Ümit Yaşar Oğuzcan

Os medidores Watt-Hora tipo Indução são diretamente responsáveis pela medição de uma grande parcela dos consumidores de energia elétrica. Equipamentos estes que são fabricados, calibrados e previamente testados para operarem sob condições ideais, ou seja, freqüência constante, formas de onda de tensão e corrente senoidais e sistema equilibrado. Entretanto, tais condições não são mais a realidade do sistema de distribuição de energia elétrica atual. Devido a isso, a proposta deste trabalho foi a de avaliar os erros de medição de energia elétrica ativa em medidores eletromagnéticos tipo indução, sujeitos a distorções harmônicas de correntes e tensões, em sistemas equilibrados e desequilibrados, através de uma análise laboratorial/experimental.

Para um bom entendimento do trabalho realizado, os primeiros capítulos foram dedicados aos motivos que levaram ao início da pesquisa, envolvendo, levantamento bibliográfico do que já tem sido feito nessa área, e, apresentando-se o diferencial proposto neste trabalho. Adicionalmente, uma revisão bibliográfica resumida dos itens relacionados à qualidade de energia elétrica foi apresentada, enfatizando-se aqueles índices que foram analisados na pesquisa: Harmônicos e Desequilíbrios de Tensão. Também, de forma resumida, foi apresentado o princípio de funcionamento do medidor de energia elétrica, tipo indução, equipamento responsável pelo registro de kWh consumido na grande maioria das instalações atuais no país. Foi considerado o exemplo de um medidor de energia elétrica, tipo indução, monofásico, facilitando assim a compreensão do mesmo. Assim como foi realizado uma revisão bibliográfica referente aos medidores tipo indução sujeitos à distorções harmônicas de correntes e tensões, e, desequilíbrios de tensões.

O capítulo 3 foi destinado à apresentação dos procedimentos, protocolos para os ensaios e arranjo laboratorial proposto para o desenvolvimento da pesquisa. No início do capítulo apresentaram-se as condições estabelecidas para a seleção dos medidores para análise, sendo os mesmos selecionados a partir de um banco de dados de uma concessionária de energia elétrica. Os equipamentos selecionados foram os medidores mais significativos e representativos, em termos percentuais, em relação ao montante de consumo médio (kWh) registrado pela empresa/concessionária, nas seguintes categorias de interesse para a pesquisa: medidores de indução bifásicos e trifásicos. Considerando a pequena participação no kWh médio mensal registrado, na empresa escolhida para análise, pelos medidores monofásicos, os mesmos foram descartados da análise. Observa-se porém que, em termos quantitativos, os medidores monofásicos são parcela significativa na empresa admitida para este estudo.

As formas de onda, admitidas para os ensaios, foram obtidas por medições em diversos consumidores em ramais de distribuição com características industrial, comercial, rural e residencial, proporcionando uma grande variedade de perfis tanto de correntes quanto de tensões para a realização das análises experimentais.

Após a seleção dos equipamentos e das formas de onda, deu-se continuidade à montagem do arranjo laboratorial, incluindo-se os equipamentos responsáveis pela geração das formas de onda de correntes e de tensões.

Na geração do perfil de corrente utilizou-se uma fonte de alimentação trifásica modelo 6000L, acoplada a um dispositivo gerador de formas de onda HGA (ambos da Califórnia Instruments), responsável pela alimentação das bobinas de corrente do medidor de energia. Como a carga utilizada é puramente resistiva, a tensão aplicada à bobina de corrente produz uma corrente com as mesmas ordens harmônicas programadas na fonte.

Na geração dos perfis de tensão utilizaram-se dois equipamentos: uma placa de geração de sinais DaqBoard 2003, responsável pela geração das formas de onda de tensão, que tem sua capacidade de saída limitada em 20V de pico a pico, e, devido a essa limitação da amplitude destes sinais gerados, tornou-se necessário o acoplamento de um amplificador linear de tensão, desenvolvido para suportar as amplificações dos sinais harmônicos selecionados, proporcionando uma saída de

127V(valor eficaz), para a alimentação das bobinas de tensão do medidor sob ensaio.

Como as formas de onda foram implementadas separadamente, foi necessário o uso de um equipamento que fizesse o sincronismo entre elas. Para isso, utilizou-se um dispositivo FPGA que monitora a forma de onda de corrente imposta e determina o exato instante da passagem do semiciclo negativo para o semiciclo positivo, ou seja, o cruzamento por zero, possibilitando assim que no instante de transição o dispositivo FPGA acione a placa de geração de sinais de tensão, com um trem de pulsos de “clock”, controlando a geração das formas de onda de maneira síncrona.

Por fim, definiu-se o sistema de aquisição de dados, que está dividido em dois módulos. No primeiro módulo encontra-se o medidor a ser ensaiado. Para este, utiliza-se uma fotocélula acoplada ao mesmo, a qual registra as revoluções inteiras do disco e repassa essa informação a um sistema que gerencia todos os dados da experimentação (WaveBook e Aplicativo DasyLab). O valor do kWh registrado dependerá da constante Kd (Wh/rotação) de cada medidor sob ensaio. No segundo módulo tem-se o medidor padrão (Yokogawa), com classe de precisão adequada para ser considerado como um padrão para medição de kWh, em relação aos equipamentos sob ensaios, o qual foi utilizado para as análises de erros apresentados pelos medidores ensaiados.

O procedimento de aquisição dos dados foi otimizado para que pudesse ser da forma mais simples e eficaz possível, sendo subdividido em três etapas:

x Entrada em regime permanente térmico/mecânico; x Calibração;

x Medição.

Cada etapa seguiu uma rotina pré-estabelecida para todos os ensaios.

Após a montagem dos arranjos laboratoriais, e do estabelecimento dos procedimentos de medição, apresentaram-se os resultados das análises experimentais realizadas para cada categoria de medidor ensaiado, bifásicos e trifásicos, para sistema equilibrado e posteriormente com o sistema desequilibrado (tensões).

De forma geral, as principais conclusões que podem ser extraídas dos resultados das medições são:

x Os medidores, quando submetidos às condições para as quais eles foram projetados, ou seja, freqüência de 60 HZ, sistema equilibrado, tensão e corrente com formas de onda senoidal, respondem dentro da classe de exatidão correspondente;

x Na primeira etapa, quando os medidores foram submetidos apenas a formas de onda de tensão e corrente com diferentes níveis de distorção harmônica, ocorreram erros de medição em todos os ensaios, porém, eles se intensificavam com o aumento do nível de distorção harmônica da corrente. Outro parâmetro que também deve ser levado em consideração é o ângulo de defasamento entre a forma de onda de tensão e corrente, pois ele é diretamente responsável pela energia ativa consumida, e, também interfere nos erros de medição dos medidores de energia elétrica ativa tipo indução;

x Nos medidores bifásicos, ensaios com perfis de corrente com índice de distorção harmônica superior a 20% já resultaram em erros mais significativos na medição, quando comparados com o equipamento padrão, excedendo o limite estabelecido pela classe de exatidão dos medidores em diversos perfis analisados;

x No caso dos medidores bifásicos, os ensaios que apresentaram maiores erros de medição foram aqueles com os perfis de corrente com maior índice de distorção harmônica, ou seja, BI2, TI1 e TI3, perfis estes que apresentam nível de distorção harmônica de corrente de 42,3%, 46,8% e 24,7%, respectivamente;

x Nos medidores trifásicos, os erros de medição podem ser percebidos em perfis de corrente com menores índices de distorção harmônica que nos medidores bifásicos. Perfis de corrente com 7% de distorção harmônica total já produziram erros significativos nas medições e, assim como nos medidores bifásicos, os erros tornavam-se mais significativos e freqüentes com o acréscimo do nível de distorção harmônica da corrente;

x No caso dos medidores trifásicos, os ensaios que apresentaram maiores erros de medição foram aqueles com os perfis de corrente de maior índice de distorção harmônica, ou seja, TRI1 e INDI1, perfis

estes que apresentam nível de distorção harmônica de corrente de 46,8% e 18,4%, respectivamente.

x Observou-se que, com o aumento do nível de distorção harmônica da corrente, os erros dos medidores, tanto bifásicos quanto trifásicos, tendem a ser negativos, ou seja, os medidores de energia elétrica tipo indução registraram valores menores que aqueles registrados pelo padrão Yokogawa;

x Nos ensaios em que os medidores foram submetidos a distorções harmônicas nos perfis de tensão e corrente, juntamente com desequilíbrios de tensão, verificou-se que os maiores erros de medição também ocorreram em ensaios onde os perfis de corrente apresentavam o maior índice de distorção harmônica, assim como no sistema equilibrado, tanto para medidores bifásicos, quanto trifásicos. Verificou-se ainda uma tendência geral de aumento de erros com o aumento dos desequilíbrios. Entretanto, esta tendência não foi verificada para todos os pares perfis de tensões e correntes.

Após a análise dos resultados dos medidores de energia elétrica sujeitos a distorções harmônicas de tensões e correntes, em sistemas equilibrados e desequilibrados, verificou-se que os parâmetros que mais influenciaram na medição de energia elétrica ativa foram o nível de distorção harmônica da corrente e o ângulo de defasamento entre a forma de onda de tensão e corrente, considerando-se os limites (5%) impostos aos sinais de tensões analisados. Partindo dessas considerações, foi possível desenvolver um modelo matemático para os erros de medição referente a cada medidor ensaiado, proporcionando uma análise do comportamento de cada medidor quando submetido a formas de onda de correntes com diferentes níveis de distorção harmônica.

Portanto, considerando as grandes dificuldades relatadas nas referências bibliográficas, para a obtenção de um modelo matemático para os medidores de energia elétrica tipo indução, devido a grande quantidade de parâmetros (elétricos/magnéticos e mecânicos) a serem analisados, um modelo comportamental/experimental para o erro de medição desses medidores é uma contribuição inédita para esse tipo de análise. Como resultado desta modelação, foi

possível a obtenção de uma função matemática (modelo de erro) para o erro de medição dos medidores tipo indução ensaiados, considerando-se distorções harmônicas de tensões e correntes, e, desequilíbrios de tensões.

Observa-se finalmente que os modelos obtidos necessitam ainda de validação, com relação à precisão dos mesmos, para distorções harmônicas de tensões maiores que 5%, e, ainda, para maiores distorções de correntes que aquelas analisadas neste trabalho.