Harmonicas noções gerais

Noções Básicas sobre Distorções Harmônicas
Introdução
A qualidade da energia tem sido alvo de muito interesse e
discussão e nos últimos anos. Cada vez mais, plantas
industriais tem descoberto que tem de lidar com o
problema da "energia suja". Esta é a expressão popular
usada para descrever uma grande variedade de
contaminações na corrente e na tensão elétrica.
<>Distorção harmônica é um tipo específico de energia
suja, que é normalmente associada com a crescente
quantidade de acionamentos estáticos, fontes chaveadas e
outros dispositivos eletrônicos nas plantas industriais.

harmônica.
Tecnicamente, uma harmônica é a componente de
uma onda periódica cuja freqüência é um múltiplo
inteiro da freqüência fundamental (no caso da
energia elétrica, de 60 Hz). A melhor maneira de
explicar isto é com a ilustração ao lado.
Nesta figura, vemos duas curvas: uma onda senoidal
normal, representando uma corrente de energia
"limpa", e outra onda menor, representando uma
harmônica.
Esta segunda onda menor representa
a harmônica de quinta ordem, o que
significa que sua freqüência é de 5 x
60 Hz, ou 300 Hz.
O que são harmônicas?

Harmônicas são um fenômeno contínuo, e não devem ser confundidas
com fenômenos de curta duração que duram apenas alguns ciclos.
Transientes, disturbações elétricas, picos de sobre-tensão e sub-tensão
não são harmônicas. Estas perturbações no sistema podem
normalmente ser eliminadas com a aplicação de filtros de linha
(supressores de transientes). Entretanto, estes filtros de linha não
reduzem ou eliminam correntes e tensões harmônicas.
Na segunda ilustração, vemos como
ficaria a soma das duas curvas. Esta
curva resultante mostra bem a
distorção harmônica da curva de
tensão, que deixa de ser perfeitamente
senoidal na presença de harmônicas.

Os principais equipamentos causadores das harmônicas são:
inversores de frequência, variadores de velocidade, acionamentos
tiristorizados, acionamentos em corrente contínua ou alternada,
retificadores, "drives", conversores eletrônicos de potência, fornos de
indução e a arco, "no-breaks" e máquinas de solda a arco.
A natureza e a magnitude das harmônicas geradas por cargas não-
lineares dependem de cada carga especificamente, mas algumas
generalizações podem ser feitas:
As harmônicas que causam problemas geralmente são as
harmônicas ímpares.
A magnitude da corrente harmônica diminui com o aumento da
frequência.
Quem causa as distorções harmônicas?

Da mesma forma que a pressão alta pode causar
sérios problemas ao corpo humano, altos níveis de
harmônicas numa instalação elétrica podem causar
problemas para as redes de distribuição das
concessionárias, para a própria instalação, e para
os equipamentos ali instalados. As consequências
podem chegar até à parada total de equipamentos
importantes de produção.
Quais são as consequências de altos níveis de distorções harmônicas?

Segue uma lista de consequências que as harmônicas podem causar em diversos tipos
de equipamentos:
 Capacitores: queima de fusíveis, e redução da vida útil.
 Motores: redução da vida útil, e impossibilidade de atingir potência máxima.
 Fusíveis/Disjuntores: operação falsa/errônea, e componentes danificados.
 Transformadores: aumento de perdas no ferro e no cobre, e redução de capacidade.
 Medidores: medições errôneas e possibilidade de maiores contas.
 Telefones: interferências.
 Acionamentos/Fontes: operações errôneas devido a múltiplas passagens por zero, e
falha na comutação de circuitos.
Distorções harmônicas causam muitos prejuízos a plantas industriais. De maior
importância, são a perda de produtividade, e de vendas devido a paradas de produção
causadas por inesperadas falhas em motores, acionamentos, fontes ou simplesmente
"repicar" de disjuntores.

O que os capacitores para correção de fator de potência tem
a ver com as harmônicas?
Em uma planta industrial que contenha capacitores para correção
de fator de potência, as distorções harmônicas podem ser
amplificadas em função da interação entre os capacitores e o
transformador de serviço. Este fenômeno é comumente chamada
de ressonância harmônica ou ressonância paralela.
Muitos dizem, erroneamente, que os causadores das harmônicas
são os capacitores. Na verdade, capacitores não geram
harmônicas, e sim agravam os problemas potenciais das
harmônicas. Eles são os equipamentos mais sensíveis às
harmônicas, e os que mais sofrem na presença delas. Talvez por
esta razão, problemas de harmônicas frequentemente não são
conhecidos até que são aplicados capacitores para correção de
fator de potência.

Como as harmônicas podem ser eliminadas?
Normalmente, a solução mais confiável e acessível é feita com o
uso de filtros de harmônicas. Um filtro de harmônicas é
essencialmente um capacitor para correção de fator de potência
combinado em série com um reator (indutor).

Noções Básicas
sobre Demanda e
Fator de Potência

O que é demanda?
Demanda é o consumo de energia da sua instalação dividido pelo
tempo no qual se verificou tal consumo. Para faturamento de
energia pela concessionária, se utilizam intervalos de integração
de 15 minutos. Assim, a sua demanda de energia (medida em
kW), é igual ao consumo a cada 15 minutos (medido em kWh)
dividido por 1/4 (15 minutos é igual a 1/4 de hora). Em um mês,
ocorrem quase 3000 intervalos de quinze minutos (clique aqui
para exemplo de um dia).
Assim, a sua demanda será medida quase 3000 vezes ao longo
do mês, e a concessionária de energia elétrica escolherá o valor
mais alto, ainda que tenha sido verificado apenas uma única vez.

O que é fator de potência?
Fator de Potência envolve uma relação entre potência ativa e potência
reativa: é a relação entre a potência ativa e potência total numa
instalação, num intervalo de tempo. Como a maioria das cargas de
uma instalação elétrica são indutivas, elas exigem um campo
eletromagnético para funcionar. Com isso, uma instalação qualquer
necessita de dois tipos de energia:
Potência Ativa, que realiza o trabalho propriamente dito, gerando
calor, iluminação, movimento, etc., e é medida em kW. Potência
Reativa, que mantém o campo eletromagnético, e é expressa em
KVAr.

Clique aqui e conheça detalhes da medição de energia reativa.

A Potência Total ou Aparente é dada em KVA, e é a soma vetorial das
potências ativa e reativa, como mostra a figura acima.
O fator de potência é sempre um número entre 0 e 1 (alguns o
expressam entre 0 e 100%) e pode ser capacitivo ou indutivo,
dependendo se o consumo de energia reativa for capacitivo ou indutivo.
Para faturamento de energia, o fator de potência é registrado de hora
em hora (clique aqui para exemplo de um dia).
Assim como no caso da demanda, os mecanismos de tarifação levarão
em conta o pior valor de fator de potência registrado ao longo do mês,
dentre os mais de 700 valores registrados.

A energia elétrica pode ser cobrada de diversas maneiras,
dependendo do enquadramento tarifário de cada consumidor.
Resumidamente, a classificação dos consumidores é feita conforme
abaixo:
Como é cobrada a energia elétrica?
Grupo A: Engloba os consumidores que recebem energia em
tensões acima de 220V. Possui três tipos de tarifação:
convencional, horo-sazonal azul e horo-sazonal verde. Nesta
categoria, os consumidores pagam pelo consumo, pela demanda e
por baixo fator de potência.

Grupo B: Engloba os demais consumidores, divididos em três
tipos de tarifação: residencial, comercial e rural. Neste grupo, os
consumidores pagam apenas pelo consumo medido.
A maioria das pequenas e médias empresas (industriais ou
comerciais) brasileiras se encaixa no Grupo A, onde são cobrados
pelo consumo, pela demanda e por baixo fator de potência. Estes
consumidores podem ser enquadrados na tarifação convencional,
ou na tarifação horo-sazonal (azul ou verde).

Os custos por kWh são mais baixos nas tarifas horo-
sazonais, mas as multas por ultrapassagem são mais
pesadas. Assim, para a escolha do melhor enquadramento
tarifário (quando facultado ao cliente) é necessária uma
avaliação específica.

Na tarifação convencional, o consumidor paga à concessionária até
três parcelas: consumo, demanda e ajuste de fator de potência. O
faturamento do consumo é igual ao de nossas casas, sem a divisão
do dia em horário de ponta e fora de ponta. Acumula-se o total de
kWh consumidos, e aplica-se uma tarifa de consumo para chegar-se
à parcela de faturamento de consumo.
A parcela de faturamento de demanda é obtida pela aplicação de
uma tarifa de demanda à demanda faturada, tal qual é
detalhadamente explicado abaixo (Tarifação Horo-Sazonal).
Tarifação Convencional
Para o cálculo da parcela de ajuste de fator de potência, o dia é
dividido em duas partes: horário capacitivo e o restante. Se o fator
de potência do consumidor estiver fora dos limites estipulados pela
legislação, haverá penalização por baixo fator de potência. Se o
fator de potência do consumidor estiver dentro dos limites pré-
estabelecidos, esta parcela não é cobrada.

Tarifação Horo-Sazonal (Azul e Verde)
Clique aqui e conheça o porquê da tarifação horo-sazonal, e suas
principais definições.
Na tarifação horo-sazonal (azul ou verde), os dias são divididos em
períodos fora de ponta e de ponta, para faturamento de demanda, e
em horário capacitivo e o restante, para faturamento de fator de
potência. Além disto, o ano é dividido em um período seco e outro
período úmido.
Assim, para o faturamento do consumo, acumula-se o total de kWh
consumidos em cada período: fora de ponta seca ou fora de ponta
úmida, e ponta seca ou ponta úmida. Para cada um destes períodos,
aplica-se uma tarifa de consumo diferenciada, e o total é a parcela
de faturamento de consumo. Evidentemente, as tarifas de consumo
nos períodos secos são mais caras que nos períodos úmidos, e no
horário de ponta é mais cara que no horário fora de ponta.

Na tarifação horo-sazonal azul, o faturamento da parcela de demanda
será igualmente composto por parcelas relativas à cada período: fora de
ponta seca ou fora de ponta úmida, e ponta seca ou ponta úmida. Para
cada período, o cálculo será o seguinte:
Caso 1 - Demanda registrada inferior à demanda contratada. Aplica-se a
tarifa de demanda correspondente à demanda contratada.
Caso 2 - Demanda registrada superior à demanda contratada, mas
dentro da tolerância de ultrapassagem**. Aplica-se a tarifa de demanda
correspondente à demanda registrada.
Caso 3 - Demanda registrada superior à demanda contratada e acima da
tolerância**. Aplica-se a tarifa de demanda correspondente à demanda
contratada, e soma-se a isso a aplicação da tarifa de ultrapassagem
correspondente à diferença entre a demanda registrada e a demanda
contratada. Ou seja: paga-se tarifa normal pelo contratado, e tarifa de
ultrapassagem sobre todo o excedente.

Na tarifa verde, o consumidor contrata apenas dois valores de demanda, um
para o período úmido e outro para o período seco. Não existe contrato
diferenciado de demanda no horário de ponta, como na tarifa azul. Assim, o
faturamento da parcela de demanda será composto uma por parcela apenas,
relativa ao período seco ou ao período úmido, usando o mesmo critério
acima.
Para o cálculo da parcela de ajuste de fator de potência, o dia é dividido em
três partes: horário capacitivo, horário de ponta, e o restante. Se o fator de
potência do consumidor, registrato de hora em hora ao longo do mês, estiver
fora dos limites estipulados pela legislação, haverá penalização por baixo
fator de potência. Se o fator de potência do consumidor estiver dentro dos
limites pré-estabelecidos, esta parcela não é cobrada.
**Observações: A tolerância de ultrapassagem, dada aos consumidores das
tarifas horo-sazonais para fins de faturamento de demanda, é de:
5% para osconsumidores atendidos em tensão igual ou superior a 69 kV.
10% para os consumidores atendidos em tensão inferior a 69 kV (a grande
maioria).

O período úmido é aquele onde, devido à estação de chuvas, os
reservatórios de nossas usinas hidrelétricas estão mais altos. Como
o potencial hidráulico das usinas cresce, existe um incentivo (tarifas
mais baixas) para que o consumo de energia seja maior neste
período. Os meses úmidos são: dezembro, janeiro, fevereiro, março
e abril.
O período seco é aquele onde, devido à falta de chuvas, os
reservatórios de nossas usinas hidrelétricas estão mais baixos.
Como o potencial hidráulico das usinas diminui, existe um
acréscimo nas tarifas para que o consumo de energia seja menor
neste período. Os meses secos são: maio, junho, julho, agosto,
setembro, outubro e novembro.

Por que controlar a demanda?
Qualquer que seja o seu enquadramento tarifário dentro do Grupo A, a
sua demanda registrada (para fins de faturamento) será, a cada mês, a
maior demanda de cada um dos intervalos de integração de 15 minutos
ao longo do mês. Se sua empresa estiver enquadrada na tarifa horo-
sazonal azul, terá uma demanda registrada para o horário fora de ponta,
e outra demanda registrada para o horário de ponta. Estes valores,
quando elevados, podem ocasionar pesados acréscimos à sua fatura de
energia.

Por que controlar o fator de potência?
A Portaria DNAEE 1569/93 estabeleceu novas regras para o
fator de potência dos consumidores do Grupo A. Em linhas
gerais, eles deverão manter o fator de potência de suas
instalações acima de 0,92 indutivo durante os horários fora de
ponta indutivo e de ponta, e deverão manter o fator de potência
acima de 0,92 capacitivo no horário capacitivo.
Como o fator de potência é medido pela concessionária de hora
em hora, há que se controlá-lo continua e automaticamente, de
modo a evitar multas por baixo fator de potência.

Como a concessionária mede a demanda e o fator de potência?
Assuma, como fato quase que certo, que a sua concessionária possui
instalados, junto à sua entrada de energia, todos os medidores e
registradores de energia necessários à cobrança das grandezas elétricas
que o seu enquadramento tarifário permite a ela cobrar.
Para isto, são medidos e registrados a demanda ativa e reativa a cada 15
em 15 minutos, durante todos os dias entre as leituras de energia. Durante
a leitura, esses dados são transferidos para um coletor de dados, e
posteriormente, eles são descarregados no computador da concessionária
que faz o faturamento de cada um dos clientes.

O que um controlador de demanda pode fazer por mim?
Um controlador pode:
1. monitorar o comportamento da demanda e do fator de potência
continuamente.
2. fornecer gráficos e relatórios que permitem a análise do
comportamento da demanda e do fator de potência, e a tomada de
medidas corretivas cabíveis.
3. controlar automaticamente as cargas e os capacitores, impedindo a
ocorrência de multas.
Com isso, você pode conseguir boas economias (clique aqui para
exemplo) na sua conta de energia elétrica.

Como o equipamento controla a demanda e o fator de potência?
Resumidamente, o modo de funcionamento do controlador é o seguinte:
Entrada de Dados: Os pulsos
emitidos pelo medidor REP,
utilizado pela concessionária
para fazer os registros que
servirão ao faturamento de sua
energia, são os mesmos que o
controlador utililiza para fazer
cálculos e controles. Isto torna o
controle 100% compatível com
a sua medição. Estes pulsos
são recebidos pela placa de
interface do sistema,
especialmente desenhada para
este fim.

Cálculos da Concessionária: A concessionária registra a DEMANDA ATIVA
consumida a cada 15 minutos, o chamado intervalo de integração. A
concessionária registra, igualmente, DEMANDA REATIVA a cada 15 minutos, e
com base nestes valores, calcula o FATOR DE POTÊNCIA médio da instalação
em cado intervalo de uma HORA, ao longo do mês.
Cálculos do controlador: O controlador faz constantemente vários cálculos que
permitem alcançar um valores de demanda e fator de potência (figura ao lado),
a cada intervalo de integração, dentro dos limites estabelecidos pela legislação
em vigor, sem desligar inutilmente as cargas, sem sobrecarregar os capacitores,
e sem prejudicar a produção.
Atuação do controlador: O controlador atua sobre as cargas e sobre os
capacitores obedecendo aos critérios definidos pelo usuário, e garante que a
demanda e o fator de potência alcançados no final de cada intervalo estarão
dentro do limites prefixados.

Diagrama Funcional do Sistema
A instalação de um controlador pode ser realizada de várias maneiras,
dependendo do ambiente industrial e do modo de operar desejado pelo
usuário.

Normalmente, as distâncias entre o controlador e a cabine de
medição da concessionária, e entre o controlador e as cargas é
que determinam com maior precisão o tipo de instalação que
será implementada. Consulte a engenharia da Engecomp para
uma avaliação do seu caso específico.

Qualidade de Energia - Causas, Efeitos e Soluções
Autor: Edgard Franco - ENGECOMP TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO E
CONTROLE LTDA.
1. Introdução
2. Normas e Organizações Relacionadas com Qualidade de Energia
3. Terminologia e Definição dos Itens de Qualidade
4. Transitórios
5. Interrupções e Sags
6. Sobretensões
7. Desequilíbrios de Tensão
8. Distorções na Forma de Onda
9. Distorções Harmônicas
10. Flutuações ou Oscilações de Tensão
11. Vairações na Freqüencia do Sistema Elétrico
12. Resumo: Causas, Efeitos e Soluções
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1. INTRODUÇÃO
O conceito de Qualidade de Energia está relacionado a um
conjunto de alterações que podem ocorrer no sistema
elétrico. Uma boa definição para o problema de qualidade
de energia é: "Qualquer problema de energia manifestado
na tensão, corrente ou nas variações de freqüência que
resulte em falha ou má operação de equipamentos de
consumidores". Tais alterações podem ocorrer em várias
partes do sistema de energia, seja nas instalações de
consumidores ou no sistema supridor da concessionária.
Estes problemas vem se agravando rapidamente em todo o
mundo por diversas razões, das quais destacamos duas:

 instalação cada vez maior de cargas não-lineares. O crescente
interesse pela racionalização e conservação da energia elétrica tem
aumentado o uso de equipamentos que, em muitos casos, aumentam
os níveis de distorções harmônicas e podem levar o sistema a
condições de ressonância.
 maior sensibilidade dos equipamentos instalados aos efeitos dos
fenômenos (distúrbios) de qualidade de energia.
Em alguns ramos de atividade, como as indústrias têxtil, siderúrgica e
petroquímica, os impactos econômicos da qualidade da energia são
enormes. Nestes setores, uma interrupção elétrica de até 1 minuto
pode ocasionar prejuízos de até US$ 500 mil. E diante deste potencial
de prejuízos possíveis, fica evidente a importância de uma análise e
diagnóstico da qualidade da energia elétrica, no intuito de determinar
as causas e as conseqüências dos distúrbios no sistema, além de
apresentar medidas técnica e economicamente viáveis para
solucionar o problema.

2. NORMAS E ORGANIZAÇÕES RELACIONADAS COM
QUALIDADE DE ENERGIA
A Europa é a região do planeta mais avançada no quesito normas de
qualidade de energia, uma vez que a norma EN50160 foi oficialmente
adotada por vários países. Nos EUA, muitas concessionárias tem usado normas
como a IEEE 519 apenas como referência, raramente incluindo cláusulas sobre
este assunto nos contratos com clientes.
Entretanto, o clima de desregulamentação pode
significar que contratos com cláusulas de qualidade
de energia possam vir a ser comuns no futuro.
Segue lista de normas e entidades:

EN50160: é uma nova norma que cobre flicker, interharmônicas, desvios/variações de
tensão, e muito mais.
IEC 61000-4-15: é uma norma de medição de flicker que inclui especificações para
medidores.
IEC 61000-4-7: descreve uma técnica de medição padrão para harmônicas.
IEEE 519 (1992): é uma prática recomendada pela IEEE, utilizada principalmente por
concessionárias de energia nos EUA. Descreve níveis aceitáveis de harmônicas para o
ponto de entrega de energia pela concessionária.
IEEE 1159 (1995): é uma prática recomendada pela IEEE para monitoração e
interpretação apropriada dos fenômenos que causam problemas de qualidade de energia.

CBEMA: Computer and Business Equipment Manufacturers Association. A CBEMA virou
ITI em 1994. A curva CBEMA define os níveis de suportabilidade de equipamentos, em
função da magnitude da tensão e da duração do distúrbio. Distúrbios que caiam fora da
curva podem causar danos aos equipamentos.
ITI: Information Technology Industry Council. Grupo trabalha para defender os
interesses da indústria de informática.

3. TERMINOLOGIAS E DEFINIÇÕES DOS ITENS DE QUALIDADE
Na ótica do consumidor, talvez seja mais simples e
adequado utilizarmos simplesmente a palavra "distúrbios"
para englobar todos os fenômenos que afetam a qualidade
da energia elétrica.
Estes "distúrbios" podem ter origem na energia elétrica
entregue pela concessionária de energia, ou na rede
interna de distribuição (incluindo equipamentos ali
instalados) do próprio consumidor. A figura ao lado mostra
a origem dos problemas de qualidade de energia, quando
analisada sob a ótica do consumidor.

Os acadêmicos e especialistas, no entanto, classificam os itens de
qualidade ("distúrbios") conforme segue:
TRANSITÓRIOS, dos tipos impulsivos ou oscilatórios.
VARIAÇÕES DE TENSÃO DE CURTA DURAÇÃO, que podem ser instantâneas,
momentâneas, ou temporárias.
VARIAÇÕES DE TENSÃO DE LONGA DURAÇÃO, que podem ser de três tipos:
interrupcões, subtensões ou sobretensões sustentadas.

DESEQUILÍBRIOS DE TENSÃO, causados por má distribuição de cargas monofásicas, e
que fazem surgir no circuito tensões de seqüência negativa.
DISTORÇÕES DA FORMA DE ONDA, que podem ser classificadas em cinco tipos: nível
CC, harmônicos, interharmônicos, "notching", e ruídos.
OSCILAÇÕES DE TENSÃO, que são variações sistemáticas dos valores eficazes da
tensão de suprimento (dentro da faixa compreendida entre 0,95 e 1,05 pu), e que podem
ser aleatórias, repetitivas ou esporádicas.
VARIAÇÕES DA FREQUÊNCIA DO SISTEMA, que são definidas como sendo desvios no
valor da freqüência fundamental deste sistema (50 ou 60Hz).

A figura abaixo mostra as formas de onda
típicas dos itens de qualidade mais
comuns:

4. TRANSITÓRIOS
Os transitórios são fenômenos eletromagnéticos oriundos de alterações súbitas nas
condições operacionais de um sistema de energia elétrica. Geralmente, a duração de
um transitório é muito pequena, mas de grande importância, uma vez que submetem
equipamentos a grandes solicitações de tensão e/ou corrente. Existem dois tipos
de transitórios: os impulsivos, causados por descargas atmosféricas, e os
oscilatórios, causados por chaveamentos.
Um transitório impulsivo (normalmente causado
por descargas atmosféricas) pode ser definido
como uma alteração repentina nas condições
de regime permanente da tensão, corrente ou
ambas, caracterizando-se por apresentar
impulsos unidirecionais em polaridade
(positivo ou negativo) e com freqüência
bastante diferente daquela da rede
elétrica.

Em sistemas de distribuição o caminho mais provável para as descargas
atmosféricas é através de um condutor fase, no primário ou no secundário,
causando altas sobretensões no sistema. Uma descarga diretamente na fase
pode gerar também subtensões de curta duração ("sag") e interrupções.
Altas sobretensões transitórias podem também ser geradas por descargas
que fluem ao longo do condutor terra, causando os seguintes problemas:
Elevação do potencial do terra local, em
relação a outros terras, em vários kV.
Equipamentos eletrônicos conectados
entre duas referências de terra, tais como
computadores conectados a modems,
podem ser danificados quando submetidos
a altos níveis de tensão.
Indução de altas tensões nos condutores
fase, quando as correntes passam pelos
cabos a caminho do terra.

Um transitório oscilatório é caracterizado por uma alteração repentina nas condições
de regime permanente da tensão e/ou corrente possuindo valores de polaridade
positiva e negativa. Estes transitórios normalmente são decorrentes de energização
de linhas, corte de corrente indutiva, eliminação de faltas, chaveamento de bancos
de capacitores e transformadores, etc.
Os transitórios oscilatórios de média-frequência podem ser causados por:
energização de capacitor "back-to-back" (resultando em correntes transitórias de
dezenas de kHz), chaveamento de disjuntores para eliminação de faltas e também
como resposta do sistema a um transitório impulsivo.

As variações de tensão de curta duração podem ser caracterizadas por
alterações instantâneas, momentâneas ou temporárias. Tais variações de
tensão são, geralmente, causadas pela energização de grandes cargas
que requerem altas correntes de partida, ou por intermitentes falhas nas
conexões dos cabos de sistema. Dependendo do local da falha e das
condições do sistema, o resultado pode ser uma queda de tensão
temporária ("sag"), uma elevação de tensão ("swell"), ou mesmo uma
interrupção completa do sistema elétrico.
Chama-se interrupção de curta duração quando a tensão de suprimento
cai para um valor menor que 0,1 pu por um período de tempo não superior
a 1 minuto, o que geralmente ocorre por faltas no sistema de energia,
falhas de equipamentos e mal funcionamento de sistemas de controle.
Algumas interrupções podem ser precedidas por um "sag" quando estas
são devidas a faltas no sistema supridor. O "sag" ocorre no período de
tempo entre o início de uma falta e a operação do dispositivo de proteção
do sistema.
5. INTERRUPÇÕES E SAGS

Vamos analisar, por exemplo, o caso de um curto-circuito no sistema supridor
da concessionária. Logo que o dispositivo de proteção detecta a corrente de
curto-circuito, ele comanda a desenergização da linha com vistas a eliminar a
corrente de falta. Somente após um curto intervalo de tempo, o religamento
automático do disjuntor ou religador é efetuado. Entretanto, pode ocorrer que,
após o religamento, o curto persista e uma seqüência de religamentos pode
ser efetuada com o intuito de eliminar a falta. A figura abaixo ilustra uma
seqüência de religamentos com valores típicos de ajustes do atraso. Sendo a
falta de caráter temporário, o equipamento de proteção não completará a
seqüência de operações programadas e o fornecimento de energia não é
interrompido.
Assim, a maior parte dos consumidores
(principalmente os residenciais) não sentirá os
efeitos da interrupção. Porém, algumas cargas
mais sensíveis (ex: computadores e outras
cargas eletrônicas) estarão sujeitas a tais
efeitos, a menos que a instalação seja dotada
de unidades UPS (no-breaks), que evitarão
maiores conseqüências na operação destes
equipamentos.

Alguns dados estatísticos revelam que 75% das faltas em redes aéreas
são de natureza temporária. No passado, este percentual não era
considerado preocupante. Entretanto, com o crescente emprego de
cargas eletrônicas, como inversores, computadores, etc., este número
passou a ser relevante nos estudos de otimização do sistema, pois é,
agora, tido como responsável pela saída de operação de diversos
equipamentos, interrompendo o processo produtivo, e causando
enormes prejuízos às indústrias.
Uma queda de tensão de curta duração, também chamada de "sag", é
caracterizada por uma redução no valor eficaz da tensão, entre 0,1 e 0,9
pu, na freqüência fundamental, com duração entre 0,5 ciclo e 1 minuto.
A figura ao lado ilustra uma subtensão de curta duração típica, causada
por uma falta fase-terra. Observa-se um decréscimo de 80% na tensão
por um período de aproximadamente 3 ciclos, até que o equipamento de
proteção da subestação opere e elimine a corrente de falta.

6. SOBRETENSÕES
Uma sobretensão de curta duração ou "swell" é definida como um
aumento entre 1,1 e 1,8 pu na tensão eficaz, na freqüência da rede,
com duração entre 0,5 ciclo a 1 minuto. Os "swells" estão geralmente
associados com condições de falta no sistema.

A figura abaixo ilustra um "swell" causado por uma falta fase-terra. Este
fenômeno pode também estar associado à saída de grandes blocos de
cargas ou à energização de grandes bancos de capacitores, porém, com
uma incidência pequena se comparada com as sobretensões provenientes
de faltas fase-terra nas redes de transmissão e distribuição.

As sobretensões de curta duração são caracterizadas pelas suas magnitudes
(valores eficazes) e suas durações. A severidade de um "swell" durante uma
condição de falta é função do local da falta, da impedância do sistema e do
aterramento. Sua duração está intimamente ligada aos ajustes dos dispositivos de
proteção, à natureza da falta (permanente ou temporária) e à sua localização na
rede elétrica.
Como conseqüência das sobretensões de curta duração em equipamentos, pode-
se citar falhas dos componentes, dependendo da freqüência de ocorrência do
distúrbio. Dispositivos eletrônicos incluindo ASD's, computadores e controladores
eletrônicos, podem apresentar falhas imediatas durante estas condições.
Transformadores, cabos, barramentos, dispositivos de chaveamento, TPs, TCs e
máquinas rotativas podem ter a vida útil reduzida. Um aumento de curta duração
na tensão em alguns relés pode resultar em má operação, enquanto outros podem
não ser afetados. Um "swell" em um banco de capacitores pode, freqüentemente,
causar danos no equipamento.

Dentro do exposto, a preocupação principal recai sobre os equipamentos
eletrônicos, uma vez que estas sobretensões podem vir danificar os
componentes internos destes equipamentos, conduzindo-os à má
operação, ou em casos extremos, à completa inutilização. Vale ressaltar
mais uma vez que, a suportabilidade de um equipamento não depende
apenas da magnitude da sobretensão, mas também do seu período de
duração, conforme ilustra a figura ao lado, que mostra as tolerâncias
típicas de microcomputadores às variações de tensão (curva CBEMA).
Diante de tais problemas causados por sobretensões de curta duração,
este item de qualidade sugere que seja mantida uma atenção por parte de
consumidores, fabricantes e concessionárias, no intuito de eliminar ou
reduzir as conseqüências oriundas deste fenômeno.

7. DESEQUILÍBRIOS DE TENSÃO
Os desequilíbrios podem ser definidos
como o desvio máximo da média das
correntes ou tensões trifásicas, dividido
pela média das correntes ou tensões
trifásicas, expressado em percentual. As
origens destes desequilíbrios estão
geralmente nos sistemas de distribuição,
os quais possuem cargas monofásicas
distribuídas inadequadamente, fazendo
surgir no circuito tensões de seqüência
negativa. Este problema se agrava
quando consumidores alimentados de
forma trifásica possuem uma má
distribuição de carga em seus circuitos
internos, impondo correntes
desequilibradas no circuito da
concessionária.

Tais fatores fazem com que a qualidade no fornecimento de energia
seja prejudicada, e alguns consumidores tenham em suas
alimentações um desequilíbrio de tensão. Estes desequilíbrios de
tensão podem apresentar problemas indesejáveis na operação de
equipamentos, dentre os quais destacam-se:
Motores de Indução: Para as análises dos efeitos de tensões
desequilibradas aplicadas a um motor de indução, considera-se
somente os efeitos produzidos pelas tensões de seqüência negativa,
que somados aos resultados da tensão de seqüência positiva,
resultam num conjugado pulsante no eixo da máquina (vide figura),
e no sobreaquecimento da máquina. Como conseqüência direta desta
elevação de temperatura tem-se a redução da expectativa de vida
útil dos motores, visto que o material isolante sofre uma
deterioração mais acentuada na presença de elevadas temperaturas
nos enrolamentos.

Máquinas síncronas: Como no caso anterior, a corrente de seqüência
negativa fluindo através do estator de uma máquina síncrona, cria um campo
magnético girante com velocidade igual à do rotor, porém, no sentido contrário
ao de rotação definido pela seqüência positiva. Consequentemente, as tensões
e correntes induzidas nos enrolamentos de campo, de amortecimento e na
superfície do ferro do rotor, terão uma freqüência igual a duas vezes à da rede,
aumentando significativamente as perdas no rotor.
Retificadores: Uma ponte retificadora CA/CC, controlada ou não, injeta na
rede CA, quando esta opera sob condições nominais, correntes harmônicas
características (de ordem 5, 7, 11, 13, etc). Entretanto, quando o sistema
supridor encontra-se desequilibrado, os retificadores passam a gerar, além das
correntes harmônicas características, o terceiro harmônico e seus múltiplos. A
presença do terceiro harmônico e seus múltiplos no sistema elétrico é
extremamente indesejável, pois possibilita manifestação de ressonâncias não
previstas, causando danos a uma série de equipamentos.

8. DISTORÇÕES NA FORMA DE ONDA
A distorção da forma de onda é definida como um desvio, em regime
permanente, da forma de onda puramente senoidal, na freqüência fundamental,
e é caracterizada principalmente pelo seu conteúdo espectral. Existem cinco
tipos principais de distorções da forma de onda:
Harmônicos: tensões ou correntes senoidais de freqüências múltiplas
inteiras da freqüência fundamental (50 ou 60 Hz) na qual opera o sistema de
energia elétrica. Estes harmônicos distorcem as formas de onda da tensão e
corrente e são oriundos de equipamentos e cargas com características não-
lineares instalados no sistema de energia.

Interharmônicos: componentes de freqüência, em tensão ou corrente, que não
são múltiplos inteiros da freqüência fundamental do sistema supridor (50 ou
60Hz). Elas podem aparecer como freqüências discretas ou como uma larga
faixa espectral. Os interharmônicos podem ser encontrados em redes de
diferentes classes de tensão. As suas principais fontes são conversores
estáticos de potência, cicloconversores, motores de indução e equipamentos a
arco. Sinais "carrier" em linhas de potência também podem ser considerados
como interharmônicos. Os efeitos deste fenômeno não são bem conhecidos,
mas admite-se que os mesmos podem afetar a transmissão de sinais "carrier" e
induzir "flicker" visual no display de equipamentos como tubos de raios
catódicos.
Nível CC: a presença de tensão ou corrente CC em um sistema elétrico CA é
denominado "DC offset". Este fenômeno pode ocorrer como o resultado da
operação ideal de retificadores de meia-onda. O nível CC em redes de corrente
alternada pode levar à saturação de transformadores, resultando em perdas
adicionais e redução da vida útil.

"Notching": distúrbio de tensão causado pela operação normal de
equipamentos de eletrônica de potência quando a corrente é comutada de
uma fase para outra. Este fenômeno pode ser detectado através do
conteúdo harmônico da tensão afetada. As componentes de freqüência
associadas com os "notchings" são de alto valor e, desta forma, não podem
ser medidas pelos equipamentos normalmente utilizados para análise
harmônica.
Ruídos: é definido como um sinal elétrico indesejado, contendo uma larga
faixa espectral com freqüências menores que 200 KHz, as quais são
superpostas às tensões ou correntes de fase, ou encontradas em
condutores de neutro. Os ruídos em sistemas de potência podem ser
causados por equipamentos eletrônicos de potência, circuitos de controle,
equipamentos a arco, retificadores a estado sólido e fontes chaveadas e,
normalmente estão relacionados com aterramentos impróprios.

9. DISTORÇÕES HARMÔNICAS
Tecnicamente, uma harmônica é a componente de uma onda periódica cuja
frequência é um múltiplo inteiro da frequência fundamental (no caso da energia
elétrica, de 60 Hz). A melhor maneira de explicar isto é com a ilustração ao lado.
Nesta figura, vemos duas curvas: uma onda senoidal normal, representando
uma corrente de energia "limpa", e outra onda menor, representando uma
harmônica. Esta segunda onda menor representa a harmônica de quinta ordem,
o que significa que sua frequência é de 5 x 60 Hz, ou 300 Hz.
Na segunda ilustração, vemos como ficaria a soma das duas curvas. Esta curva
resultante mostra bem a distorção harmônica da curva de tensão, na presença
de harmônicas.
As distorções harmônicas vêm contra os objetivos da qualidade do suprimento
promovido por uma concessionária de energia elétrica, a qual deve fornecer aos
seus consumidores uma tensão puramente senoidal, com amplitude e freqüência
constantes. Entretanto, o fornecimento de energia a determinados consumidores
que causam deformações no sistema supridor, prejudicam não apenas o
consumidor responsável pelo distúrbio, mas também outros conectados à
mesma rede elétrica.

No passado não havia maiores preocupações com harmônicos. Cargas
com características não lineares eram pouco utilizadas e os equipamentos
eram mais resistentes aos efeitos provocados por harmônicas. Entretanto,
nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da eletrônica de potência,
e a utilização de métodos que buscam o uso mais racional da energia
elétrica, o conteúdo harmônico presente nos sistemas tem-se elevado,
causando uma série de efeitos indesejáveis em diversos equipamentos,
comprometendo a qualidade e o próprio uso racional da energia elétrica.
Assim, é de grande importância citar aqui os vários tipos de cargas elétricas
com características não lineares, que têm sido implantadas em grande
quantidade no sistema elétrico brasileiro:

 circuitos de iluminação com lâmpadas de descarga;
 fornos a arco;
 compensadores estáticos tipo reator saturado, etc.
 motores de corrente contínua controlados por retificadores;
 motores de indução controlados por inversores com comutação forçada;
 processos de eletrólise através de retificadores não-controlados;
 motores síncronos controlados por cicloconversores;

 fornos de indução de alta freqüência, etc.
 fornos de indução controlados por reatores saturados;
 cargas de aquecimento controladas por tiristores;
 velocidade dos motores CA controlados por tensão de estator;
 reguladores de tensão a núcleo saturado;
 computadores;
 eletrodomésticos com fontes chaveadas, etc.
Como já foi dito, as distorções harmônicas causam muitos prejuízos às
plantas industriais. De maior importância, são a perda de produtividade,
e de vendas devido a paradas de produção causadas por inesperadas
falhas em motores, acionamentos, fontes ou simplesmente "repicar" de
disjuntores.

Capacitores: queima de fusíveis, e redução da vida útil.
Motores: redução da vida útil, e impossibilidade de atingir potência máxima.
Fusíveis/Disjuntores: operação falsa/errônea, e componentes danificados.
Transformadores: aumento de perdas, causando redução de capacidade e diminuição da vida
útil.
Medidores:possibilidade de medições errôneas e de maiores contas.
Telefones: interferências.
Máquinas Síncronas: sobreaquecimento das sapatas polares, causado pela circulação de
correntes harmônicas nos enrolamentos amortecedores.
Acionamentos/Fontes: operações errôneas devido a múltiplas passagens por zero, e falha na
comutação de circuitos.
Carregamento exagerado do circuito de neutro, principalmente em instalações que agregam
muitos aparelhos eletrônicos e possuem malhas de terra mal projetadas.
Segue relação mais detalhada destes prejuízos:

Os principais problemas causados por harmônicos, no entanto, se dão junto
a bancos de capacitores, que podem originar condições de ressonância,
caracterizando uma sobretensão nos terminais das unidades capacitivas.
Em decorrência desta sobretensão, tem-se uma degradação do isolamento
das unidades capacitivas, e em casos extremos, uma completa danificação
dos capacitores. Além disso, consumidores conectados no mesmo ponto
ficam submetidos a tensões perigosas, mesmo não sendo portadores de
cargas poluidoras em sua instalação. Mesmo sem uma condição de
ressonância, um capacitor é sempre um caminho de baixa impedância para
as correntes harmônicas, e sempre estará sempre sujeito a sobrecarga e
sobreaquecimento excessivo.

10. FLUTUAÇÕES OU OSCILAÇÕES DE TENSÃO
As flutuações de tensão correspondem a variações sistemáticas dos valores eficazes
da tensão de suprimento dentro da faixa compreendida entre 0,95 e 1,05 pu. Tais
flutuações são geralmente causadas por cargas industriais e manifestam-se de
diferentes formas, a destacar:
 Flutuações Aleatórias: causadas por fornos a arco, onde as amplitudes das
oscilações dependem do estado de fusão do material e do nível de curto-circuito da
instalação.
 Flutuações Repetitivas: causadas por máquinas de solda, laminadores,
elevadores de minas e ferrovias.
 Flutuações Esporádicas: causadas pela partida direta de grandes motores.
Os principais efeitos nos sistemas elétricos, resultados das oscilações causadas pelos
equipamentos mencionados anteriormente são oscilações de potência e torque das
máquinas elétricas, queda de rendimento dos equipamentos elétricos, interferência
nos sistemas de proteção, e efeito "flicker" ou cintilação luminosa.

11. VARIAÇÕES NA FREQÜENCIA DO SISTEMA ELÉTRICO
Variações na freqüência de um sistema elétrico são definidas como sendo
desvios no valor da freqüência fundamental deste sistema (50 ou 60Hz). A
freqüência do sistema de potência está diretamente associada à velocidade de
rotação dos geradores que suprem o sistema. Pequenas variações de
freqüência podem ser observadas como resultado do balanço dinâmico entre
carga e geração no caso de alguma alteração (variações na faixa de 60 ±
0,5Hz). Variações de freqüência que ultrapassam os limites para operação
normal em regime permanente podem ser causadas por faltas em sistemas de
transmissão, saída de um grande bloco de carga ou pela saída de operação de
uma grande fonte de geração.
Em sistemas isolados, entretanto, como é o caso da geração própria nas
indústrias, na eventualidade de um distúrbio, a magnitude e o tempo de
permanência das máquinas operando fora da velocidade, resultam em desvios
da freqüência em proporções mais significativas.

12. RESUMO: CAUSAS, EFEITOS E SOLUÇÕES
Distúrbio Descrição Causas Efeitos Soluções
Interrupções Interrupção total da
alimentação elétrica
Curto-circuitos,
descargas
atmosféricas, e
outros acidentes que
exijam manobras
precisas de fusíveis,
disjuntores, etc.
Queda do sistema
Danificação de
componentes
Perda de produção
UPS
Geradores de
emergência
(interrupções de
longa duração)
Transientes Distúrbio na curva
senoidal, resultando
em rápido e agudo
aumento de tensão
Descargas
atmosféricas
Manobras da
concessionária
Manobras de grandes
cargas e bancos de
capacitores
Travamento, perda de
memória e erros de
processamento
Queima de placas
eletrônicas,
danificação de
materiais de isolação
e de equipamentos
Supressores de
transientes
UPS com
supressores de
transientes
Transformadores
de isolação
Sag / Swell Subtensões (sags) ou
sobretensões (swells)
curtas (meio ciclo até
3 segundos)
Sags respondem por
cerca de 87% de
todos os distúrbios
elétricos
Queda/Partida de
grandes
equipamentos
Curto-circuitos
Falha em
equipamentos ou
manobras da
concessionária
Perda de dados e
erros de
processamento
Desligamento de
equipamentos
Oscilações em
motores com redução
de vida útil
UPS
Reguladores de
tensão

Ruídos Sinal indesejado de
alta freqüência que
altera o padrão
normal de tensão
(onda senoidal)
Interferência de
estações de rádio e
TV
Operação de
equipamentos
eletrônicos
Travamentos, perda
de dados e erros de
processamento
Recepções distorcidas
(audio e video)
UPS
Transformadores
de isolação
Filtros de linha
Harmônicos Alteração do padrão
normal de tensão
(onda senoidal),
causada por
freqüências múltiplas
da fundamental (50-
60Hz)
UPS, Reatores
eletrônicos,
inversores de
freqüência,
retificadores e outras
cargas não-lineares.
Sobreaquecimento de
cabos e
equipamentos
Diminuição da
performance de
motores
Operação errônea de
disjuntores, relés e
fusíveis
Filtros de
harmônicas
Reatores de linha
Melhorias na fiação
e no aterramento
Transformadores
de isolação
Variações de
Tensão de Longa
Duração
Variações de tensão
com duração acima
de 1 minuto
Equipamentos e
fiação
sobrecarregados
Utilização imprópria
de transformadores
Fiação
subdimensionada ou
conexões mal feitas
Desligamento de
equipamentos
Sobreaquecimento de
motores e lâmpadas
Redução de vida útil
ou de eficiência dos
equipamentos
UPS
Verificar conexões
e fiações elétricas
Transferência de
equipamentos para
outros circuitos

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