Gabriele Ribichini

sábado, 8 de abril de 2023 · 0 min read

Teste de economizadores de energia - a economia de energia por meio de filtros harmônicos realmente funciona?

Economizadores de potência elétrica ou de energia que pretendem otimizar a corrente elétrica recebida pelos consumidores industriais são atualmente comercializados - e comprados - para reduzir o consumo e diminuir a conta de luz.

Alegando economizar mais de 10% da energia elétrica, os fabricantes calculam o retorno desse investimento bastante significativo dentro de alguns anos. Usando os módulos DAQ de alta velocidade SIRIUS da Dewesoft e o Módulo de energia DewesoftX com matemática simples, verifiquei essas afirmações.

Introdução

Fiquei intrigado com esses dispositivos e os benefícios surpreendentes prometidos. Minha curiosidade me estimulou a analisar os métodos de estimativa de economia aplicáveis e a investigar a realidade dessas economias. Com medidas de exemplo, descobri como eles podem enganar os clientes.

Dewesoft Power Analyzer é o menor analisador de potência e qualidade de energia de alta precisão do mundo

Há algum tempo, descobri algumas tecnologias muito interessantes para melhorar a eficiência energética de sistemas industriais. Gosto de ser green e gosto de tecnologias que ajudem a resolver ineficiências e prevenir perdas de energia. Fiquei muito interessado em alguns desses dispositivos, pois afirmavam gerar uma economia muito consistente.

No site de um produtor, encontrei esta declaração:

REDUZA SUA CONTA DE ELETRICIDADE E AUMENTE SUA COMPETITIVIDADE.

A economia de energia é uma fonte infinita de energia limpa que pode ajudar qualquer empresa a reduzir o desperdício de energia e o custo da conta de luz. Além das novas energias renováveis, a economia de energia é uma das melhores maneiras de combater as mudanças climáticas e a poluição.

Estando no campo da medição de precisão, fiquei bastante fascinado com esta afirmação, especialmente o termo “fonte infinita”. Decidi investigar mais e ver quanta economia de energia essa tecnologia inovadora poderia realmente gerar em uma planta industrial existente.

Conversando com alguns produtores de economizadores, percebi que diferentes soluções são certificadas para alcançar desempenhos muito diferentes, de quase zero a 10% ou mais na economia média. Minha própria ideia é que basicamente esses sistemas podem economizar apenas uma parte da energia desperdiçada.

Energia desperdiçada significa basicamente perdas na condução devido à potência reativa. Nas instalações industriais modernas, a presença de cargas não lineares gera uma potência reativa de distorção não desprezível que aumenta a potência reativa total (Q) - ver figura 1.

Figure 1 - Energia elétrica desperdiçada: Perdas na condução devido à energia reativa.

Economizadores de energia

Um economizador de energia é basicamente um filtro - ativo ou passivo - que muda as formas de onda da corrente para reduzir a potência reativa total e, portanto, as perdas de potência. Um fabricante descreve o produto desta forma:

... um filtro indutivo passivo com funções híbridas, dado por sua capacidade de injetar no fluxo de energia alguns vetores eletromagnéticos em oposição à fase, utilizando parte da energia derivada do fluxo de energia de entrada e causando uma queda de tensão proporcional ao nível de filtragem selecionado . A indutância não é constante, mas altera dinamicamente o valor da impedância do seu filtro, adaptando-se à absorção de potência da rede elétrica e maximizando assim a sua eficácia.

É um dispositivo puramente eletrotécnico. Algo como uma combinação de um transformador variável e filtro que atua de acordo com um algoritmo dedicado para otimizar a Qualidade de Energia e, assim, gerar economia de energia.

Economizador de energia elétrica

Qualidade de energia é uma combinação de perfil de tensão, perfil de frequência, conteúdo de harmônicas e confiabilidade do fornecimento de energia. É o grau em que a fonte de alimentação se aproxima do caso ideal de fonte estável, ininterrupta, distorção zero e livre de perturbações.

O dispositivo pode ser visto do ponto de vista de otimização de tensão, embora seja mais um otimizador de Qualidade de Energia do que um simples otimizador de tensão, pois eles também atuam sobre as formas de onda da corrente.

Basicamente, ao otimizar a Qualidade de Energia, esses produtos servem para gerar economia de energia e custos. Nesse cenário, os consumidores se beneficiam da melhoria na qualidade da energia e do retorno do investimento devido à economia de energia.

Partindo dessa linha de pensamento eu estava duvidando muito da economia de mais de 10% da média, isso ganharia a planta industrial. Economizar apenas uma parte da energia desperdiçada significaria que a usina, na realidade, teria perdas médias de energia muito superiores a 10%.

Analisando um pouco mais a fundo, ficou claro para mim que calcular a economia não é uma questão trivial! Os produtores que contatei tinham abordagens mais diferentes para essas medições e estimativas.

Várias perguntas me vieram à mente, e decidi realizar algumas medições neste campo na tentativa de esclarecer minhas dúvidas.

Fiquei interessado em que o produtor alegasse uma economia de mais de 10%. Como um profissional de medição, tive a oportunidade de instalar o analisador de qualidade de energia Dewesoft em uma amostra deste produto para medir os parâmetros que descrevem o desvio da tensão de sua forma de onda senoidal ideal em uma determinada frequência.

O analisador de qualidade de energia Dewesoft baseado no software DewesoftX e sistemas de aquisição de dados SIRIUS HS (High Speed) pode medir todos os parâmetros de qualidade de energia de acordo com IEC 61000-4-30 Classe A.

Analisador de qualidade de energia Dewesoft R1DB com amplificadores tipo SIRIUS-HS

Estimativa de economia

Sim, a economia não pode ser calculada - só pode ser estimada.

O problema de calcular a economia está ligado à dificuldade de manter a carga conectada suficientemente constante. Para ter os fatos, o consumo de energia de um sistema com e sem o economizador em um determinado momento deve ser conhecido. A diferença entre os dois é a economia real. No entanto, é facilmente compreendido que é impossível saber simultaneamente o consumo de um mesmo sistema com e sem o economizador.

Conversando com fabricantes de economizadores, aprendi sobre algumas abordagens diferentes para estimar a economia total. Um muito simples que requer medidores de energia de alto desempenho e um mais simples que infelizmente traz uma incerteza de medição muito alta.

A estimativa de economia de energia instantânea

Um economizador, que encontrei no mercado, incorpora uma chave de bypass trifásica de alta potência, o que significa que o dispositivo pode ser ignorado por menos de 20 ms.

Assumindo que a carga não muda em um período de tempo tão curto, o sistema de medição pode calcular a economia com base nos valores de energia medidos antes e depois de acionar a chave de bypass.

Tendo a carga constante, uma variação no consumo de energia só poderia ser atribuída ao efeito economizador.

Esta é uma abordagem bastante simples baseada em duas condições estritas:

  • O economizador integra o interruptor de bypass e

  • O sistema de medição é capaz de calcular a potência dentro de um período de voltagem. O software de aquisição de dados DewesoftX permite este cálculo habilitando “valores periódicos” no módulo de potência.

De qualquer forma, a maioria dos economizadores não inclui esse comutador de bypass - eles não podem ser ignorados de forma alguma. Este tipo de economizador está sempre LIGADO e simula a função de bypass gerando as mesmas tensões medidas na rede (com algumas tolerâncias).

A transição ON-OFF (e vice-versa) requer 20-30 segundos tornando impossível considerar a carga como constante. Neste caso, uma variação na potência medida pode estar relacionada à variação da carga e/ou ao efeito do economizador, e não há como distinguir entre os dois.

A estimativa de economia no consumo de energia a longo prazo

A determinação da economia de energia requer medição precisa e metodologia replicável, conhecida como protocolo de medição e verificação. Nesse caso, o fabricante do economizador utiliza o Protocolo Internacional de Medição e Verificação de Desempenho (IPMVP). O protocolo define os termos padrão e sugere as melhores práticas para quantificar os resultados dos investimentos em eficiência energética.

O IPMVP oferece quatro opções para determinar a economia (A, B, C e D). Para Para estes tipos de aparelhos industriais, o método mais adequado parece ser descrito pela Opção C, uma vez que:

A economia é determinada medindo-se o uso de energia em toda a instalação ou sub-instalação [...] onde se espera que o ECM afete todos os equipamentos de uma instalação.

Os fabricantes baseiam suas estimativas de economia em dois contadores de energia usados ​​para medições de 3 dias - o período determinado a partir do resultado de um procedimento de calibração de algoritmo.

Basicamente, o procedimento de calibração verifica se em operação normal dois contadores terão o mesmo valor total de energia após um período de tempo - sem o economizador. O período de comutação pode ser ajustado e um teste mais longo pode ser aplicado. Isso garante que uma diferença nos valores de Eon e Eoff possa ser atribuída apenas à atividade do economizador sozinha e não devido à variação da carga.

Durante este teste, o economizador está alternando entre o status LIGADO e DESLIGADO com intervalos predefinidos - definidos para 15 minutos, também com base no resultado do procedimento de calibração do algoritmo. Um contador de energia soma todo o consumo de energia durante todos os períodos em que o economizador foi definido como ON, o outro quando foi definido como OFF. A diferença entre as energias totais medidas pelos dois contadores é então usada para estimar a economia total após o período de 3 dias.

Esta é uma abordagem mais complexa, mas pode ser aplicada a qualquer economizador e não requer necessariamente sistemas de medição de ponta como o Dewesoft. Dois contadores de energia simples e de baixo custo farão o trabalho.

Teste com medições

Configuração de medição

O sistema que tive a chance de analisar mostrou uma economia média de cerca de 11% - este economizador não inclui a chave de bypass, então o protocolo IPMVP foi implementado para estimar a economia em uma medição de energia de longo prazo.

Mesmo que para medir a energia consumida, basta instalar contadores de energia antes do economizador, resolvi instalar dois analisadores Dewesoft, um antes e outro depois do economizador. Eu queria obter o máximo de informações possíveis para ver se e como o economizador está eventualmente enganando o usuário com a estimativa de economia ou para provar que tal economizador está realmente funcionando!

Para isso, usei dois dispositivos de aquisição de dados SIRIUS High-Speed, o primeiro medindo tensões e correntes na rede e o último medindo após o economizador. Os dois estavam perfeitamente sincronizados e calculando todos os parâmetros de potência.

Two Dewesoft SIRIUS High-Speed DAQ modules - one measuring grid voltages and currents and one measuring after the economizer.Dois módulos DAQ Dewesoft SIRIUS High-Speed - um medindo tensões e correntes da rede e outro medindo após o economizador.

O economizador estava fornecendo dois relés de contato seco ativados respectivamente quando o status do economizador estava DESLIGADO e LIGADO. O status dos relés de contatos secos foi lido por dois canais de entrada LV isolados com uma fonte de alimentação programável integrada.

A potência e a energia foram calculadas pelo módulo de potência DewesoftX. Com matemática simples, fui capaz de totalizar a energia para os períodos LIGADO e DESLIGADO separadamente de acordo com o protocolo padrão do IPMVP.

Tela de medição mostrando medições e harmônicas dentro do software de aquisição de dados DewesoftX

Medidas

Esses sistemas foram deixados por três dias monitorando todos os parâmetros de energia enquanto o economizador foi deixado no modo TESTE alternando entre o status LIGADO e DESLIGADO a cada 15 minutos.

Transdutores de corrente DS-FLEX-3000-35-HS instalados na entrada e saída do economizador

Medições semelhantes foram realizadas em paralelo pelo sistema de controle embutido do economizador mostrando os resultados em uma tela.

Após três dias, o economizador apresentava EOn 11.738,6 kWh e EOff 12.528,2 kWh, o que representa uma economia de energia elétrica de 6,3%. Tanto o sistema economizador integrado quanto nossos sistemas Dewesoft estavam medindo resultados comparáveis.

Exibição do sistema de medição do economizador de energia embutido.

Isso já foi uma surpresa para mim. O sistema sempre mostrou uma economia média de mais de 10% durante os últimos 3-4 meses. Isso foi reduzido para 6,3% enquanto eu testava o sistema usando um analisador de energia de alto desempenho.

Resultados

Analisando os dados adquiridos encontrei alguns resultados muito interessantes. Tendo um histórico em tempo integral, fui capaz de gerar um gráfico dos dados de energia necessários durante quaisquer períodos de LIGADO e DESLIGADO.

Energia dos períodos OFF em verde, energia dos períodos ON em rosa.

Este gráfico mostra claramente que em alguns períodos quando o economizador estava no status LIGADO, a energia solicitada foi medida perto de zero.

A seguir, aumentei o zoom em uma seção menor deste mesmo gráfico para analisar o gráfico de energia das tensões de entrada e saída do economizador da rede e a energia total medida da rede.

A energia representa graficamente as tensões - grade da fase 1 em verde e saída do economizador da fase 1 em vermelho. Na parte inferior, a energia total medida da rede.

Descobriu-se que a saída de tensão do economizador está mudando regularmente, enquanto a energia total da rede está aumentando quase constantemente.

Não há nenhuma razão óbvia para que a energia medida nesses períodos deva ser próxima de zero. Exceto, isso se o relé do economizador foi mal ativado - ou mal interpretado. Esta suposição foi claramente confirmada pela análise do tempo de comutação.

Os dados de tempo de comutação mostram múltiplas ativações irregulares.

O tempo de comutação indica ativações múltiplas - ativações falsas que não seguem o comportamento do economizador indicado. E, claro, trazer o consumo de energia do período LIGADO para ZERO reduz os valores do totalizador Eon e, finalmente, aumenta o cálculo de economia.

Tendo todo o sinal no domínio do tempo, o Dewesoft Power Analyzer foi capaz de reconstruir os tempos de cálculo corretos, apesar das operações de relé incorretas e, em seguida, a economia já reduzida de 6,3% caiu para uma economia estimada de 1,8%.

Estou surpreso que este truque simples - ou comportamento indesejado - foi capaz de enganar o medidor de energia de terceiros. Mas felizmente não os medidores de energia Dewesoft. Graças à capacidade da matemática offline, permite qualquer tipo de recálculo a partir dos sinais do gravador.

Qualquer gerente de energia com um analisador de qualidade de energia padrão ou medidores de energia teria medido 6,3%. Apenas um sistema de aquisição de dados de alto desempenho com recursos de medição de energia como o Dewesoft poderia detectar esse mau funcionamento do economizador - ou truque.

Olhando para os dados, algum comportamento estranho adicional do dispositivo economizador é perceptível.

Comparação das tensões da fase 1 da rede (verde) e a emulação da saída do economizador (vermelho).

O economizador não integra um interruptor de bypass e para emular o estado OFF deve gerar a tensão que é recebida da rede.

Comparando as tensões da fase 1 da rede e da saída do economizador, é evidente que durante o estado OFF a tensão está sempre um pouco acima da rede (+ 2,5 V). Na presença de cargas lineares sensíveis às variações de tensão, o aumento está associado a um aumento na potência e na energia.

Em outras palavras, este poderia ser um mecanismo deliberado para aumentar os valores do totalizador Eoff e, assim, aumentar artificial e falsamente o cálculo de economia.

Além disso, analisando os históricos de tempo dos sinais, tive a possibilidade de obter dados tanto no modo de teste quanto em operação normal. Parece que o sistema usa um algoritmo diferente no modo de teste do que a operação normal, aplicando diferentes níveis de tensão. Suspeito que também esse comportamento poderia ser projetado para aumentar artificialmente os resultados de economia.

Conclusão

Infelizmente, não consegui encontrar a fonte infinita de energia limpa neste dispositivo. O economizador que foi vendido para obter uma economia média de 10,5% - com garantia de 8,5% em contrato - ficou longe do cumprimento. O display mostrou 6,3%, mas na realidade, ele proporcionou apenas uma economia de 1,8% para ser ainda mais reduzido, descontando vários truques de tensão encontrados ao analisar os sinais.

Eu percebo claramente que os analisadores padrões de qualidade de energia ou totalizadores de energia simples usados para implementar o protocolo IPMVP para estimativa de economia podem ser facilmente desviados pelo comportamento do economizador e confirmarão a economia incorreta de 6,3%.

Também confirmei que os consumidores devem ser críticos e questionar os fabricantes que oferecem grandes economias. É muito difícil provar que eles estão enganando sem um analisador de energia de última geração. Mas tenha em mente - apenas uma pequena parte das perdas é salva.

Documentação