Caracterização de aparelhos eletrodomésticos

out, 2009

Edição 44, Setembro de 2009

Por Igor Amariz Pires

Caracterização de aparelhos eletrodomésticos – Parte1

Com o objetivo de dar suporte à avaliação do impacto de harmônicos causados por consumidores residenciais e comerciais no sistema de distribuição, eletrodomésticos normalmente encontrados nestes consumidores foram medidos a fim de caracterizar as suas produções de harmônicos. Serão apresentados neste artigo os principais resultados obtidos nessas medições.

 

 

INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO

O medidor utilizado a fim de caracterizar os aparelhos eletrodomésticos foi o ION 7650 (Figura 1), que apresenta as principais grandezas elétricas (tensão, corrente, potência ativa, reativa e aparente, energia dentre outros), objetivando a monitoração da qualidade de energia.

 

Figura 1 – Medidor ION 7650 (Power Measurement©)

 

Aprovado pela Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) para os estudos em qualidade de energia, este instrumento é totalmente configurável. O usuário pode escolher e configurar que variáveis medir e guardar em sua memória tempo de amostragem, número de pontos nas formas de onda coletadas, dentre outros.

Para as medições de aparelhos eletrodomésticos, mediu-se tensão, corrente, THD de tensão e corrente, fator de potência, potência ativa, reativa e aparente, todos estes dados de minuto em minuto. Como o enfoque deste trabalho é em harmônicos, os resultados a serem apresentados serão de corrente, sendo mostrados sua forma de onda, harmônicos, valor eficaz e fator de crista, mas também o THD de tensão no instante de medição. A forma de onda era guardada no instrumento não de forma automática e sim por intervenção do usuário. O tempo de coleta total variava de aparelho para aparelho, conforme sua funcionalidade.

 

Em relação aos harmônicos de tensão e corrente, foram guardados os harmônicos até o 32°. Esta escolha foi feita devido ao limite de memória do instrumento de medição. Quando apresentados, serão mostrados os harmônicos mais significativos, isto é, aqueles que terão magnitude maior que 1% da fundamental. Na maior parte dos aparelhos, serão os harmônicos ímpares. Os pares irão aparecer somente quando o ciclo positivo for diferente do ciclo negativo da onda analisada, o que ocorre com poucos eletrodomésticos, sobretudo com os condicionadores de ar e refrigeradores. Os ângulos dos harmônicos que serão apresentados são referenciados ao ângulo da tensão fundamental da fase A a eles aplicados, sendo este valor 0°.

 

APARELHOS ELETRODOMÉSTICOS

 

Foram medidos mais de 100 aparelhos eletrodomésticos em 33 diferentes tipos. Para melhor visualização destes resultados, agruparam-se estas medições em seis categorias:

 

1) Iluminação: lâmpadas incandescentes e dimmerizadas, fluorescentes compactas, fluorescentes convencionais, vapor de mercúrio, vapor de sódio e mista.

2) Eletrônicos: televisões, vídeo cassetes, vídeo games, computadores, aparelhos de fax, aparelhos de som, laptop, telefone sem fio.

3) Refrigeradores: geladeiras, freezers, frigobar, bebedouros.

4) Condicionadores de ar: ar condicionados de várias potências.

5) Aquecimento: chuveiro, cafeteira, ferro de passar roupas, torradeira, microondas.

6) Motores: batedeiras, circulador de ar, ventiladores, enceradeira, espremedor de laranja, exaustor, lavadora de roupas, liquidificador, tanquinho.

Com exceção do primeiro grupo, que apresenta diferenças na forma de onda de corrente de um aparelho medido para o outro, os outros grupos têm a forma de onda de corrente comum se forem comparados um eletrodoméstico com outro. Desta maneira, serão apresentadas formas de onda dos aparelhos mais comumentemente encontrados em consumidores residenciais e comerciais de cada grupo.

 

Iluminação

 

Lâmpadas incandescentes

As lâmpadas incandescentes são cargas puramente resistivas, tendo um comportamento linear. Este fato também se confirma quando se compara o conteúdo harmônico da tensão e da corrente. A Tabela 1 traz os THDs de tensão e corrente em medições realizadas em cinco lâmpadas incandescentes. Pode-se notar que, a menos dos erros do instrumento de medição, os dois THDs são iguais, mostrando que estas lâmpadas não geram correntes harmônicas. Enfim, os harmônicos de corrente serão iguais aos harmônicos de tensão por serem as lâmpadas incandescentes cargas lineares.

 

Tabela 1 – THD s de tensão e corrente em lâmpadas incandescentes

 

Entretanto, quando dimerizadas, o conjunto lâmpada incandescente+dimmer passa a ter um comportamento de carga não linear, como mostrado nas Figuras 2 e 3 e na Tabela 2. As Figuras 2 e 3 mostram a forma de onda de corrente de uma lâmpada de 100 W sendo dimerizada com 75% e 25% do nível de iluminamento total. Na Tabela 2, são mostrados os THDs, tanto de tensão quanto de corrente, para os mesmos níveis de iluminamento e para três dimmers analisados.

 

A Tabela 3 apresenta o conteúdo harmônico em cada situação de iluminamento. É interessante notar o aumento dos harmônicos quando

abaixa-se o iluminamento de 75% a 25%, pois a forma de onda de corrente fica “mais não-linear”, ou seja, cada vez mais distante de uma forma de onda senoidal.

Figura 2 – Lâmpada incandescente dimerizada em 75% de iluminamento

 

Figura 3 – Lâmpada incandescente dimerizada em 25% de iluminamento

 

Tabela 2 – THDs de lâmpadas (100 W) incandescentes dimerizadas

 

Tabela 3 – Conteúdo harmônico da lâmpada incandescente 4 (100 W) com dimmer 2 (Tabela 2)

 

Lâmpadas Fluorescentes Compactas (LFCs)

As lâmpadas fluorescentes compactas são lâmpadas com elevada eficiência luminosa. Porém, são cargas não-lineares com uma alta distorção de corrente, da ordem de 100%. A Tabela 4 traz o resultado de medições realizadas em sete amostras de LFCs e a Figura 4 mostra a forma de onda de corrente tipicamente encontrada. A Tabela 5 traz o conteúdo harmônico de uma LFC.

Tabela 4 – THDs de Lâmpadas Fluorescentes Compactas

 

Figura 4 – Forma de onda de corrente típica de uma LFC


Tabela 5 – Conteúdo harmônico de uma LFC (amostra 4)

 

Lâmpadas Fluorescentes Convencionais

As lâmpadas fluorescentes convencionais podem trabalhar tanto com reatores eletromagnéticos quanto com reatores eletrônicos. Estes últimos são mais econômicos, do ponto de vista energético, porém apresentam maior produção de harmônicos. As Tabelas 6 e 7 trazem os THDs de tensão e corrente de medições realizadas em lâmpadas fluorescentes convencionais com reatores eletromagnéticos e eletrônicos, respectivamente.

 

Comparando as Tabelas 6 e 7, percebe-se que a produção de harmônicos em reatores eletrônicos é bem superior que os reatores eletromagnéticos. Destaque para a última medição na Tabela 7, em que o THD de corrente é baixo pois atende à portaria do Inmetro nº 188, de 9 de novembro de 2004, que determina que reatores que alimentem lâmpadas fluorescentes convencionais em que o conjunto reator-lâmpada tenha potência superior a 56 W devem ser fabricados na versão com alto fator de potência.

 

Tabela 6 – THDs de lâmpadas fluorescentes convencionais com reatores eletromagnéticos


Tabela 7 – THDs de lâmpadas fluorescentes convencionais com reatores eletrônicos

 

As Figuras 5 e 6 apresentam formas de onda de corrente típica de lâmpadas fluorescentes convencionais trabalhando com reatores eletromagnéticos e eletrônicos, respectivamente. A lâmpada utilizada nas duas figuras foi a mesma. A Figura 6 mostra uma forma de onda de corrente semelhante à forma de onda de LFCs. Isto era esperado por comungarem da mesma tecnologia.

 

Figura 5 – Forma de onda de corrente típica de lâmpadas fluorescentes convencionais com reatores eletromagnéticos


Figura 6 – Forma de onda de corrente típica de lâmpadas fluorescentes convencionais com reatores eletrônicos

 

A Tabela 8 traz o espectro harmônico das correntes apresentadas nas Figuras 5 e 6. Nota-se a diferença nos harmônicos entre os dois reatores mencionados, destacando o alto índice de harmônicos no reator eletrônico. No caso do reator eletromagnético, foi apresentado o conteúdo harmônico até o 11º harmônico, pois, acima deste, os harmônicos já não eram mais representativos (= 0,35%).

 

Lâmpadas a vapor de mercúrio, sódio e mista

Em sistemas de iluminação externos, industrial e pública, as lâmpadas mais utilizadas são as lâmpadas a vapor de mercúrio, a vapor de sódio e a vapor misto. A substituição de lâmpadas a vapor de mercúrio por lâmpadas a vapor de sódio foi uma das medidas indicadas pelo Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica, da Eletrobrás, em seu programa de Gerenciamento pelo Lado da Demanda (GLD). As lâmpadas a vapor de sódio são mais eficientes, porém, como em outros casos, com um conteúdo harmônico maior que as outras duas lâmpadas mencionadas. A Tabela 9 apresenta as medições realizadas destas lâmpadas com seus respectivos reatores (eletromagnéticos). Houve apenas uma medição para cada tipo de lâmpada, pois era o único material disponível para tal.

 

Tabela 8 – Conteúdo harmônico de lâmpadas fluorescentes convencionais com reatores eletromagnéticos e com reatores eletrônicos


Tabela 9 – THDs de lâmpadas mista, vapor de mercúrio e vapor de sódio


 

As Figuras 7, 8 e 9 mostram as correntes das lâmpadas mistas, a vapor de mercúrio e a vapor de sódio. A Tabela 10 traz o conteúdo harmônico das correntes apresentadas nas Figuras 7, 8 e 9.

 

Figura 7 – Forma de onda de corrente da lâmpada mista


Figura 8 – Forma de onda de corrente da lâmpada a vapor de mercúrio


Figura 9 – Forma de onda de corrente da lâmpada a vapor de sódio

 

 

Tabela 10 – Conteúdo harmônico de lâmpadas mista, a vapor de mercúrio e a vapor de sódio


 

*IGOR AMARIZ PIRES é engenhario eletricista, mestre em Engenharia Elétrica pela UFMG.

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