pode-se citar que, para este caso de alimentacao de um inversor, nota 7 para
a frequencia poderia ser uma variacao de 2 Hz ao inves de 0, 5 Hz, o que elevaria a nota
da QEE fornecida ao equipamento.
4.2.2 Analise 2 - Oscilografia em Alimentador de Subestacao
Dentre os equipamentos de monitoramento e protecao de uma subestacao,
destacam-se os reles de protecao de linhas de transmissao. Sao algumas das funcoes de
monitoramento destes reles:
• Oscilografia de sinais;
• Armazenamento de sequencia de eventos;
• Localizador de faltas (LDF), indicacao em km ou %;
A Figura 49 apresenta a captura da forma de onda com um problema com QEE.
Este tipo de rele apenas grava a forma de onda com problema, porem de tempos em
tempos os dados devem ser coletados localmente.
Passa-se entao a analise da tensao, sendo os pontos da tensao VB a entrada de dados
para analise (veja Figura 50).
Percebe-se mais fortemente neste grupo de ciclos transiente e subtensao, o que
pode ser verificado pela nota atribuıda a estes na Tabela 17. A nota com relacao aos
harmonicos deve ser pouco considerada devido aos poucos perıodos de integralizacao.
Apesar de todos os problemas ocorridos com a tensao verifica-se que a frequencia e de
exatamente 60 Hz, sendo a esta atribuıda a nota 10.
88
Figura 49: Captura do instante de problema de QEE pelo rele.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25−2
−1
0
1
2 X: 0.01563Y: 1.002
X: 0.08542Y: 0.1061
X: 0.1573Y: −0.878
X: 0.1812Y: 0.9573
Tempo (s)
Ten
são
(pu)
0 50 100 150 2000
0.25
0.5
0.75
1X: 60Y: 0.6908
X: 56Y: 0.2974
X: 80Y: 0.05097
Freqüência (Hz)
Ten
são
(pu)
Figura 50: Tensao a ser analisada a QEE (VB).
Tabela 17: Notas dos ciclos capturados pelo rele de linhas de transmissao.T ISS F H/I NOTA V
0,03 0,34 10 6,43 0,03
89
Uma vez que uma oscilografia sao capturados quase que somente grupos de ciclos
ruins, a nota 0,03 atribuıda ao grupo da Figura 50 e satisfatoria.
4.2.3 Analise 3 - Coleta de Dados de Tensao do Laboratorio
de Eletronica de Potencia
Com o intuito de validar os algoritmos desenvolvidos tambem para tensoes sem mai-
ores problemas relativos a QEE, medicoes foram realizadas no Laboratorio de Eletronica
de Potencia da UNOESC. O zoom da forma de onda de tensao no tempo e seu respectivo
espectro podem ser visualizados na Figura 51.
2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19−1
0
1
X: 2.138Y: 1.023
X: 2.179Y: −1.019
Tempo (s)
Ten
são
(pu)
0 100 200 300 400 5000
0.5
1
X: 60Y: 1.045
X: 180Y: 0.02718
Freqüência (Hz)
Ten
são
(pu)
Figura 51: Forma de onda de tensao no Laboratorio de Eletronica de Potencia.
Coletaram-se tres grupos de 60 ciclos, nos quais nenhum transiente, sobretensao,
subtensao ou interrupcao foram detectados. Dos harmonicos apresentados no espectro
da Figura 51, o mais significativo foi o de ordem 3 (3o harmonico - 180 Hz, modulo de
2, 7% (em relacao ao fundamental - 100%). Isto deve-se ao fato do ambiente de medicao
possuir muitas cargas eletronicas monofasicas, tais como computadores, lampadas com
reatores eletronicos, osciloscopios, fontes de tensao, geradores de funcao e analisador
de espectro.
O valor 2, 60% de DHI esta dentro das recomendacoes sugeridas pela IEEE1159
(1995). O valor de DHT e de 2, 68% e tambem esta dentro das recomendacoes sugeridas
90
pela IEEE1159 (1995). Quanto a tensao eficaz verifica-se no espectro da Figura 51
que a fundamental esta acima 4, 5 % do valor tido como ideal e, sendo assim, atribui-se
a esta nota 8, 5. Porem, segundo a IEEE1159 (1995) a tensao esta dentro da faixa
recomendada (±10%).
Foram atribuıdas notas 10 a transientes e a frequencia fundamental. Fato este e
verdadeiro porque nao houve nenhum transiente durante o perıodo da medicao e porque
o sistema interligado brasileiro garante uma grande precisao no que se refere ao controle
da frequencia.
A partir do exposto anteriormente, conclui-se que, para o perıodo analisado a tensao
de alimentacao neste laboratorio e considerada de boa qualidade e que o dimensiona-
mento da fiacao e adequado, visto que a medicao foi realizada com carga proximo a
maxima.
Na Tabela 18 pode-se observar a nota de cada grupo de ciclos.
Tabela 18: Notas para a forma de onda analisada na Figura 51.Grupo T ISS F H / I NT V
1 10 8,5 10 7,3 7,32 10 8,5 10 7,3 7,33 10 8,5 10 7,3 7,3
Nota Media 7,3
Verifica-se que a QEE apresentada na Figura 51 e avaliada pelo algoritmo como de
boa qualidade (nota = 7, 3), o que se constata tambem nos momentos da utilizacao do
laboratorio.
Capıtulo 5
Conclusao
5.1 Analise dos Resultados
Quantificar com uma nota a QEE em um dado ponto de medicao e algo bastante
complexo e sujeito discussoes. Apresentou-se neste trabalho uma metodologia de ava-
liacao da QEE dado um conjunto de pontos de tensao instantanea. A nota final e
dada com base na quantidade e severidade de transitorios, subtensoes, sobretensoes,
interrupcoes, variacoes na frequencia fundamental e distorcoes periodicas em regime na
forma de onda.
No caso 1, apresentado na subsecao 4.2.1, verifica-se que a nota da QEE para o
perıodo analisado foi de 4, 9 (Tabela 16). O que fez com que a nota fosse tao baixa foi
a frequencia de alimentacao, no caso de 59 Hz (a ANEEL permite uma variacao de no
maximo 0, 5 Hz). Contudo, no dia-a-dia do funcionamento da referida maquina, nao se
percebe problemas oriundos de ma QEE. Constata-se que, neste caso, uma reducao de
frequencia de ate 2 Hz e permitida (discutido em detalhes na subsecao 4.2.1). Pode-se
concluir que, em cargas especiais, parametros tambem especiais deverao ser mudados, a
fim de que a nota reflita com mais precisao o que esta acontecendo. Neste caso, deveria-
se parametrizar o medidor de maneira tal que a uma frequencia de 58 Hz resultasse em
nota 7, 0. Sendo assim, a menor nota registrada seria a de distorcoes continuadas na
forma de onda (harmonicos e inter-harmonicos): nota 6, 8.
No caso 2, apresentado na subsecao 4.2.2, fez-se a analise da QEE dos ciclos coleta-
dos pelo rele de distancia. Verificam-se na Figura 49 serios problemas principalmente
com relacao a transientes (nota 0, 03) e amplitude da tensao (nota 0, 34), o que e de-
tectado pelo algoritmo desenvolvido neste trabalho (Tabela 17). A nota global dada
para o grupo de ciclos apresentado e bastante proxima a zero (0, 03), o que e bastante
92
razoavel, face a forma de onda apresentada.
Finalmente, no caso 3, apresentado na subsecao 4.2.3, verifica-se a existencia de uma
energia de boa qualidade (nota ≥ 7, 0). A nota global foi de 7, 3 e o que mais contribuiu
para baixar a nota (Tabela 18) foram os harmonicos, em especial o 3◦ harmonico (2, 7%).
Harmonicos de ordem 3 ja eram esperados, visto a quantidade de cargas monofasicas
que fazem parte do referido laboratorio.
5.2 Conclusoes
O historico observado no mercado durante os ultimos anos indica o aumento conti-
nuado do consumo de energia eletrica e tendencias de elevacao de seu custo. Espera-se
que em um futuro proximo o preco da energia eletrica, mesmo para consumidores
residenciais, seja diferenciado para cada horario e perfil de consumo (ex: consumi-
dor muito ou pouco poluidor da rede eletrica). Paralelamente, dentro do contexto
de relacao consumidor-concessionaria, observa-se uma maior demanda por informacoes
sobre a qualidade da energia fornecida.
Atualmente, faz parte de nossa realidade, varias paradas de processos de producao
sem razao aparente. Em muitas destas, fortes indıcios sugerem que o problema seja
de ma QEE. A partir destes, algumas medicoes sao realizadas, porem com equipa-
mentos que medem apenas grandezas eficazes com perıodos de integralizacao muito
longos (tipicamente variam entre 1 segundo a alguns minutos, dependendo da parame-
trizacao) ou que medem somente harmonicos. Sendo assim, nao e incomum chegar-se
a conclusao de que a QEE naquele local e de boa qualidade, quando na verdade, com
a utilizacao de um equipamento de monitoracao mais sofisticado chegar-se-ia a uma
conclusao contraria.
Medicoes mais apuradas podem ser solicitadas a empresas especializadas, porem
esbarra-se no fator custo e tambem no fato de que todos os possıveis problemas podem
nao ocorrer no momento das medicoes (em media, o tempo de medicao nao e maior que
4 horas por ponto). Ainda como fator limitador deste tipo de analise mais apurada,
verifica-se que maioria dos equipamentos existentes hoje no mercado (apresentados na
secao 3.1) coletam os valores instantaneos das grandezas para posterior processamento,
o que inviabiliza este tipo de monitoracao no caso de um grande numero de pontos de
coleta e em um perıodo consideravel de tempo de medicao.
Do ponto de vista tecnico, e desejavel uma monitoracao ininterrupta, com elevada
taxa de amostragem (pelo menos 128 amostras por ciclo) e banco de dados minimizado.
93
A proposta de utilizacao de logica reconfiguravel por hardware permite a mini-
mizacao a base de dados gerada por cada medidor, capacitando uma analise mais
rapida do comportamento global de um sistema composto por um grande numero de
medidores. Isto e possıvel devido ao processamento em tempo real de diversas funcoes
usadas na analise da qualidade da energia eletrica. Este processamento em tempo-real
se deve por sua vez, a caracterısticas marcantes em sistemas com logica reconfiguravel:
paralelismo e tempo de execucao extremamente reduzido.
A nota atribuıda a QEE tambem e uma forma de reducao do banco de dados,
alem de uma forte e simples ferramenta de analise. A nota media mensal nao traz
informacoes precisas devido a algum malefıcio gerado pela ma QEE. Contudo, no re-
latorio simples mensal, tambem a menor nota e o perıodo em que esta ocorreu sao
informados. Caso uma analise mais refinada seja desejada, notas por grupos de ciclos
poderao ser apresentadas.
A partir deste conjunto de notas (gerados pelos algoritmos apresentados no Anexo
A), somados a alguns indıcios caracterısticos pode-se identificar a origem do problema
relativo a QEE que originou o mau funcionamento ou a queima de determinado equi-
pamento.
Como exemplo pode-se citar aquecimento excessivo do condutor neutro e notas bai-
xas durante um longo perıodo. Uma premissa valida e a existencia de harmonicos ou
forte desequilıbrio de cargas ou ambas. Para descobrir qual dos dois e exatamente o
problema pode-se parametrizar o equipamento para gravar nao somente a nota mais
baixa, mas sim as notas para cada tipo de problema em separado, ou simplesmente me-
dir as correntes de linha em cada fase. Caso elas sejam bastante parecidas, certamente
o problema e de harmonicos.
Pretende-se ainda contribuir, atraves da monitoracao contınua da QQEE, para o(a):
• Aumento da competitividade das industrias, visto que com a reducao do numero
de paradas devido a ma QEE, havera reducao de desperdıcios e retrabalhos.
• Reducao do consumo de energia eletrica como um todo. Na industria principal-
mente devido a reducao do retrabalho como consequencia das paradas de pro-
cesso. Do ponto de vista da concessionaria, menores perdas devido a problemas
com deformacoes periodicas na forma de onda que geram perdas adicionais nos
transformadores e cabos (histerese, correntes parasitas e efeito pelicular). Sendo
assim, esta passara a exigir que consumidores poluidores da rede eletrica coloquem
filtros, consequentemente o problema das perdas por efeito Joule fica reduzido.
• Permitir tambem ao consumidor leigo conhecer o nıvel da QEE entregue na en-
94
trada de sua residencia, atraves da nota (variando de 0 a 10) atribuıda pelo
medidor.
• Aumento da qualidade da tensao eletrica fornecida, face a reducao disturbios de
corrente injetados pelos grandes consumidores na rede eletrica, como tambem
pela cobranca dos consumidores (ate mesmo os mais leigos) da concessionaria
por uma energia de boa qualidade.
• Possibilidade de cobranca diferenciada e automatizada tambem para os consumi-
dores residenciais, evitando picos de consumo e sobredimensionamento do sistema
para atende-los.
Algumas caracterısticas vantajosas verificadas na utilizacao da logica reconfiguravel
por hardware nos modulos de analise propostos sao:
• Flexibilidade - Ha uma grande variedade de configuracoes possıveis na imple-
mentacao de solucoes para diversos problemas associados com medicao de energia
eletrica;
• Ambiente aberto - Permite que seus blocos componentes sejam totalmente aces-
sados e eventualmente modificados para agregar novas solucoes;
• Facilidade de expansao - Novos recursos podem ser facilmente adicionados a um
projeto, permitindo a adicao de novas funcionalidades, principalmente em aten-
dimento de mudancas de legislacao.
• Paralelismo - esta caracterıstica inerente em dispositivos que usam logica recon-
figuravel vem de encontro as necessidades de projeto dos modulos de analise de
QEE. Isto permite o processamento de grandes quantidade de dados, bem como
a facil adicao de novas funcionalidades ao medidor, sem prejudicar o desempenho
das funcionalidades anteriores.
Como fatores limitantes da utilizacao da logica reconfiguravel por hardware na
implementacao dos modulos propostos verificam-se os seguintes pontos:
• Complexidade - O domınio das ferramentas de linguagens de descricao de hard-
ware necessarias para esta classe de projeto demandam um tempo de treinamento
consideravel.
• Custo - Em relacao aos processadores embarcados normalmente utilizados em
projetos de medidores, o custo de FPGAs e bem maior. No caso de medidores
de baixo custo, isto pode tornar-se uma limitacao importante no projeto.
95
5.3 Trabalhos Futuros
Este trabalho abre perspectivas para a realizacao dos seguintes trabalhos futuros,
entre outros:
• Implementar os modulos de analise de QEE em logica reconfiguravel por hard-
ware.
• Estabelecer os limites de processamento, considerando altas taxas de amostragem
de tensao e corrente. Isto permitiria a analise de transitorios nao detectados pelos
medidores disponıveis no mercado atual (ex: transitorios com tempo de subida
de 5 ns).
• Integrar o medidor projetado em ambiente de automacao residencial, comercial
e industrial, verificando sua aplicabilidade como elemento de otimizacao de con-
sumo de equipamentos eletricos.
• Integrar toda a monitoracao de energia eletrica de uma fabrica a fim de detectar
de maneira muito mais rapida qual e o problema e tambem de dar subsıdios
tecnicos para o encontro da solucao mais viavel para a mesma.
• Estudar uma forma de transmissao dos dados armazenados pelo medidor, como
tambem criar uma rede de medidores para os consumidores da concessionaria
local, para de monitoramento por parte da concessionaria.
• Estudo da automatizacao de aspectos relacionados a QQEE, levantamentos de-
talhados de consumo e custo de energia ao longo do dia e mesmo ao longo das
estacoes do ano. Estes serao fatores de referencia na otimizacao de equipamentos
que demandam energia eletrica.
96
Apendice A
Algoritmo de Avaliacao de QEE
Implementado em MatLab
clc; close all; clear all;
%%%%%%%%%%
qpc = 52;
%cuidar para que nos dados de entrada qpc tambem seja 128!!!
vp1 = 220*sqrt(2);
%cuidar para que nos dados de entrada vp1 seja a Vpico !!!
%%%%%%%%%%
dt = (1/60)/qpc;
x = 0;
ic = 99e99;
%indice do ciclo
it = 1;
%indice do transiente
g = 0;
%grupo
it2 = 5;
%indice do transiete anterior. comeca valendo 4 devido ao inicio da
%analise onde verificamos os transietne e consideramos 0 d THD
it3 = 1; it4 = 1; tam1 = 1; aux2 = 1;
qcpt = 4;
98
%quantidade de ciclos para transiente
ia = 1;
%ındice anterior (vale so para o primeiro grupo)
iint = 1; isub = 1; isob = 1; it4a = 1; iinta = 1; isuba = 1;
isoba = 1; dist(1,10)=0; dist(1,11)=0; kk = 1;
while (x~=1)
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%INICIALIZACAO A CADA GRUPO DE CICLOS
%DadosEntrada;
v = xlsread(’DadosEntrada.xls’, ’Plan1’);
vv = v’;
qgc = floor(length(vv)/qpc);
sntiss_cc_ruim(g+1,1) = 0;
sntiss_cc_boa(g+1,1) = 0;
sntd_cc_ruim(g+1,1) = 0;
sntt_ruim(g+1,1) = 0;
sntt_cc_ruim(g+1,1) = 0;
sntd_cc_boa(g+1,1) = 0;
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
for ic=1:qgc
ip = 1 + (ic-1) * qpc; %inicio do periodo
fp = ic * qpc; %final do periodo
figure(ic+10);
absfft_vv_cc(ic,:) = 2/qpc * abs ( fft ( vv(ip:fp) ) );
%somente do ciclo
subplot(2,1,1);
plot(vv(ip:fp)/vp1);
axis([1 128 -1.5 1.5]);
xlabel(’ponto (1...128)’);
ylabel(’Tens~ao (pu)’);
subplot(2,1,2);
bar((0:qpc/2-1);
absfft_vv_cc(ic,1:qpc/2)/vp1);
axis([0 50 0 1.5]);
xlabel(’Ordem Harmonico (1...50)’);
99
ylabel(’Tens~ao (pu)’);
fund = absfft_vv_cc(ic,2); %fundamental do ciclo
sqp_vv_cc(ic) = sqrt( sum( (absfft_vv_cc(ic,1:qpc/2)).^2 ) ...
- fund^2);
%soma dos quadrados dos picos sem a fundamental
if (fund~=0)
THD_vv_cc(ic+g*qgc) = sqp_vv_cc(ic) / fund;
else
THD_vv_cc(ic+g*qgc) = 0;
end
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% DISTORCAO
if (THD_vv_cc(ic+g*qgc) > 0.05) %valor que pode gerar polemica
dist(it,:) = [g clock (ic+g*qgc) it ...
THD_vv_cc(ic+g*qgc) ...
10*exp(-7.1335*THD_vv_cc(ic+g*qgc))];
%distorcao
ntd_cc_ruim(ic,:) = [g clock (ic+g*qgc) it ...
THD_vv_cc(ic+g*qgc) ...
10*exp(-7.1335*THD_vv_cc(ic+g*qgc))];
%nota distorcao a cada ciclo
sntd_cc_ruim(g+1,1) = sntd_cc_ruim(g+1,1) + ...
10*exp(-7.1335*THD_vv_cc(ic+g*qgc));
%acumula nota distorcao
it = it + 1;
else
ntd_cc_boa(ic,:) = [g clock (ic+g*qgc) it ...
THD_vv_cc(ic+g*qgc) ...
10*exp(-7.1335*THD_vv_cc(ic+g*qgc))];
%nota distorcao a cada cilco
sntd_cc_boa(g+1,1) = sntd_cc_boa(g+1,1) + ...
10*exp(-7.1335*THD_vv_cc(ic+g*qgc));
%acumula nota distorcao
end
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% SAG SWELL INTERRUPCAO
fund = absfft_vv_cc(ic,2);
fpu = fund/vp1; %fundamental em pu
100
if ( (fpu < 0.9) | (fpu > 1.1) )
if (fpu <= 0.1) %interrupcao
int(iint,:) = [g clock (ic+g*qgc) iint fpu];
%insterrupacao
elseif ((fpu < 0.9) & (fpu > 0.1)) % sag
sub(isub,:) = [g clock (ic+g*qgc) isub fpu];
%subtensao
isub = isub + 1;
elseif (fpu > 1.1) % swell
sob(isob,:) = [g clock (ic+g*qgc) isob fpu];
%sobretensao
isob = isob + 1;
end
perc = (fund / vp1) - 1;
ntiss_cc_ruim(ic,:) = [g clock (ic+g*qgc) perc ...
10*exp(-3.5667*abs(perc))];
%nota interrupcao sag swell ciclo a ciclo
ntiss_cc_ruimruim(kk,1) = 10*exp(-3.5667*abs(perc));
kk = kk + 1;
sntiss_cc_ruim(g+1,1) = sntiss_cc_ruim(g+1,1) + ...
10*exp(-3.5667*abs(perc));
%acumula nota interrupcao sag swell ciclo a ciclo
else
perc = (fund / vp1) - 1;
ntiss_cc_bom(ic,:) = [g clock (ic+g*qgc) perc ...
10*exp(-3.5667*abs(perc))];
%nota interrupcao sag swell ciclo a ciclo
sntiss_cc_boa(g+1,1) = sntiss_cc_boa(g+1,1) + ...
10*exp(-3.5667*abs(perc));
%acumula nota interrupcao sag swell ciclo a ciclo
end
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
ic = ic + 1;
end
if (g==0)%somente para fazer as primeiras linhas com THD igual a zero,
devido ao fato de nao existirem ciclos antes para analise
101
de transientes
trst(1:it+qcpt,1:11) = 0;
end
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% SEPARAR TRANSIENTE DE REGIME
if ((dist(1,10)~=0) & (it2>=4)) %dist!=0 se THD>5%
trst(ia+qcpt:(it-1+qcpt),:) = dist(ia:it-1,:);
%trst sao os transientes e dist e qualquer distorcao, logo zeramos
%as celulas de dist que nao sao transientes e guardamos na
%variavel trst
while (it2<=it-1+qcpt)
if ((trst(it2-3,8)-trst(it2-2,8) == -1) & ...
(trst(it2-2,8)-trst(it2-1,8) == -1) & ...
& (trst(it2-1,8)-trst(it2,8) == -1))
%aqui se o transiente eh maior do que 4 ciclos o THD do
%ciclo vira zero
trst(it2,2:7) = 0;
trst(it2-1,2:7) = 0;
trst(it2-2,2:7) = 0;
trst(it2-3,2:7) = 0;
end
it2 = it2 + 1;
end
ia = it-1; %ia eh o it anterior
it2 = ia; %it2 ih igual ao it anterior
y = size(trst);
tam2 = y(1);
%tamanho (numero de linhas) da matriz trst depois de carregada
for it3=(tam1+1):tam2 %it3 varre as linhas de trst
if (trst(it3,2)~=0)
trt(it4,:) = trst(it3,:);
sntt_ruim(g+1,1) = sntt_ruim(g+1,1) + trt(it4,11);
%acumula nota transiente ruim
it4 = it4 + 1; %it4 sao as linhas de trt
end
end
102
y = size(trst);
tam1 = y(1);
%tamanho (numero de linhas) da matriz trst antes de carregada
end
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% DISTORCAO
if (sntd_cc_ruim(g+1,1)~=0)
md_gg(g+1,1) = min(ntd_cc_ruim(:,10));
else
md_gg(g+1,1) = 10;
end
if (sntt_ruim(g+1,1)~=0)
mt_gg(g+1,1) = min(trt(:,11));
else
mt_gg(g+1,1) = 10;
end
nt_gg(g+1,:) = [g clock mt_gg(g+1,1)];
ntt_gg(g+1,:) = [g clock mt_gg(g+1,1)]; %nota distorcao a cada cilco
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% SAG SWELL INTERRUPCAO
if (sntiss_cc_ruim(g+1,1)~=0)
miss_gg(g+1,1) = min( ntiss_cc_ruimruim(:,1) );
else
miss_gg(g+1,1) = sntiss_cc_boa(g+1,1) / qgc;
end
ntiss_gg(g+1,:) = [g clock miss_gg(g+1,1)];
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% HARMONICOS, INTERHAMONICOS E VARIACOES NA FREQUENCIA FUNDAMENTAL
absfft_vv(g+1,:) = 2/length(vv) * abs ( fft ( vv ) ) ; %grupo inteiro
dt = (1/60)/qpc;
x = g*dt*qpc*qgc+dt : dt : (g+1)*dt*qpc*qgc;
figure(1e3+g);
subplot(2,1,1);
103
plot(x,vv/vp1);
xlabel(’Tempo (s)’);
ylabel(’Tens~ao (pu)’);
df = 1/(dt*length(vv));
x = 0:1:(length(vv)/2-1);
freq(g+1,:) = df*x;
subplot(2,1,2);
plot(freq(g+1,1:length(vv)/2);
absfft_vv(g+1,1:length(vv)/2)/vp1);
xlabel(’Frequencia (Hz)’);
ylabel(’Tensao (pu)’);
axis([0 (length(vv)/2)-1 0 1.50]);
[fund,I] = max(absfft_vv(g+1,:));
%fundamental e indice correspondente
IHD_gg(g+1,:) = absfft_vv(g+1,1:length(vv)/2) / fund;
perc = abs(60 - freq(g+1,I));
%nao e percentual, apenas para nao usar mais uma variavel
nf = 10*exp(-0.7133*perc);
%nota variacoes na frequencia
nf_gg(g+1,:) = [g clock freq(g+1,61) nf];
%FREQUENCIA FUNDAMENTAL
sqp_vv_gg(g+1,1) = 0;
for aux=1:(length(absfft_vv(g+1,:))/2)
if ( ( freq(g+1,aux) < freq(g+1,I)-30 ) | ...
( freq(g+1,aux)>freq(g+1,I)+30 ) )
sqp_vv_gg(g+1,1) = sqp_vv_gg(g+1,1) + (absfft_vv(g+1,aux))^2 ;
end
end
if (fund~=0)
THD_vv_gg(g+1,1) = sqrt(sqp_vv_gg(g+1,1)) / fund;
else
THD_vv_gg(g+1,1) = 0;
end
for cont=1:(length(vv)/2)
if ((freq(g+1,cont)<freq(g+1,I)-30) | ...
104
(freq(g+1,cont)>freq(g+1,I)+30))
%so calcula distorcao interharmonica individual caso o
%interharmonico
%esteja longe mais dde 5Hz da frequencia fundamental
IHD_vv_gg(g+1,cont) = absfft_vv(g+1,cont) / fund;
else
IHD_vv_gg(g+1,cont) = 0;
end
end
nhihd = 10*exp(-11.889*max(IHD_vv_gg(g+1,:)));
nhthd = 10*exp(-7.1335*THD_vv_gg(g+1,1));
nh_gg(g+1,:) = [g clock THD_vv_gg(g+1,1) max(IHD_vv_gg(g+1,:)) ...
nhthd nhihd min(nhthd,nhihd)];
%nota harmonicos
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
yy = [ ntt_gg(g+1,8) , ntiss_gg(g+1,8) , ...
nf_gg(g+1,9) , nh_gg(g+1,11) ] ;
media_gg(g+1,1) = min ( yy ) ;
nota_gg(g+1,:) = [g ntt_gg(g+1,8) ntiss_gg(g+1,8) nf_gg(g+1,9) ...
nh_gg(g+1,12) media_gg(g+1,1)];
it4a = it4;
iinta = iint;
isuba = isub;
isoba = isob;
kka = kk;
x = input(’mais um grupo? ’);
g = g + 1;
end
if (x==1)
y = size(nota_gg);
csfcao = sum(nota_gg(:,y(2))) / y(1);
for k=1:g
aux(k) = csfcao;
105
end
figure(1000+g+10);
plot(1:g,nota_gg(:,6),1:g,aux);
xlabel(’Grupo’);
ylabel(’Nota’);
end
106
Apendice B
Logica Reconfiguravel por
Hardware
O desenvolvimento de prototipos de sistemas embarcados tem sido alvo de inumeros
trabalhos na area de automacao e controle. Impressoras de computadores, automoveis,
robos industriais, robos moveis, aparelhos de telefonia, aparelhos de medicao e con-
trole, cadeiras de rodas e inumeros outros dispositivos que congregam sensores e atu-
adores para a execucao de alguma tarefa e que exigem maior ou menor volume de
processamento de dados, sao sistemas embarcados ou utilizam sistemas embarcados.
Usualmente sao utilizados microcontroladores com algoritmos desenvolvidos em varias
linguagens de software para realizar o controle destes dispositivos. Mais recentemente,
alguns destes algoritmos foram tambem desenvolvidos em trabalhos associados com
computacao reconfiguravel, com vantagens em termos de desempenho.
Entre todos os campos associados com projeto de sistemas embarcados, as tecnolo-
gias de software e hardware sao as que tem experimentado a mais rapida evolucao. E
grande a quantidade de novos microprocessadores, interfaces de comunicacao, interfa-
ces de potencia, sensores, compiladores, sistemas operacionais e sistemas de desenvol-
vimento fornecidos aos engenheiros a cada ano. Em funcao desta acelerada evolucao
tecnologica, a ideia de se utilizar estruturas abertas e reconfiguraveis, que possam
adaptar-se a novas demandas, torna-se muito atraente, sendo mesmo um pre-requisito
na consideracao de um projeto de um sistema embarcado.
Sistemas de desenvolvimento baseados em computacao reconfiguravel (sistemas
de hardware reconfiguravel) apresentam caracterısticas adequadas para auxiliar na
execucao desta classe de projetos. Eles apresentam, entre outras vantagens, as carac-
terısticas de baixo consumo, alta velocidade de operacao, capacidade de integracao,
108
flexibilidade, facilidade de programacao e operacao modular. O conceito de siste-
mas abertos tem sido estudado nos ultimos anos por varias instituicoes no campo
de maquinas ferramentas e engenharia de producao, focalizando os aspectos de modu-
laridade, os efeitos da arquitetura de controle e da rede de comunicacao no desempenho
do sistema.
O objetivo deste conceito aplicado a arquitetura reconfiguravel e permitir uma facil
e rapida adaptacao de dispositivos embarcados a novas evolucoes tecnologicas, para
uma melhor portabilidade e capacidade de intercambio para o sistema final.
A divisao da estrutura em pequenos blocos funcionais, com interfaces bem especifi-
cadas, permite uma melhor definicao das tarefas de uma equipe de projeto multidisci-
plinar, bem como a rapida adaptacao de um determinado bloco a uma nova evolucao
tecnologica.
O ambiente proposto e um conjunto de modulos de software e hardware, imple-
mentados com enfase na utilizacao de logica reconfiguravel, integrados para dar su-
porte ao desenvolvimento de prototipos de sistemas embarcados (LIMA; ROSARIO, 2002;
ROSARIO, 2000; SILVA, 2001, 2001).
A enfase na utilizacao de logica reconfiguravel na implementacao deste equipamento
apresenta como justificativas:
• Facilidade e rapidez na execucao do projeto - Com a utilizacao de uma serie de
ferramentas fornecidas pelo mercado e possıvel a execucao, o teste, a simulacao
e a depuracao de um projeto com bastante eficiencia. A divisao do projeto em
pequenos blocos funcionais permite a melhor distribuicao das tarefas entre os
membros de uma equipe de trabalho. Blocos previamente desenvolvidos podem
ser aproveitados em novos projetos, minimizando o tempo de execucao destes.
• Minimizacao de custos - O desenvolvimento de um novo hardware para atender
exigencias de um novo projeto ou a novas exigencias de um projeto antigo, implica
em custos que podem ser evitados pela utilizacao de logica reconfiguravel.
• Facil expansao - Novos modulos podem ser gradativamente adicionados ao sis-
tema original permitindo que novas funcionalidades sejam implementadas sem a
necessidade de realizar um novo projeto de hardware.
• Velocidade de operacao - Alem da caracterıstica de operar em paralelo, algorit-
mos implementados com logica reconfiguravel sao tipicamente mais rapidos que
algoritmos implementados com logica convencional (execucao de linhas de codigo
atraves de um processador).
109
• Domınio tecnologico - Logica reconfiguravel e apresentada como solucao para
inumeros problemas praticos de engenharia. Dentro desta realidade e justificavel
o esforco para dominar esta area de conhecimento, buscando suas virtudes e
limitacoes.
Sistemas reconfiguraveis sao sistemas que apresentam a caracterıstica de, atraves da
substituicao de parte de seu software ou hardware, adaptarem-se a tarefas especıficas.
Eles tem por objetivo obter alto desempenho com baixo custo de producao sendo uma
alternativa as maquinas de Von Neumann implementadas nos sistemas com micropro-
cessadores.
Sistemas de software reconfiguravel sao bastante comuns, sendo exemplos os siste-
mas embarcados em automoveis, em eletrodomesticos e mesmo em vıdeo games. Nestes
sistemas, a mudanca de uma ROM ou de um CD-ROM leva a reconfiguracao de funcoes
responsaveis pela operacao dos mesmos (MIYAZAKI, 1998).
Sistemas de hardware reconfiguravel sao mais recentes e estao associados ao apa-
recimento das FPGA (Field Programmable Gate Array) na decada de 90. Em Page
(1996) e proposta a uniao em um unico circuito integrado de um microprocessador e
uma FPGA para atender dinamicamente novas aplicacoes. O advento de dispositivos
como FPGAs mudou o ponto de balanco do compromisso entre flexibilidade e desem-
penho. Com as FPGA os objetivos de desempenho sao mantidos com o aumento da
flexibilidade (KALRA, 2001).
Comparados aos sistemas de software reconfiguravel os sistemas de hardware recon-
figuravel apresentam um maior potencial em termos de desempenho e adaptabilidade.
Outras siglas estao associadas aos sistemas de hardware reconfiguravel: CCM (Custom
Computing Machines) ou FCCM (FPGA-based Custom Computing Machines). As ex-
pressoes computacao reconfiguravel e logica reconfiguravel tambem estao associadas
a sistemas de hardware reconfiguravel. Neste trabalho, as expressoes sistema reconfi-
guravel, computacao reconfiguravel e logica configuravel sao relacionadas com sistemas
de hardware reconfiguravel.
Tradicionalmente, a execucao de um algoritmo na computacao convencional pode
seguir dois metodos: utilizar uma tecnologia de hardware, a exemplo de ASICs (Ap-
plication Specific Integrated Circuits) ou de placas de circuito impresso, ou utilizar
microprocessadores programaveis por software. O primeiro metodo apresenta como
vantagem a grande velocidade de execucao, mas nao e flexıvel a modificacoes pos-
teriores. O segundo metodo, embora apresente alta flexibilidade para modificacoes,
nao e executado com a mesma velocidade dos algoritmos programados em hardware
110
(MENTOR, 2005).
O fato dos microprocessadores executarem de forma sequencial suas tarefas
(maquina de Von Neumann) faz com que os algoritmos programados por software te-
nham tempos de processamento que nao sao aceitaveis para muitas aplicacoes (DIDO,
2002; ITO; CARRO, 2000).
A computacao reconfiguravel tem por objetivo suprir a lacuna entre a solucao por
software e a solucao por hardware, atingindo desempenhos muito superiores aos de-
sempenhos obtidos por software, mas obtendo uma flexibilidade muito maior que a
flexibilidade obtida com uma solucao por hardware (CHEN; CHEN, 2000; COMPTON;
HAUCK, 2002; CORIC, 2002)).
De outro modo, sistemas embarcados apresentam grande dinamica tecnologica, ou
seja, estao sujeitos a grandes variacoes tecnologicas em curto espaco de tempo, seja
pela demanda por novas tarefas e desempenhos, seja pela disponibilidade de novas
tecnologias de sensores e atuadores. Restricoes de recursos em sistemas embarcados
acentuam a necessidade de novas ideias de projeto.
E comum a utilizacao de blocos de software funcionalmente testados visando reduzir
o tempo de projeto de um sistema (API - Application Program Interface). Em hardware
existem blocos funcionais que podem assumir a mesma funcao. Estes blocos podem ser
combinados com outros circuitos para implementar um determinado algoritmo. Este
aspecto modular permite facilitar a manutencao e a atualizacao de projetos (COMPTON;
HAUCK, 2002; CORIC, 2002; RENNER, 2002).
A utilizacao de IP-CORE (Intellectual Property Cores), permite a integracao de
solucoes ja desenvolvidas por diversos fornecedores para minimizar o tempo de projeto.
Barramento PCI, interfaces de comunicacao, e funcoes de processamento de sinal, como
FFT (Fast Fourier Transform), codificacao e decodificacao de imagens digitais e mesmo
Microprocessadores e DSPs sao exemplos de IP-CORE disponıveis (ITO; CARRO, 2000;
KEAN, 2000).
As PLDs (Programmable Logic Devices), tambem chamadas de EPLD (Erasable
Programmable Logic Devices), ou ainda CPLD (Complex Programmable Logic Devi-
ces), e as FPGAs (Field Programmable Gate Array) ou DFGAs (Dynamically Field
Programmable Gate Array) sao dispositivos que permitem a execucao de algoritmos
diretamente em hardware. Com estes dispositivos programaveis e possıvel executar
os algoritmos explorando o paralelismo inerente da solucao por hardware, executando-
os muito mais rapido do que se os mesmos algoritmos fossem executados de forma
sequencial por microcontroladores ou por DSPs, sujeitos ao modelo de Von Neumann.
111
Paralelamente ao desenvolvimento de dispositivos que permitiram a implementacao
da computacao reconfiguravel, ambientes de projeto, depuracao, simulacao e testes fo-
ram desenvolvidos pelos diversos fabricantes. Estes ambientes permitem a criacao de
modulos desenvolvidos com linguagens de alto nıvel de abstracao, chamadas lingua-
gens de descricao de hardware, a exemplo de VHDL (VHSIC Hardware Descriptive
Language) e AHDL (Altera Hardware Descriptive Language). A linguagem VHDL e a
linguagem padrao IEEE para descricao de hardware, a qual prove um ambiente inte-
grado de projeto possibilitando projeto, simulacao, teste e documentacao de circuitos
digitais. De outro modo, e possıvel implementar blocos com representacoes de mais
baixo nıvel de abstracao, a exemplo de esquematicos (linguagem grafica). A integracao
de blocos criados com diferentes linguagens permite a criacao de projetos de forma bas-
tante flexıvel, facilitando a interacao entre os membros de uma equipe de trabalho. A
sıntese dos circuitos logicos em PLD e feita atraves de sistemas CAD (Computer Aided
Design), permitindo a utilizacao de diferentes interfaces de projeto. Diversos fabrican-
tes de sistemas de desenvolvimento e de dispositivos logicos reconfiguraveis disputam
o mercado mundial. Entre eles destacam-se Altera (ALTERA, 2005), Xilinx (XILINX,
2005), Atmel (ATMEL, 2005), Triscend (TRISCEND, 2005) e Actel (ACTEL, 2005). Ou-
tros fabricantes de software apresentam produtos CAD de apoio ao projeto: Mentor
Graphics (MENTOR, 2005), Synopsys (SYNOPSYS, 2005) e Accolade (ACCOLADE, 2005).
Uma motivacao adicional para o uso de logica reconfiguravel na implementacao dos
modulos propostos e a crescente disponibilidade de dispositivos de grande capacidade de
desempenho. Por exemplo, algumas FPGAs mais recentes apresentam caracterısticas
como: grande numero de pinos de I/O (mais de 700 pinos), impedancia digitalmente
controlada e linhas dedicadas para operacao em modo de par diferencial. Soma-se a
estas caracterısticas a existencia de modulos internos, multiplicadores, blocos PWM
(Pulse Width Modulation) e registradores dedicados para operacoes de alto desempe-
nho, alem de uma grande capacidade de memoria RAM interna de alta velocidade
(perto de 2 Mbits). Tais dispositivos operam com ate 5 milhoes de celulas logicas,
permitindo inclusive a implementacao de processadores completos com programa exe-
cutado em memoria interna (desempenho proximo de execucao em memoria cache).
112
Referencias Bibliograficas
ACCOLADE. Accolade Design Automation, Inc, 2005. Disponıvel em:
<http://www.xilinx.com>.
ACTEL. Actel Corporation, 2005. Disponıvel em: <http://www.actel.com>.
ALTERA. Altera Corporation, 2005. Disponıvel em: <http://www.altera.com>.
ANANTH, L.; MORCOS, M. A power quality monitoring system: A case study in
dsp based solutions for electric power industry. IEEE Power Engineering Review, p.
47–49, july 1999.
ANDRAKA. Andraka Consulting Group, Inc, 2006. Disponıvel em:
<http://www.andraka.com/fpgavdsp.htm>.
ANEEL. Equipamentos para o Sistema ANEEL de Monitoracao da Qualidade
da Energia Eletrica - Especificacao Tecnica e Funcional dos Equipamentos de
Monitoracao. [S.l.]: ANEEL, 2002.
ANEEL, R. . Continuidade da distribuicao de energia eletrica. 2005. Disponıvel em:
<http://www.aneel.gov.br/cedoc/res2000024.pdf>.
ATMEL. Atmel Corporation, 2005. Disponıvel em: <http://www .atmel.com>.
BADRUL, H. C. Power quality. IEEE Potentials, v. 20, n. 2, p. 5–11, April-May 2001.
BINGHAM, R. P. Pro-active vs. re-active. Dranetz-BMI, 2005. Disponıvel em:
<http://www.dranetz-bmi.com/pdf/proactive.pdf>.
BOLLEN, M. H. J.; BOLLEN, M. H. J. Understanding Power Quality Problems:
Voltage Sags and Interruptions. [S.l.]: IEEE Press, 1999.
BRAGA, R. A. M. Estudo e Implementacao de um Filtro Hıbrido de Potencia com
Parte Ativa Serie. 101 p. Dissertacao (Mestrado) — Pontifıcia Universidade Catolica
do Rio Grande do Sul, Marco 2001.
114
BRINGHAM, R. P.; KREISS, D.; SANTOSO, S. Advances in data reduction
techniques for power quality instrumentation. In: Proceedings Power Quality
Conference, p. 7–9, Nov 1995.
BRONZEADO, H. S. Qualidade de energia sob o ponto de vista de responsabilidade
compartilhada: uma visao condominial. In: SBQEE - I Seminario Brasileiro de
Qualidade de Energia Eletrica, 1996.
CHEN, R.-X.; CHEN, L.-G. C. L. System design consideration for digital wheelchair
controller. IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 47, n. 4, p. 898–907, 2000.
CIGRE. Cigre report 119: Metods to consider custumer interruption costs in power
system analysis. International Council on Large Electric Systems, 2001.
COMPTON, K.; HAUCK, S. Reconfigurable computing: a survey of systems and
software. ACM Computing Surveys, v. 34, n. 2, p. 171–210, 2002. Disponıvel em:
<http://www.ee.washington.edu/faculty/hauck/publications/ConfigCompute.pdf>.
CORIC, S.; LEESER, M.; MILLER, E. Parallel- bean backprojection: An fpga
implementation optimized for medical imaging. In: Proc. FPGA 2002, p. 217–226,
Fevereiro 2002.
DELGADO, J.; SARAIVA, P.; ALMEIDA, A. T. de. A importancia da qualidade da
energia eletrica na atualidade e o uso de novas tecnologias reparadoras. Seminario
Brasileiro sobre Qualidade da Energia Eletrica, v. 2, 1997. Sao Lourenco, Minas
Gerais, Brasil.
DELMONT, O. F. Utilizacao da Transformada de Wavelet para Caracterizacao
de Disturbios na Qualidade da Energia Eletrica. 92 p. Dissertacao (Dissertacao de
Mestrado) — Escola de Engenharia de Sao Carlos da Universidade de Sao Paulo, Sao
Carlos, Sao Paulo, Brasil, 2003.
DIDO, J. et al. A flexible floating-point format for optimizing data-paths and
operators in fpga-based dsps. In: Proceedings FPGA 2002, p. 50–55, Fevereiro 2002.
DRANETZ-BMI. Dranetz-BMI Corporation, 2005. Disponıvel em:
<http://www.dranetz-bmi.com/>.
Disponıvel em: <http://www.dranetz-bmi.com/products/>.
DUGAN, R.; MCGRANAGHAN, M.; SANTOSO, S. Eletrical Power System Quality.
[S.l.]: McGraw-Hill, 2002.
115
DUKE. Terminologia do setor eletrico brasileiro - dicionario de energia eletrica (por-
tugues-ingles). Duke Energy Corporation, 2006. Disponıvel em: <http://www.duke-
energy.com.br/IN/Negocios/download/dicionario completo.pdf>.
EIGELES, A.; MCNEILL, J. A. Electric power quality. v. 22, p. 263–303, 1997.
Disponıvel em: <http://www.arjournals.annualreviews.org>.
ELECTROTEK. Electrotek Concepts, 2005. Disponıvel em:
<http://www.electrotek.com/>.
ELETROBRAS. Criterios e Procedimentos para o Atendimento a Consumidores com
Cargas Especiais. Relatorio cece/scel/gcoi e gtcp/ctst/gcps. [S.l.], fevereiro 1993.
EMANUEL, A. E.; ORR, J. A.; CYGANSKI, D. A survey of harmonic voltages
and currents at the customers bus. IEEE Transactions on Power Delivery, v. 8, p.
411–421, Jan 1993.
EMBRASUL. Disponıvel em: <http://www.embrasul.com.br/>.
EPRI. Electric Power Research Institute, 2005. Disponıvel em:
<http://www.epri.org/>.
EURELETRIC. Power quality in european supply networks. Union of Electricity
Industry (EURELETRIC) - NE Standardisation, NE EMC & Harmonics, p. 579–588,
2003.
FLUKE. Disponıvel em:
<http://www.fluke.com.br/brpt/products/category.htm?category=PQTTOP(FlukeProducts)>.
FRANCO, E. Qualidade de energia - causas, efeitos e solucoes. Engecomp tecnologia em
automacao e controle LTDA, 2005. Disponıvel em: <http://www.engecomp.com.br>.
GOLKAR, A. Electric power quality: Types and measurements. 2005. Disponıvel em:
<http://ieeexplore.ieee.org/Xplore/>.
IEC1000-2-2. Limits for harmonic current emissions. International Eletrotechnical
Commission Standard, Marco 1995.
Draft Standart - Power Quality Measurement Methods.
IEC/EN61000-2-2 (Ed.). Electromagnetic Compability (EMC) - Part 2-2: Environment
- Compability levels for low-frequency conducted disturbances and signaling in public
line voltages power supply systems. [S.l.: s.n.], 2002.
IEEE1159. IEEE standard p1159 - IEEE recommended practice for monitoring electric
power quality. 1995.
116
IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for
Industrial and Commercial Applications.
IEEE519. Recommended practices and requirements for harmonic control in electric
power systems (ANSI). 1992.
ITO, S. A.; CARRO, L. A comparison of microcontrollers targeted to fpga-based
embedded applications. In: Proceedings of IEEE 13th Symposium on Integrated
Circuits and Systems Design, p. 397–402, 2000.
KAGAN, N.; OLIVEIRA, C. C. B. de; ROBBA, E. J. Introducao aos Sistemas de
Distribuicao de Energia Eletrica. [S.l.]: Edgard Blucher, 2005.
KALRA, P. Reconfigurable fpgas help build upgradeable systems. Embedded
Developers Journal, p. 16–21, September 2001.
KASSICK, E. V. Harmonicas em sistemas industriais de baixa tensao. Material
Didatico utilizado pela UFSC, 2000.
KEAN, T. Cryptographic rights management of fpga intellectual property cores. In:
Proc. FPGAs 2000 Proceedings, p. 113–118, 2000.
KEULENAER, H. D. Pesquisa sobre disturbios da energia e suas solucoes em paıses
da europa. Revista Eletricidade Moderna, v. 32, n. 358, p. 84–94, janeiro 2004.
KEY, T. S.; MANSOOR, A. Power quality for induction melting in metals production.
In: Proceedings Conference UIE, p. 579–588, 2000.
KOVAL, D. O.; BOCANCEA, R. A.; YAIO, K. Frequency and duration of voltage
sags and surges at industrial sites (canadian national power quality survey). In:
Proceedings of IEEE IAS 97, p. 2189–2196, 1997.
KOVAL, D. O.; LEONARD, J.; LICSKO, J. Power quality of small rural industries.
IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 29, p. 696–700, Jul./Ago 1993.
LI, C.; XU, W.; TAYJASANANT, T. Interharmonics: basic concepts and techniques
for their detection and measurement. Electric Power Systems Research, p. 1–10, 2003.
Disponıvel em: <http://www.ece.ualberta.ca/ wxu/papers/PQ-Interharmonics.pdf>.
LIMA, C. R. E.; ROSARIO, J. M. Implementacao de cadeira de rodas com dispositivos
logicos programaveis. Primeiro Congresso Tematico de Dinamica e Controle da
Sociedade Brasileira de Matematica Aplicada e Computacional - DINCON 2002, Sao
Jose do Rio Preto, SP, Brasil, v. 1, p. 27–33, 2002.
117
MCGRANAGHAN, M. Trends in power quality monitoring. IEEE Power Engineering
Review, v. 21, n. 10, p. 3–9, October 2001.
MCGRANAGHAN, M.; ROETTGER, B. Economic evaluation of power quality.
IEEE Power Engineering Review, February 2002.
MCGRANAGHAN, M. F.; MUELLER, D. R.; SAMOTYJ, M. J. Voltage sags in
industrial systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 29, p. 397–403,
Mar./Abr. 1993.
MENTOR. Mentor Graphics Corporation, 2005. Disponıvel em:
<http://www.mentor.com>.
MERLHORN, C.; MCGRANAGHAN, M. F. Interpretation and analysis of power
quality measurements. Drantez-BMI, 1995. Disponıvel em: <http://www.dranetz-
bmi.com/pdf/interpret.pdf>.
MIYAZAKI, T. Reconfigurable systems: a survey. In: Proceedings of the IEEE Design
Automation Conference ASP-DAC 98, p. 447–452, 1998.
OLESKOVICZ, M. Apostila de qualidade de energia eletrica. 2005. Disponıvel em:
<http://www.sel.eesc.sc.usp.br/pos/disciplinas/sel5749/Apost QEE 2004.pdf>.
PAGE, I. Reconfigurable processor architectures. Microprocessors and Microsystems,
v. 20, p. 185–196, 1996.
PAVLIDOU, N.; VINCK, A. J. H.; YAZDANI, J. Power line communications: state
of the art and future trends. IEEE Communications Magazine, v. 41, n. 4, p. 34–40,
2003.
PHIPPS, J. K.; NELSON, J. P.; SEN, P. K. Power quality and harmonic distortion on
distribution systems. IEEE Transactions on Industry Applications, v. 30, p. 476–484,
Mar./Apr. 1994.
POMILIO, J. A. Normas relativas a corrente de linha: fator de
potencia e harmonicos de baixa frequencia. 2005. Disponıvel em:
<http://www.dsce.fee.unicamp.br/ antenor/htmlfile/harmo/fpcap2.html>.
PROCEL. Manual de Tarifacao da Energia Eletrica. [S.l.]: PROCEL, 2001.
RENNER, F. M.; HOFFMANN, K. J.; GLESNER, M. Design methodology of
application specific integrated circuit for mechatronic systems. Microprocessors and
Microsystems (Elsevier Science), p. 95–102, 2002.
118
ROSARIO, J. M.; LIMA, C. R. E.; SILVA, N. C. da. A proposal of flexible architecture
for mobile robotics. In: Procedure of The 7th Mechatronics Forum International
Conference and Mechatronics Education, v. 2, p. 139–145, september 2000.
SANTOSO, S.; LAMOREE, J.; GRADY, W. M. A scalable power quality event
indentification system. IEEE Transactions on Power Delivery, v. 15, n. 2, p. 738–743,
April 2000.
Disponıvel em: <http://www.sea.siemens.com/pds/product/pt9610.html>.
SILVA, N. C. da; LIMA, C. R. E.; ROSARIO, J. M. A computational solution
to simplify prostheses control. In: 22nd Iberian Latin-American Congress on
Computational Methods in Engineering, Campinas, Sao Paulo, Brazil, 2001.
SILVA, N. C. da; ROSARIO, J. M.; LIMA, C. R. E. Estudo, desenvolvimento e
processo de fabricacao de proteses antropomorficas ativas destacando a prototipagem
rapida e a usinagem. In: XVI Congresso Brasileiro de Engenharia Mecanica, v. 1, p.
166–174, 2001.
SYNOPSYS. Synopsys, Inc, 2005. Disponıvel em: <http://www.synopysis.com>.
TEIXEIRA, M. D.; ARAUJO, R. L.; ARDJOMAND, L. M. Avaliacao dos
limites de parametros de qualidade de energia aceitaveis para prevenir danos
em eletrodomesticos. VI SBQEE, p. 409–415, Agosto 2005. Disponıvel em:
<http://www.labplan.ufsc.br/SBQEE/Anaispdf/7511.pdf>.
TEKTRONIX. Tektronix Corporation, 2005. Disponıvel em:
<http://tektronix.com/>.
THORNTON, J. P. Using renewables and energy efficiency to build
a robust energy infrastructure. Renewable Energy Seminar for State
Energy Officials and State Legislators, p. 14–14, 2005. Disponıvel em:
<http://irecusa.org/articles/static/1/binaries/Thornton2020ASES202003-
Version202.pdf>.
TRISCEND. Triscend Corporation, 2005. Disponıvel em:
<http://www.triscend.com>.
TVA. Tennessee Valley Authority, 2005. Disponıvel em: <http://www.tva.gov>.
Catalogo Eletronico do Conversor de Frequencia CFW09. Disponıvel em:
<http://catalogo.weg.com.br/files/artigos/1-157.pdf>.
XILINX. Xilinx Technology, Inc, 2005. Disponıvel em: <http://www.acc-eda.com>.
