Qualidade de Energia - UDESC · • Maior eficiência da rede industrial –Redução de perdas na...
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Qualidade de Energia
Jonathan Dômini Sperb, Eng. Msc.
Prof. Marcello Mezaroba
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Qualidade de Energia:
• Aumento da utilização do termo Qualidade de Energia
– Pela concessionária (geração, transmissão e distribuição)
– Pelos consumidores (indústrias)
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Justificativa:
• Aumento da Produtividade
– Fabricar mais
– Máquinas mais eficientes
– Equipamentos parados = prejuízo
• Uso equipamentos e processos mais sensíveis
– Microprocessadores
– Dispositivos eletrônicos
– “Cargas críticas”
• A busca de uma maior eficiência nos equipamentos
– Desenvolvimento contínuo
– Aumento no rendimento
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Justificativa:
• Maior eficiência da rede industrial
– Redução de perdas na Instalação Elétrica
• Maior compreensão dos usuários finais com a qualidade de energia elétrica
– Interrupções, afundamentos de tensão, transitórios de chaveamento
– Resultado =>Pressão sobre as concessionárias
• Interconexão de vários dispositivos
– Uma falha na rede elétrica pode gerar problemas maiores
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Justificativa:
• As concessionárias buscam maior eficiência
– Melhora no rendimento da geração, transmissão e distribuição
– Aumento do fornecimento com a mesma estrutura
• Pressão dos consumidores
– Desejo por um produto de maior qualidade
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Pontos de Vista:
• Concessionárias:
– Proximidade com o caso ideal
• Estabilidade no fornecimento
• Baixa distorção da Forma de onda
• Baixa variação de Freqüência
– confiabilidade do sistema
• Baseada em Dados estatísticos
• Indicadores (DEC, FEC, DIC e FIC)
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Pontos de Vista:
• Consumidores:
– Perfeito funcionamento dos equipamentos
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Apresentação de soluções:
• Modernização das cargas
– Aumento da eficiência
– Redução das interferências geradas
• Aplicação de filtros passivos
• Aplicação de filtros ativos
• Aplicação de filtros híbridos
• Estabelecimento de normas
Fatores econômicos: CUSTO x BENEFÍCIO
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Definições:
• Comitê Coordenador de Normas 22 do Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE SCC22)
• Comissão Internacional de Eletrotécnica (IEC)
– Apresentar definições aos vários tipos de distúrbios
– Padronizar termos
– Normalizar estas informações.
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Principais fenômenos causadores de distúrbios eletromagnéticos classificados segundo a IEC:
Fonte: R. C. DUNGAN, M. F. McGranaghan and H. W. Beaty. Electrical Power Systems Quality. 1. Ed. New York: McGraw-Hill, 1996. p. 1-260.
Fenômenos Conduzidos
Baixa Freqüência Alta Freqüência
Harmônicos e Interharmônicos Formas de onda de tensão e corrente induzidas
Sinais Portadores Transientes unidirecionais
Flutuação de Tensão Transientes oscilatórios
Afundamentos de Tensão e interrupções
Desequilíbrio de Tensão
Variações de Freqüência
Indução de Tensões em baixa freqüência
Componentes CC em rede CA
Fenômenos Irradiados
Campos Magnéticos Campos Magnéticos
Campos Elétricos Campos Elétricos
Campos Eletromagnéticos
Formas de ondas Continuas
Transientes
Fenômenos de descargas eletrostáticas (ESD)
Pulso eletromagnético nuclear (NEMP)
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Características de estudo dos fenômenos:
Fenômenos de Regime Permanente
Fenômenos de Ocorrência Transitória
Amplitude Amplitude
Freqüência Freqüência
Espectro Espectro
Modulação Duração
Impedância da Fonte Taxa de Avanço
Área do Entalhe (notch ) Impedância da Fonte
Profundidade do Entalhe Taxa de Ocorrência
Fonte: R. C. DUNGAN, M. F. McGranaghan and H. W. Beaty. Electrical Power Systems Quality. 1. Ed. New York: McGraw-Hill, 1996. p. 1-260.
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Categorias e características típicas de fenômenos eletromagnéticos em sistemas de potência:
Categorias Conteúdo Espectral Duração Típica Magnitude
1 – Transitórios
1.1 – Impulso
1.1.1 – Nanosegundo Acima de 5 ns < 50 ns
1.1.2 – Microsegundo Acima de 1 s 50 ns – 1 ms
1.1.3 – Milisegundo Acima de 100 s > 1ms
1.2 – Oscilação
1.2.1 – Baixa freqüência < 5 kHz 0,3 – 50 ns 0 – 4 pu
1.2.2 – Média freqüência 5 – 500 kHz 20 s 0 – 8 pu
1.2.3 – Alta freqüência 0,5 – 5 MHz 5 s 0 – 4 pu
Fonte: R. C. DUNGAN, M. F. McGranaghan and H. W. Beaty. Electrical Power Systems Quality. 1. Ed. New York: McGraw-Hill, 1996. p. 1-260.
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Categorias e características típicas de fenômenos eletromagnéticos em sistemas de potência:
Categorias Conteúdo Espectral Duração Típica Magnitude
2 – Variações de curta duração
2.1 – Instantâneas
2.1.1 – Interrupção 0,5 – 30 ciclos < 1 pu
2.1.2 – Afundamentos (Sag ) 0,5 – 30 ciclos 0,1 – 0,9 pu
2.1.3 – Elevações (Swell ) 0,5 – 30 ciclos 1,1 – 1,8 pu
2.2 – Momentânea
2.2.1 – Interrupção 30 ciclos – 3 s < 1 pu
2.2.2 – Afundamentos (Sag ) 30 ciclos – 3 s 0,1 – 0,9 pu
2.2.3 – Elevações (Swell ) 30 ciclos – 3 s 1,1 – 1,8 pu
Fonte: R. C. DUNGAN, M. F. McGranaghan and H. W. Beaty. Electrical Power Systems Quality. 1. Ed. New York: McGraw-Hill, 1996. p. 1-260.
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Categorias e características típicas de fenômenos eletromagnéticos em sistemas de potência:
Categorias Conteúdo Espectral Duração Típica Magnitude
2 – Variações de curta duração
2.3 – Temporária
2.3.1 – Interrupção 3 s – 1 min < 1 pu
2.3.2 – Afundamentos (Sag ) 3 s – 1 min 0,1 – 0,9 pu
2.3.3 – Elevações (Swell ) 3 s – 1 min 1,1 – 1,8 pu
3 – Variações de longa duração
3.1 – Interrupção sustentada > 1 min < 0,0 pu
3.2 – Subtensão > 1 min 0,8 – 0,9 pu
3.3 – Sobretensão > 1 min 1,1 – 1,2 pu
Fonte: R. C. DUNGAN, M. F. McGranaghan and H. W. Beaty. Electrical Power Systems Quality. 1. Ed. New York: McGraw-Hill, 1996. p. 1-260.
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Categorias e características típicas de fenômenos eletromagnéticos em sistemas de potência:
Categorias Conteúdo Espectral Duração Típica Magnitude
4 – Desequilíbrio de Tensão Regime Permanente 0,5 – 2%
5 – Distorção de Forma de Onda
5.1 – Offset CC Regime Permanente 0 – 0,1 %
5.2 – Harmônicos 0 – 100ª Harmonica Regime Permanente 0 – 20 %
5.3 – Interharmônicos 0 – 6 kHz Regime Permanente 0 – 2 %
5.4 – Entalhe (notch ) Regime Permanente
5.5 – Ruído Elétrico Banda Ampla Regime Permanente 0 – 1 %
6 – Flutuação de Tensão 5 – 500 kHz Intermitente 0,1 – 7%
7 – Variações em Freqüência < 25 Hz < 10s
Fonte: R. C. DUNGAN, M. F. McGranaghan and H. W. Beaty. Electrical Power Systems Quality. 1. Ed. New York: McGraw-Hill, 1996. p. 1-260.
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Definições:
1 - Transitórios:
• Variação abrupta das condições nominais
• Natureza momentânea e indesejável.
• Tipos:
– Impulso Transitório
– Oscilação Transitória
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1.1 - Impulso Transitório: • Mudança abrupta em corrente e/ou tensão • curto período de tempo (ordem de microsegundos)
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1.2 - Oscilação Transitória: • Variação súbita em magnitude • Alternância de modo cíclico em sentido e polaridade • Freqüência acima da freqüência nominal de operação
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Definições:
2 - Variações de Tensão de Curta Duração
• Permanência menor que um minuto.
• Duração:
– instantâneas,
– momentâneas,
– temporárias
• Tipos:
– Interrupções
– Afundamento de Tensão (sags ou dips)
– Elevação de Tensão (swell)
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Exemplo de uma interrupção de
tensão de 100%
2.1 - Interrupções: • Valor menor que 0,1 p.u. • Duração menor que um minuto
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21
Exemplo de um afundamento de tensão em 15%
2.2 - Afundamentos de Tensão (Sags): • Ordem de 10 a 90% do valor nominal • Duração de 0,5 ciclos até 1 minuto • Sags (América do Norte) ou Dips (Europa).
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22
Exemplo de uma elevação na
tensão de 15%
2.3 - Elevações de Tensão (Swell ): • Aumento de 10 a 80% • Duração de 0,5 ciclos a 1 minuto
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Definições:
3 - Variações de Tensão de Longa Duração
• Duração maior que um minuto
• Tipos:
– Sobretensão
– Subtensão
– Interrupções sustentadas
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Exemplo de uma sobretensão de
20%
0s 0.2s 0.4s 0.6s 0.8s 1.0s 1.2s 1.4s 1.6s 1.8s 2.0s-400V
-200V
0V
200V
400V
3.1 - Sobretensão: • Incremento no valor rms maior que 10% • Duração maior que um minuto
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25 0s 0.2s 0.4s 0.6s 0.8s 1.0s 1.2s 1.4s 1.6s 1.8s 2.0s
-400V
-200V
0V
200V
400V
Exemplo de uma subtensão de
20%
3.2 - Subtensão: • Diminuição no valor rms maior que 10 % • Duração maior que um minuto.
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26 0s 0.2s 0.4s 0.6s 0.8s 1.0s 1.2s 1.4s 1.6s 1.8s 2.0s
-400V
-200V
0V
200V
400V
Exemplo de uma Interrupção Sustentada
3.3 - Interrupções Sustentadas: • Tensão cai a zero • Duração maior que um minuto
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27
Definições:
0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms 45ms 50ms-400V
-200V
0V
200V
400V
Exemplo de Desequilíbrio de
tensão
4 - Desequilíbrio de tensão
É o maior desvio em relação à média, dividido pela média das tensões. Normalmente é expressada em percentual.
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28
Definições:
5 - Distorções na Forma de onda:
• Desvio de uma forma de onda em relação à ideal
• É caracterizada principalmente pelo conteúdo espectral
• Tipos:
– Offset CC
– Harmônicos
– Interharmônicos;
– Entalhe ou corte (Notch);
– Ruído elétrico.
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Exemplo de offset CC de 10%
0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100ms-400V
-200V
0V
200V
400V
5.1 - Offset CC: • Presença de tensão ou corrente CC em um sistema CA
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5.2 - Harmônicos: • São sinais de freqüências inteiras e múltiplas à nominal • Podem ser decompostos pela Série de Fourier • Podem ser quantizados através da TDH
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300V@60Hz + 90V@210Hz + 60V@325Hz
0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100ms-500V
0V
500V
5.3 - Interharmônicos: • Não são múltiplos inteiros da freqüência fundamental. • Sinais de freqüência entre dois valores inteiros.
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32
0s 5.00ms 10.00ms 15.00ms 20.00ms 25.00ms 30.00ms
-400V
-200V
0V
200V
400V
5.4 - Entalhe ou Corte (notch): • Deformação periódica • Semelhante a um pequeno corte na forma de onda
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5.5 - Ruído Elétrico: • Distorção que não seja harmônica ou transiente • Apresentam amplo conteúdo espectral (< 200 kHz)
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Definições:
6 - Flutuações de Tensão:
• Variações contínuas ou mudanças ao acaso.
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Definições:
7 - Variações de Freqüência:
• Variações no valor freqüência fundamental
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Definições:
Interferência Eletromagnética:
• Distúrbios com banda de 10 kHz e 1 GHz
• Amplitudes que variam de 100 µV a 100 V.
– Interferência Conduzida
• Interferência de Modo Comum
• Interferencia de Modo Diferencial
– Interferência Irradiada
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37
Definições:
( ) 2 sen( )efv t V t
2 sen( t+ )efi I
cos( )FD
Fator de Deslocamento:
• Deslocamento da fundamental de corrente em relação à tensão
0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400
-200
0
200
400
0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400
-200
0
200
400
FD = Fator de Potência?
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38
Definições:
PFP
S
1
2
cos( )
1FP
TDH
Fator de Potência:
• Razão entre a potência ativa, em W, com relação à potência aparente, em VA:
• Com a ajuda do fator de potência de deslocamento e da distorção harmônica total:
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39
Definições:
2
2
1
nef
n
ef
I
TDHI
Taxa de Distorção Harmônica:
• Relaciona o valor eficaz das componentes harmônicas pelo valor eficaz da fundamental.
0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400A
-200A
0A
200A
400A
I1(rms) = 100A
I1(pk) = 141A
TDH1 = 0%
I2(rms) = 100A
I2(pk) = 250A
TDH2 100%
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40
Definições:
pk
ef
VFC
V
Fator de Crista:
• Relação entre o valor de pico pelo valor eficaz
0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400A
-200A
0A
200A
400A
I1(rms) = 100A
I1(pk) = 141A
FC1 = 1,41A
I2(rms) = 100A
I2(pk) = 250A
FC2 = 2,5A
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41
Normas Regulamentadoras:
IEC 61000-3-2
Estabelece limites para a emissão de harmônicas em equipamentos com correntes eficazes inferiores a 16 A por fase (monofásicos ou trifásicos)
IEC 61000-3-4
Estabelece limites para a emissão de harmônicas em equipamentos com correntes eficazes maiores que 16 A por fase.
IEEE 519
Recomendação que descreve os fenômenos causadores de distorções e apresenta métodos de medida destas distorções e limites para as mesmas.
IEC 61000-4-7
Compõe um guia geral para medidas de harmônicos e interharmônicos e instrumentação aplicada a sistemas de fornecimento energético .
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42
PRODIST (Procedimentos de distribuição de
energia elétrica no sistema elétrico nacional):
Ano 2000 Resolução 24 ANEEL
• Disposições relativas à continuidade do fornecimento;
Duração e frequência das interrupções.
Ano 2001
Resolução 505 ANEEL
• Estabelece critérios de Qualidade do Produto
Limites em Regime Permanente (Precários e críticos)
Critérios para Medição e Registro
Prazos para regularização
Compensação ao consumidor (ressarcimento)
Ano 2008
Resolução 345 ANEEL
• Criação do PRODIST
• Módulo 8 -> Qualidade de energia.
Fator de potência
Harmônicos
Desequilíbrios de tensão
Flutuações
Variações de curta duração
Variações de frequência
Indicadores de continuidade
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43
Como avaliar dispositivos e equipamentos alimentados por redes de baixa qualidade?
• Simuladores de redes não senoidais
• Geradores programáveis de distúrbios
• Fontes de corrente não seinoidais
• Simuladores de cargas não lineares
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44
Simuladores de redes não senoidais
São dispositivos capazes de gerar tensões não senoidais (com conteúdo harmônico).
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45
Geradores Programáveis de Distúrbios
São dispositivos capazes de gerar tensões que simulam distúrbios na alimentação (sags e swells)
0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400V
-200V
0V
200V
400V
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms-400V
-200V
0V
200V
400V
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46
Fontes de Corrente não Senoidais
São dispositivos capazes de gerar correntes não senoidais (com conteúdo harmônico).
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47
Simuladores de Cargas Não Lineares
• Utilizados para testar dispositivos com característica de fonte de tensão
• Podem ser dissipativos ou regenerativos
0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400
-200
0
200
400
REDECARGA
ELETRÔNICA
REDE
0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400
-200
0
200
400
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48
Como desenvolver dispositivos que não provoquem uma baixa qualidade de energia?
• Pré reguladores
M
M
Pré Regulador
0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400
-200
0
200
400
0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms-400
-200
0
200
400
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49
Como melhorar a qualidade da energia que recebemos?
• Compensadores de reativos passivos;
• Compensadores de reativos ativos;
• Compensadores de reativos híbridos;
• Filtros de harmônicos passivos;
• Filtros de harmônicos ativos;
– Filtro Paralelo
– Filtro Série
– Filtro Universal (UPQC)
• Filtros de harmônicos híbridos;
• Restauradores dinâmicos de tensão
• Fontes ininterruptas de energia
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50
Compensadores de Reativos:
• Compensadores Passivos.
Fonte: CONTROLADORES FACTS: Conceitos Básicos. Prof. Domingo Ruiz Caballero
Banco de
Vref
PT
Controle
Banco de capacitores indutores
Transformador de
Acoplamento
Linha de transmissao
Barra
Estabelecimento de
Parametros
CC L L
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51
Compensadores de Reativos:
• Compensadores Ativos.
Fonte: CONTROLADORES FACTS: Conceitos Básicos Prof. Domingo Ruiz Caballero
Transformador de
Acoplamento
Linha de transmissao Barramento
C+
-
Lc
Lc
Lc
ControleTensoes TrifasicasAmostra de
VDC
VDCref VABCref
ABC
X
Y
T1
L
T2
C
SVC – Impedância variável STATCOM – Compensador Síncrono Estático
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52
Filtros Harmônicos:
• Filtros Sintonizados
Fonte: José Antenor Pomilio. Harmônicos e Fator de Potência: um Curso de Extensão. Capítulo 5 - Filtros passivos.
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53
Filtros Harmônicos:
• Filtro Ativo Paralelo
PCC
Ccc LvVcc
Ih
Filtro paralelo,
configuração VSI
Fonte
CA
Sistema Alimentador
Zs Carga
Utilizado para corrigir a corrente de carga: • presença de harmônicos • cargas desequilibradas • corrente de neutro
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54
Filtros Harmônicos:
• Filtro Ativo Série
Vcc
Filtro série,
configuração VSI
PCC
Ccc
Lv
Vh
Cv
Fonte
CA
Sistema Alimentador
Zs Carga
Utilizado para corrigir a corrente de carga: • desequilíbrio de tensão • sags • swells, • minimização de harmônicos
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55
Filtros Harmônicos:
• Filtro Ativo Universal ou (UPQC)
– Utilizado para corrigir a tensão e a corrente de carga simultaneamente
Fonte
CA
Sistema Alimentador
PCCZs
Filtro Ativo
Paralelo
Carga
Barramento
CC Filtro Ativo
Série
Ih
Vh
Vs Is Vo Io
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56
Restaurador Dinâmico de Tensão:
• Utilizado para corrigir variações de curta duração ou desequilibrios entre fases.
Carga Fonte
Inversor Energia
armazenada
Carga Fonte
Inversor Retificador
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57
Fontes de Alimentação Ininterruptas (UPS):
• Alimentação de cargas críticas
• Associação à grupo-geradores à diesel.
~
= ~
=Rede
Retificador
Baterias
Inversor
Carga