Com o aumento de cargas não lineares nos sistemas de energia elétrica, os níveis das distorções harmônicas de correntes e tensões têm aumentado gradativamente. Neste contexto, torna-se importante a análise do desempenho dos medidores de energia elétrica ativa do tipo indução, operando com correntes e tensões distorcidas e, inclusive, com desequilíbrios de tensões.
Diversos trabalhos já foram realizados com o intuito de verificar as conseqüências da circulação de correntes e tensões com distorções harmônicas em medidores de energia elétrica ativa [01 até 08].
Em [01] foram realizados testes em medidores do tipo indução trifásicos, sujeitos as distorções harmônicas de tensões e correntes, em que foram utilizadas duas fontes geradoras de harmônicas para aplicação de formas de onda de tensões e correntes independentes. Ao final desses testes, foi observado que as medições
dos medidores de energia elétrica do tipo indução, são afetadas com a presença de harmônicos no sistema. Observou-se ainda que os erros de medição tornavam-se maiores quando as harmônicas de tensão e corrente estavam em fase. Esta constatação implica em operação com distorções harmônicas e fator de potência unitário, ou seja, carga puramente resistiva. Desta forma, tal análise não contribui para uma avaliação rigorosa, considerando-se as cargas equivalentes típicas presentes nos sistemas de distribuição.
A referência [02] teve o objetivo de investigar a influência da circulação de harmônicos em medidores de energia ativa, considerando os seguintes parâmetros: correntes, fluxos e torques. Os autores observaram que os erros de medição foram mais sensíveis às variações das distorções harmônicas na tensão, com o fator de potência unitário. Estas observações são coerentes com aquelas observadas na referência [01]. Entretanto, fator de potência unitário significa que as componentes harmônicas das correntes possuem os mesmos espectros (mesmas freqüências), ou seja, mesmas distorções harmônicas, e, com deslocamentos nulos em relação às componentes harmônicas das tensões. Isto mais uma vez, implica em cargas puramente resistivas sendo alimentadas por tensões distorcidas em fase com as correntes. Para testes realizados com fator de potência menores que a unidade, os erros de medição se mostraram dependentes exclusivamente da distorção harmônica de corrente, verificando-se erros de medição negativos, quando os medidores operavam nestas condições para as quais eles não foram projetados. Estas análises são coerentes com os estudos presentes nas referências bibliográficas, entretanto, a influência dos ângulos de deslocamentos, com fatores de potência inferiores à unidade, não foram devidamente avaliados nesta pesquisa.
Na referência [03] foi desenvolvido um modelo matemático que relaciona a influência das harmônicas na tensão e na corrente, ao torque dos discos dos medidores do tipo indução. Os parâmetros considerados para a análise desta influência foram: a saturação no circuito magnético, a indutância do disco, a dependência da freqüência nos parâmetros do disco e a impedância das bobinas de tensão, considerando-se a variação da freqüência das componentes harmônicas. Os autores verificaram que os erros estavam correlacionados com os níveis de distorção harmônica na tensão e na corrente. A resistência da bobina de tensão aumenta substancialmente com o aumento da freqüência, porém, a indutância
decresce com o aumento da freqüência da componente harmônica. Observaram ainda que o decréscimo da indutância é menos representativo se comparado com o aumento da resistência da bobina, podendo ser desconsiderado. Nessa pesquisa foi utilizado um número restrito de componentes harmônicas, apenas as harmônicas de 3a, 4a, 5a e 7a ordens, constatando-se que os medidores apresentaram erros de medição negativos. A modelação matemática é limitada quanto ao conteúdo harmônico e sua influência nos principais parâmetros dos medidores fica prejudicada, considerando-se as distorções harmônicas típicas de correntes e tensões presentes nos sistema de distribuição.
Na referência [04] os autores realizaram a análise de medidores watt-hora sob condições não senoidais. Realizou-se nesse trabalho a modelação dos medidores de indução monofásicos. Os modelos resultantes foram simulados em software específico e os resultados confrontados e validados através de resultados experimentais. Das análises dos resultados, os autores verificaram que os erros de medição apresentaram desvios positivos, ou seja, registrando valores maiores do que o realmente consumido, para tensão de alimentação distorcida e cargas passivas e lineares. Porém, no caso de cargas indutivas e não lineares os erros tenderam a ser negativos, com o medidor watt-hora tipo indução registrando valores menores que os registrados pelo equipamento padrão para os ensaios. Os resultados apresentados pelos autores são limitados aos medidores monofásicos, tipo indução, e diversos parâmetros de ajustes dos modelos não são elucidados pelos autores e/ou não são facilmente obtidos, considerando-se um erro adequado entre os resultados dos modelos e experimentações.
Outro trabalho referente à análise do desempenho de medidores de energia elétrica, sob a influência de harmônicas na tensão e na corrente, foi apresentado em [05]. Esta análise foi realizada apenas em medidores monofásicos, em que os sinais de tensão e corrente são gerados em canais diferentes de uma placa de geração de sinais. Nesta configuração, os ensaios realizados pelos autores permitiram análises experimentais com diferentes distorções harmônicas nas formas de onda de tensão e corrente. Foram aplicados diferentes cenários para os ensaios, em que, primeiramente, impuseram apenas a variação do ângulo de atraso da corrente em relação à tensão, proporcionando assim um fator de potência indutivo. Na seqüência, foram aplicadas distorções harmônicas nas formas de onda de tensão e
corrente com variação da freqüência, porém as formas de onda apresentaram sempre a mesma composição harmônica, contudo, apresentando DHT diferentes para tensão e corrente. Observa-se ainda que, as formas de onda utilizadas para alimentação da bobina de corrente possuíam maior distorção harmônica total que aquela das tensões aplicadas às bobinas de tensão. Das análises laboratoriais, os autores verificaram que somente com a variação do ângulo de defasamento entre a tensão e a corrente houve erros de medição negativos, porém não foram erros significativos. Com a introdução de harmônicos, verificou-se que quanto maior a freqüência da harmônica aplicada, menor era o valor da energia ativa indicada pelo medidor. Este comportamento pode ser explicado pelo fato de que o torque responsável pelo movimento de rotação do disco é proporcional ao produto das correntes que passam pelas duas bobinas do medidor, e estas diminuem com o aumento da freqüência da harmônica ensaiada. Apesar das análises realizadas pelos autores, este trabalho ainda carece de uma análise do comportamento dos erros considerando-se os ângulos de deslocamentos e as distorções harmônicas de forma conjunta. Além disso, torna-se também importante a análise experimental considerando-se cenários de tensões e correntes típicos dos sistemas reais de distribuição de energia elétrica.
Na referência [06] é feita uma análise do efeito das harmônicas em diversos equipamentos presentes nos sistemas de energia elétrica. Dentre as análises presentes neste artigo os autores apenas comentam, sem maiores detalhes, que quando os medidores de energia elétrica tipo indução são submetidos a distorções harmônicas de tensões e correntes, a tendência é de apresentarem erros de medição negativos. Entretanto, este trabalho não apresenta uma investigação nem analítica nem experimental destas influências, apenas relacionando determinados erros com os espectros de freqüência dos sinais de tensões e correntes.
Em [07] os autores observaram os erros de medidores de energia elétrica ativa, tipo indução, instalados em consumidores de diferentes categorias. Foram utilizados medidores eletrônicos de classe de exatidão superior aos analisados, com a finalidade de confrontação dos resultados, sendo que, um deles foi programado para registrar ordens harmônicas e outro para desconsiderar as harmônicas no sistema. Com a comparação de leitura dos medidores utilizados, juntamente com aqueles analisados, os autores verificaram pequenos erros de medição dos
medidores de energia elétrica tipo indução. Estas comparações de confronto, considerando-se como medidor padrão um equipamento eletrônico, foram realizadas em ambientes reais e típicos experimentados pelos medidores em análise, tipo indução. Entretanto, devido às limitações dos cenários experimentados, as análises são limitadas para a verificação do comportamento destes medidores tipo indução, considerando-se a necessidade de ampla variação de espectro harmônico para tensões e correntes, inclusive em cenários com desequilíbrios de tensões.
Em [08], os autores apresentaram os resultados de diversos ensaios realizados com o objetivo de determinar a resposta em freqüência e o efeito da corrente contínua e dos harmônicos na degradação do medidor de energia elétrica
ativa. Verificou-se que uma constante Kh e um deslocamento de fase șh,
introduzidos para cada freqüência, determinam o desvio de medição naquela freqüência e fase. Destacaram também que, a intensidade e direção do fluxo de potência harmônica são importantes para o registro da energia elétrica consumida. A presença de corrente contínua e harmônicos de corrente, e/ou tensão, afetam as componentes do fluxo, modificando o torque direcional e o de frenagem e, consequentemente, provocando erro adicional. Este artigo apresenta resultados significativos para a análise de erros de medidores de energia elétrica ativa, entretanto, os cenários de análise são ainda reduzidos e não foram analisados os prováveis efeitos dos desequilíbrios das tensões.
Portanto, considerando-se as referências bibliográficas investigadas, ficou demonstrado que a melhor metodologia para a análise de erros dos medidores de energia elétrica ativa, tipo indução, é aquela que envolve a experimentação destes medidores em condições próximas daquelas experimentadas pelos mesmos nos sistemas de distribuição. Neste contexto, este trabalho além de estabelecer um procedimento de ensaio experimental para os medidores tipo indução, de tal forma que as distorções harmônicas de tensões e correntes possam ser distintas e independentemente controladas, com quaisquer ângulos de defasagem, permitirá a análise destes medidores com quaisquer desequilíbrios de tensões de interesse, considerando-se uma ampla variedade de cenários de distorções harmônicas (tensões e correntes), obtidos através da aquisição de sinais (tensões e correntes) em consumidores com perfis tipicamente residenciais, comerciais, rurais e
industriais, em um ambiente real de sistema de distribuição de energia elétrica, admitido como exemplo para a pesquisa.