Influência da tensão de alimentação no desempenho de eletrodomésticos

Permitir uma variação da tensão para além dos limites normalizados pode ser benéfico para o operador do sistema de distribuição e o fornecedor de energia. Contudo, é preciso ter certeza de que os aparelhos domésticos funcionarão adequadamente. Este artigo apresenta testes efetuados para verificar a influência da ampliação da faixa de tensão sobre o desempenho dos eletrodomésticos e o conforto dos usuários.


Jan Descheemaeker e Jan Desmet, da Ghent University; e Michiel Van Lumig, Laborelec (Bélgica)

Data: 20/10/2016

Edição: EM Outubro 2016 - Ano -45 No 511

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Fig. 1 – Fornecimento de painéis FV (verde) e consumo de uma residência (azul) em um dia arbitrário do ano

De acordo com a norma europeia EN 50160, a variação da tensão deve ser limitada a 230 V ±10%. Entretanto, permitir uma faixa de tensão mais ampla pode ser benéfico para o OSD Operador do Sistema de Distribuição. Como a demanda e o fornecimento não coincidem, conforme mostrado na figura 1, é muito importante para um OSD conhecer o perfil de energia. Os painéis fotovoltaicos (FV) produzem essencialmente energia durante o dia, enquanto o consumo ocorre principalmente nos períodos da manhã e noite. O excesso de energia durante o dia é injetado na rede de distribuição, podendo causar tensões mais altas e desequilíbrio de tensão.

Além das vantagens técnicas de uma faixa de tensão mais ampla, há também benefícios econômicos. Quando existe um déficit de energia, esta tem de ser comprada no mercado de energia no último momento, a um custo alto. De modo inverso, quando a oferta é elevada, o preço da eletricidade diminui.

Fig. 2 Configuração da medição usada para estudar a influência da tensão do funcionamento de aparelhos domésticos

No passado, o fornecimento de energia era adaptado à demanda. Atualmente, devido à introdução de fontes de energia descentralizadas (FV, eólica, etc.), há um aumento substancial dos pontos de injeção, e as tecnologias de redes inteligentes e Gerenciamento no Lado da Demanda (DSM Demand Side Management) tentam o oposto: adaptar o período da demanda à produção de energia naquele instante, o que pode levar a uma mudança no mercado de energia. Mesmo quando o fornecedor de energia puder controlar apenas uma pequena parte da deman-da, ele ainda será capaz de participarativamente do mercado de energia. Ademanda controlável propiciará um va-lor econômico que levará à redução dospreços de energia, representando umavantagem para o usuário final.

A injeção e a retirada de potência darede provocam, respectivamente, aumen-to e redução da tensão de alimentação.Permitir uma variação maior da ten-são pode aumentar as possibilidades deequilíbrio da potência através do DSM.Contudo, é preciso garantir que os eletro-domésticos funcionem adequadamente. Na pesquisa apresentada neste artigo,o desempenho de diferentes aparelhosdomésticos é testado com tensões en-tre 230 V ±15%. Para cada medição, apotência instantânea e a energia total consumida são monitoradas, enquanto a corrente instantânea e os harmônicos são registrados. O principal objetivo é investigar o efeito da ampliação da faixa de tensão sobre o desempenho dos dispositivos e o conforto do usuário final.

Fig. 3 – Potência consumida pela máquina de lavar roupa A+++ operando a 30°C e pouco carregada, para diferentes tensões

Fig. 4 – Demanda de potência da máquina de lavar roupa A++ operando a 30°C e totalmente cheia, para diferentes tensões

Em [2], 62 eletrodomésticos foram testados para avaliar a imunidade contra oscilações de tensão até a ocorrência de danos ou até atingir a tensão máxima de saída do gerador de teste igual a 230 V +40%. Verificou-se que muitos dos equipamentos elétricos testa-dos (televisores, computadores, telas de computador, aparelhos desom) são capazes de lidar com oscila-ções de tensão relativamente severas, esobretensão de 40% por até 100 segun-dos. Já em [3], constatou-se que um ele-vado porcentual destes aparelhos suporta sobretensões bastante severas, desde+15% até +74% com duração de 10 ci-clos até 30 minutos. Por sua vez, em [4],foi mostrado que durante um período desobretensão, os aparelhos falham princi-palmente durante os primeiros 5-10 se-gundos. Eles não apresentam falhas deforma gradual.

Este artigo discute primeiramente ométodo usado para estudar a influência datensão no funcionamento de aparelhos do-mésticos e depois os resultados de medição obtidos, os quais são então utilizados parainvestigar o impacto da ampliação da faixa de tensão no conforto do consumidor.

Método de medição

A figura 2 mostra uma visão geral esquemática da configuração de medição utilizada para estudar a influência da tensão no funcionamento de eletrodomésticos. Uma fonte de alimentação trifásica livremente programável (Spitsenberger and Spies, sistema EMC básico DM 240000/PAS) fornece uma tensão senoidal com o nível de tensão desejado. Usando um analisador de qualidade da energia (Fluke 434), a tensão e a corrente no aparelho são medidas. Este dispositivo de medição conta com três canais independentes, nos quais três aparelhos podem ser conectados, e fornece os parâmetros de qualidade de energia desejados (FP Fator de Potência, dFP Fator de Potência de Deslocamento, DHT Distorção Harmônica Total, ...) e a potência.

As seguintes perguntas devem ser respondidas para os diferentes eletrodomésticos quando a tensão é alterada:

As medições foram efetuadas nos seguintes aparelhos domésticos:

A corrente RMS, corrente fundamental, FP, dFP e potência foram medidas como uma função do tempo para diferentes tensões. A energia consumida durante um ciclo foi medida para cada tensão. Dependendo dos resultados das medições, o OSD terá capacidade para conceder mais tolerância para a tensão de alimentação.

Discussão dos resultados das medições

Nesta seção, são discutidos os resultados das medições sobre a influência da ampliação de tensão de alimentação no funcionamento de alguns aparelhos e no conforto do usuário final.

Máquina de lavar roupa

A figura 3 ilustra a potência consumida por uma máquina de lavar roupa A+++ (programa de lavagem a 30°C, roupas delicadas) em diferentes tensões. Quanto menor a tensão, menor será a potência. Consequentemente, mais tempo será necessário para que a máquina de lavar roupa aqueça a água, e mais longo será o ciclo de lavagem. Com 195,5 V, o período para aquecimento da água torna-se mais curto e a energia consumida é menor do que para 207 V. A questão levantada é se a água estará quente o suficiente com esta tensão.

Fig. 5 – Demanda de potência secadora com etiqueta de energia B quando ela está totalmente cheia, para diferentes tensões

As medições foram realizadas para diferentes máquinas de lavar roupa. A relação entre a tensão e o consumo de energia e a relação entre a tensão e as correntes harmônicas foram diferentes para cada uma. A norma IEC 61000-3-2 foi atendida para cada máquina de lavar roupa em cada tensão. Parâmetros de qualidade de energia, como FP e dPF, eram independentes da tensão e próximos de 1.

A figura 4 mostra a potência consumida por uma máquina de lavar roupa A++ quando totalmente cheia (programa de lavagem a 30°C, roupas sintéticas). Quanto menor a tensão, mais longo será o ciclo de lavagem. A máquina de lavar roupa não funciona com 195,5 V. Medições com 207 V foram executadas várias vezes; o equipamento nem sempre funcionou. Quando funcionou, o consumo de energia foi menor do que nas tensões mais altas. A questão que surge é se a água estará quente o suficiente nesta tensão. O valor de 207 V parece ser um limite de tensão em que a máquina ora funciona, ora simplesmente não funciona mais. Isso também pode ser visto na tabela I, que exibe o consumo de energia e os componentes dos harmônicos de corrente da máquina de lavar roupa para as diferentes tensões. Os harmônicos de corrente são mais elevados em 207 V e o consumo de energia é menor nesta tensão. Isto já sugere que a máquina de lavar roupa não funciona mais como esperado. O consumo de energia também diminui para tensões acima de 253 V. A dúvida é se a água estará quente o suficiente.

Secadora

A figura 5 (pág. 24) ilustra a potência consumida por uma secadora com classificação de consumo de energia B para e consumo de energia B para diferentes tensões quando totalmente carregada. O consumo de energia durante um ciclo de secagem é fornecido na tabela II. Quanto maior a tensão, maior será a potência consumida. Devido ao ciclo mais curto de secagem, a energia consumida diminui quando a tensão aumenta entre 207 V e 253 V. Para tensões mais altas, a secadora para de funcionar em determinados momentos. Isso leva a um ciclo mais longo de secagem e, consequentemente, ao maior consumo de energia.

Fig. 6 – Demanda de potência de uma máquina de lavar louça para diferentes tensões

Quando as secadoras estão com pouca carga, as relações entre tensão e consumo de energia e entre tensão e distorção harmônicas de corrente dependem do aparelho.

Máquina de lavar louça

A figura 6 mostra a potência consumida por uma máquina de lavar louça para diferentes tensões. Quanto maior a tensão, maior será a potência e mais curto será o ciclo de lavagem. A tabela III mostra que o consumo de energia durante um ciclo de lavagem é constante para tensões menores do que 253 V. O consumo de energia diminui para tensões mais altas devido ao ciclo mais curto de lavagem. A alta potência em tensões maiores pode possivelmente levar a um menor tempo de vida útil do equipamento. As correntes harmônicas são independentes da tensão e estão de acordo com a norma IEC 61000-3-2. O mesmo resultado foi encontrado para uma segunda máquina de lavar louça.

Iluminação

A tabela IV (pág. 26) mostra que uma lâmpada tubular tradicional consome mais energia em tensões mais altas. É preciso estar ciente de que o aumento da potência consumida reduzirá o tempo de vida útil das lâmpadas. A distorção harmônica total de corrente (DHT(I)) diminui com o aumento da tensão.

Conforme mostra a tabela V (pág. 26), as lâmpadas tubulares de alta frequência consomem uma potência constante. À medida que a tensão aumenta, a corrente diminui para manter a potência constante. Ao contrário das tubulares tradicionais, a DHT(I) é independente da tensão de alimentação.

As medições foram realizadas para outras fontes de luz (lâmpadas fluorescentes compactas, halógenas, LEDs, incandescentes). A relação entre a tensão e o consumo de energia depende do tipo de iluminação. Para algumas lâmpadas (incandescente, fluorescente compacta, tubular tradicional), a potência aumenta com a elevação da tensão. Isso pode ter um impacto negativo na vida útil das lâmpadas. Contudo, outros tipos de iluminação (tubular de alta frequência, LED e tubular LED) consomem uma potência constante. Neste caso, a mudança na tensão não tem influência sobre o brilho das lâmpadas. Além disso, a relação entre a tensão e distorção harmônica total de corrente depende do tipo de iluminação. Para a iluminação baseada em LED e tubular tradicional, por exemplo, os harmônicos de corrente diminuem com o aumento da tensão. Por outro lado, a DHT(I) para a fluorescente compacta aumenta com a elevação da tensão. Também a influência da tensão no fator de potência e na dFP depende do tipo de iluminação. Lâmpadas como as fluorescentes compactas não atendem à norma IEC 61000-3-2. Para as outras lâmpadas testadas, quase não há problemas. Não se sabe como será no caso de lâmpadas de outras marcas.

Laptop

A tabela VI (pág. 27) mostra que o laptop consome uma potência constante. A corrente diminui com o aumento da tensão. A distorção harmônica total de corrente aumenta para tensões mais altas. A norma IEC 61000-3-2 não é atendida para nenhuma das tensões.

Impacto da mudança de tensão no consumidor final

O principal objetivo do artigo é investigar se a ampliação da faixa de tensão afetará o conforto do consumidor. Os resultados de medição discutidos na seção anterior indicam que o conforto do consumidor pode estar em risco tanto para tensões altas quanto baixas.

Para tensões baixas, alguns aparelhos precisam de mais tempo para executar sua tarefa. Neste caso, os ciclos de secagem e de lavagem de uma secadora e de uma máquina de lavar roupa serão mais longos. Além disso, o brilho de algumas lâmpadas (incandescentes, fluorescentes compactas, spots halógenos) será menor em tensões baixas. Uma das máquinas de lavar roupa não funcionou em tensões abaixo de 207 V.

Quando a tensão aumenta, a potência de alguns aparelhos (furadeira, esmeriladeira, lâmpadas incandescentes, etc.) aumenta, o que pode ter um impacto negativo no tempo de vida destes dispositivos.

Conclusão

Devido ao número crescente de unidades de geração distribuída, a complexidade da rede elétrica aumentou bastante. Para um operador do sistema de distribuição, torna-se cada vez mais importante conhecer seu perfil de demanda e fornecimento de energia. Uma discrepância entre a demanda e a produção de fontes de energia renováveis pode levar a tensões mais elevadas e desequilíbrio de tensão. Portanto, é fundamental equilibrar a demanda e o suprimento. Permitir uma faixa de tensão mais ampla pode ser benéfico para o operador do sistema de distribuição e o fornecedor de energia. Contudo, é preciso ter certeza de que os aparelhos domésticos funcionem adequadamente. Se este não for o caso, pode-se prejudicar o conforto do usuário final.

Com o objetivo de investigar a influência da tensão de alimentação, foram efetuadas medições com tensão na faixa de 230 V ±15% para uma ampla variedade de eletrodomésticos. Alguns aparelhos testados (televisão, laptop) não são afetados e funcionam conforme esperado em cada tensão. Outros (lâmpadas incandescentes, esmeriladeira, furadeira, máquina de lavar louça) consomem mais energia em tensões mais altas, o que pode reduzir seu tempo de vida. Contudo, isto não pode ser decidido com certeza a partir desses testes de curto prazo. É necessário ter cautela no limite superior da faixa de tensão.

O brilho de algumas lâmpadas diminui quando a tensão é reduzida. Uma máquina de lavar roupa não funcionou com tensões abaixo de 207 V. Tais efeitos afetam negativamente o conforto do consumidor no limite inferior da faixa de tensão.

A principal conclusão do artigo é, portanto, que o desempenho dos dispositivos finais é afetado tanto para tensões baixas quanto altas, levando possivelmente a uma perda indesejada no conforto do usuário final.

Em segundo lugar, nota-se que a relação entre a tensão e o consumo de energia e a relação entre a tensão e os harmônicos de corrente são dependentes do tipo de aparelho. Essas relações podem ser diferentes até para duas máquinas de lavar roupa ou duas secadoras. Portanto, é muito difícil encontrar a tensão ideal em que o máximo de energia pode ser deslocado, ou a tensão ideal em que se produza a menor distorção harmônica.

Referências

  1. Cenelec: EN 50160 (2010): Voltage characteristics of eletricity supplied by public systems.
  2. H. Seljeseth; K. Sand; K. E. Fossen, 2009: Laboratory tests of electrical appliances immunity to voltage swells. Proceedings CIRED conference, Prague, paper 0781.
  3. H. Seljeseth; T. Rump; K. Haugen, 2011: Laboratory tests of electrical appliances immunity to voltage swell, overvoltage immunity of electrical appliances laboratory test results from 60 appliances. Proceedings Cired conference, Frankfurt, paper 946.
  4. R. Schainker, 2005: Effects on temporary overvoltage on residential products.
  5. IEC 61000-3-2:2014 Electromagnetic compatibility (EMC) Part 3-2: Limits Limits for harmonic current emissions (equipment input current ≤ 16A per phase).
Trabalho apresentado na 23ª Cired – Conferência Internacional de Distribuição de Eletricidade, realizada em junho de 2015, em Lyon, França.