Qualidade da energia: além dos fundamentos
Neste artigo, exploramos alguns dos principais aspectos práticos da medição e avaliação da qualidade de energia. Como o título sugere, vamos muito além dos fundamentos, mas, para fornecer uma base sólida, começamos com uma breve revisão de alguns conceitos básicos relacionados à energia e à qualidade da energia.
Algumas noções básicas sobre energia
A potência instantânea em um circuito, de acordo com a IEEE1459 - e, sem dúvida, com outras normas semelhantes em todo o mundo - é definida como o produto da tensão instantânea e da corrente instantânea no circuito. A potência instantânea é formada por dois componentes: potência ativa e potência reativa. A potência ativa é produzida pelo componente da corrente que está em fase com a tensão e flui unidirecionalmente da fonte para a carga. A potência reativa é produzida pelo componente da corrente que está fora de fase com a tensão e, de fato, oscila entre a fonte e a carga. Isso significa que a transferência líquida de energia da fonte para a carga devido à potência reativa é zero.
Ao fazer medições, a potência ativa é o valor médio da potência instantânea durante o intervalo de tempo de observação. Isso pode ser expresso matematicamente pela fórmula:
Onde P = potência ativa, T = 1/f em ciclos, K = número inteiro, ԏ = início da medição e p = potência instantânea.
A potência ativa é uma função dos elementos dissipativos do circuito, que geralmente são resistências. A potência ativa, que é medida em watts, é unidirecional e seu valor é sempre positivo. Em circuitos que têm formas de onda de corrente e tensão senoidais, a potência ativa pode ser expressa como
onde θ é o ângulo de fase entre a tensão e a corrente.
Analisando a potência reativa de forma semelhante, ela é uma função da amplitude da potência instantânea oscilante medida ao longo do tempo, que pode ser expressa matematicamente pela fórmula:
A potência reativa é medida em VARs (volt-ampères reativos) e é uma função da reatância do circuito. Conforme já mencionado, como a energia associada à potência reativa oscila entre a fonte e a carga, não há transferência líquida média de energia para a carga. Em circuitos com formas de onda de corrente e tensão senoidais, a potência reativa pode ser expressa como
onde θ é o ângulo de fase entre a tensão e a corrente.
Outra quantidade importante é a potência aparente. Essa é uma função da impedância total do circuito e é igual ao produto da raiz quadrada média (rms) da corrente e da tensão rms. Em um sistema senoidal sem harmônicas, a relação entre potência reativa (relacionada à reatância), potência ativa (relacionada à resistência) e potência aparente (relacionada à impedância) pode ser expressa graficamente na forma do “triângulo de potência”.
A aplicação do teorema de Pitágoras a esse triângulo mostra que a potência aparente ao quadrado é igual à soma dos quadrados das potências ativa e reativa ou, para expressar isso como uma fórmula
Fator de potência de deslocamento
Considerando o triângulo de potência, o cosseno do ângulo de fase, ou seja, o ângulo entre a tensão e a corrente, é denominado fator de potência de deslocamento (DPF). Observe que o DPF é válido somente para formas de onda senoidais e não leva em conta as harmônicas. À medida que a reatância é adicionada a um circuito, o ângulo de fase aumenta e o DPF diminui. Por exemplo, em um circuito puramente resistivo, o ângulo de fase é zero e o DPF é 1. Se for adicionada uma reatância que aumente o ângulo de fase para 8º, o DPF cairá para 0,992 e, se for adicionada mais reatância para aumentar ainda mais o ângulo de fase para 26º, o DPF cairá para 0,898.
Como as cargas reativas podem ser indutivas ou capacitivas, os valores de DPF podem ser positivos ou negativos, pois as cargas indutivas fazem com que a corrente fique defasada em relação à tensão, enquanto as cargas capacitivas fazem com que a corrente antecipe a tensão. Quando a corrente está defasada em relação à tensão, o DPF é positivo, e quando a corrente antecipa a tensão, o DPF é negativo.
Valores baixos de DPF indicam ineficiência nos sistemas de energia, porque o sistema tem que suportar a entrega de potência reativa que não realiza trabalho útil. Melhorar o fator de potência de um sistema permitirá que ele forneça mais energia à carga e, ao mesmo tempo, reduzirá a carga geral em componentes como cabos e transformadores. As melhorias podem ser substanciais, como mostra este exemplo.
Um sistema estava fornecendo energia a uma carga com um DPF de 0,829. A potência aparente fornecida (ou seja, a carga total no sistema) era de 7030 kVA, o que correspondia a 95% da capacidade do sistema. A potência ativa fornecida era de 5828 kW e a potência reativa era de 3931 kVAR. Foram tomadas medidas para aumentar o DPF para 0,990, o que reduziu a potência aparente entregue para 5960 kVA, equivalente a 80,5% da capacidade do sistema. A potência ativa entregue à carga permaneceu praticamente inalterada em 5900 kW, enquanto a potência reativa (desperdiçada) foi reduzida para 0,829 kVAR. Em outras palavras, melhorar o DPF de 0,829 para 0,990 liberou 15% da capacidade do sistema de energia!
Na prática, é muito mais provável que as cargas em um sistema de energia sejam indutivas do que capacitivas, portanto, o DPF será positivo. Nesses casos, o DPF pode ser melhorado com a adição de um banco de capacitores, o que reduz a potência reativa e aumenta a potência ativa. Veja um exemplo de como isso funciona:
Pode-se observar que, quando a reatância do banco de capacitores adicionada ao circuito é igual à reatância indutiva das cargas no circuito, a reatância total torna-se zero e o circuito se comporta como se fosse uma carga puramente resistiva. Na prática, é improvável que essa correção perfeita do fator de potência seja alcançada, mas é possível aproximar-se dela.
Os bancos de capacitores para correção do fator de potência geralmente são classificados em kVAR. Os principais valores da placa de identificação são tensão, frequência e kVAR. A impedância do banco de capacitores pode ser calculada utilizando a fórmula:
onde Q é a classificação em kVAR do banco de capacitores. Por exemplo, se o banco for classificado para 10 kV e 150 kVAR, sua impedância será de 667 ohms.
Fator de potência total
Voltando agora ao triângulo de potência, é importante lembrar que ele funciona apenas com formas de onda senoidais puras - as relações que ele engloba não são verdadeiras na presença de distorção harmônica. Isso ocorre porque, quando as harmônicas estão presentes, elas não mudam o ângulo de fase da corrente como uma carga indutiva ou capacitiva, mas distorcem a forma de onda da corrente.
Isso significa que, em circuitos com harmônicas presentes, o DPF não é uma medida precisa do fator de potência, pois leva em conta apenas a mudança de fase e não a distorção da forma de onda. Por esse motivo, é necessária uma medida diferente do fator de potência em circuitos com níveis significativos de harmônicas. Esse é o fator de potência total (TPF ou, às vezes, apenas PF) e leva em conta a distorção e a mudança de fase.
O TPF é definido como a potência dividida pela potência aparente (P/S). Se não houver harmônicas em um circuito, o TPF é igual ao DPF. No entanto, à medida que o nível de harmônicas aumenta, também aumenta a diferença entre o TPF e o DPF. Um parâmetro relacionado que às vezes é encontrado é o fator de potência de distorção (dPF), que é definido como a razão entre TPF e DPF (TPF/DPF).
Sistemas de energia e arranjos de medição
Vamos agora analisar as configurações e as características de alguns sistemas práticos de distribuição de energia e a maneira pela qual as medições de energia podem ser feitas nesses sistemas. O primeiro é o sistema de quatro fios em estrela (wye) mostrado aqui:
Entre as vantagens desse arranjo estão o fato de que a conexão neutra oferece segurança adicional, as tensões de isolamento são menores do que na maioria dos outros arranjos de distribuição de energia e é possível conectar cargas fase a fase ou fase a neutro, oferecendo efetivamente uma opção de duas tensões de alimentação diferentes. Entre as desvantagens está o fato de que as falhas podem levar à perda de tensão em uma fase, e o arranjo é suscetível a harmônicas de sequência zero. Além disso, as fases podem ser desbalanceadas e isso, juntamente com as harmônicas de sequência zero, pode gerar altas correntes de neutro. Portanto, é necessário fornecer condutores neutros de classificação adequada, o que aumenta significativamente os custos.
Um arranjo alternativo é a configuração delta com três fios, mostrada aqui:
Os benefícios desse arranjo são que as harmônicas de sequência zero são automaticamente suprimidos e que uma falha não levará à perda de uma fase. Além disso, o sistema permanecerá balanceado na presença de cargas monofásicas desbalanceadas, embora deva ser observado que o desbalanceamento pode ser produzido por mudanças de fase. Os custos são menores do que os do sistema de quatro fios conectado em Y, pois não é necessário condutor neutro. As desvantagens são que a perda de uma fase aumentará a corrente nas fases restantes, o que significa que é necessário um grau mais alto de isolamento. Além disso, a ausência de um neutro reduz a segurança.
O próximo arranjo a ser considerado tem vários nomes: delta de perna vermelha, delta de perna selvagem, delta de perna alta e outros. Seja qual for o nome, esse arranjo usa um transformador delta com derivação central para fornecer duas fontes de 120 V. Os detalhes são mostrados no diagrama a seguir; observe especialmente que o ângulo entre as fases é de 90º e não de 120º, como é comum em sistemas trifásicos.
As vantagens do arranjo trifásico delta com perna vermelha são que ele pode fornecer três tensões de alimentação diferentes - 240 V, 208 V e 120 V - e que, quando a carga trifásica é pequena, é possível usar dois transformadores individuais em vez de três, o que reduz os custos. As desvantagens são que esse arranjo pode levar ao desequilíbrio devido a cargas monofásicas desequilibradas e que somente uma carga limitada pode ser conectada entre a perna alta e o neutro. Esse arranjo também torna o projeto da rede mais complicado.
O último arranjo que consideraremos é a energia bifásica, que é usada com mais frequência para fornecer suprimentos monofásicos a propriedades residenciais.
As principais vantagens desse arranjo são a simplicidade e o baixo custo. Além disso, ele fornece duas tensões de alimentação - 240 V e 120 V. As deficiências aqui são que ele pode ficar desequilibrado, é suscetível a harmônicas de sequência zero e essas harmônicas, juntamente com cargas desbalanceadas, podem levar a altas correntes de neutro.
Teorema de Blondel e conversões delta-ye
Para cada um dos arranjos que consideramos, os diagramas incluíram conexões de wattímetro. No entanto, é útil saber que o teorema de Blondel afirma que a potência total em um sistema de N condutores pode ser medida adequadamente com o uso de N wattímetros ou elementos de medição de watt. Os N wattímetros são conectados separadamente, de modo que cada um mede o nível de corrente em um dos N condutores e o nível de potencial entre esse condutor e um ponto comum. Se, no entanto, o ponto comum for um dos condutores, o wattímetro desse condutor poderá ser removido, o que significa que apenas N-1 wattímetros ou elementos de medição de watt são necessários.
Também é útil saber que as tensões de fase medidas linha a linha em um sistema conectado em delta podem ser facilmente convertidas em uma tensão “virtual” linha a neutro simplesmente dividindo os valores linha a linha por √3. Isso permite que os valores de potência sejam visualizados por canal, mas é importante lembrar que esse cálculo só é válido se o sistema delta no qual as medições estão sendo feitas estiver balanceado. Felizmente, os sistemas delta geralmente permanecem balanceados mesmo na presença de cargas desbalanceadas, mas podem se tornar desbalanceados quando são introduzidas mudanças de fase.
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Análise dos dados de energia
ao analisar os dados de energia coletados por instrumentos de qualidade de energia ou, de fato, visualizar esses dados em tempo real, uma das primeiras coisas a verificar é se a potência ativa é positiva. A inversão da potência ativa pode ocorrer quando a energia é realimentada em um sistema de fornecimento quando fontes como as renováveis e os sistemas de geração distribuída entram em operação. A energia ativa negativa é problemática, pois pode levar à troca frequente de derivação do transformador, resultando em desgaste excessivo dos comutadores.
Os histogramas que mostram o uso de energia por hora durante o intervalo de teste também fornecem informações de grande valor. Vale a pena observar os momentos em que o uso de energia está em seu pico e também analisar o uso total de energia aparente, ativa e reativa durante o intervalo de teste.
Os dados relacionados às correntes de neutro merecem atenção, pois correntes de neutro altas são indicativas de cargas mal balanceadas ou de problemas harmônicos, o que indica a necessidade de uma investigação mais aprofundada.
Uma diferença significativa entre TPF e DPF geralmente é um indicador confiável da presença de harmônicas, mas é necessário ter cuidado. Se cargas muito pequenas parecerem ter harmônicas altas, isso pode ser devido à baixa relação sinal-ruído no sistema de medição. Esse problema pode ser evitado com a escolha adequada dos TCs usados para fazer as medições. Não use, por exemplo, um TC de 6000 A para monitorar um circuito com uma corrente de carga de 60 A!
Níveis elevados de potência reativa também exigem atenção, pois frequentemente é possível obter grandes economias ao fornecer compensação capacitiva para cargas indutivas de grande porte, especialmente porque muitas concessionárias aplicam penalidades por baixo fator de potência. No entanto, a supercompensação também pode ser problemática, e é sempre importante verificar se o fator de potência está em atraso (lagging) e não em avanço (leading).
Uma das razões para isso é que cargas com fator de potência em avanço podem afetar negativamente o funcionamento de geradores. O regulador de tensão de um gerador é projetado para manter a tensão de saída em um valor predefinido. À medida que a corrente defasada em atraso aumenta, ela reduz a intensidade do campo do rotor. O regulador de tensão compensa isso aumentando a corrente no rotor.
Se, no entanto, o gerador estiver alimentando uma carga com fator de potência em avanço, conforme a corrente defasada em avanço aumenta, ela se soma à intensidade do campo do rotor. O regulador de tensão reduz a corrente fornecida ao eletroímã para compensar. E, se a corrente defasada em avanço for suficientemente grande, o regulador pode deixar de fornecer corrente completamente, o que pode levar ao desligamento por sobretensão.
Cargas com fator de potência em avanço também podem causar problemas para fontes de alimentação ininterrupta (UPSs). Essas fontes têm um sistema CC que retifica a corrente alternada para corrente contínua e um sistema CA que inverte a corrente contínua de volta para corrente alternada. Alguns designs de inversores têm grandes filtros capacitivos na saída. A reatância capacitiva desses filtros compensa a reatância das cargas com fator de potência em atraso, permitindo que a UPS forneça quase toda a sua potência nominal. Se a carga tiver um fator de potência em avanço, no entanto, a reatância dos filtros se soma à reatância das cargas, limitando severamente a potência que a UPS pode fornecer.
Realização de testes de energia,
Há quatro etapas essenciais na realização de testes de energia em uma instalação: avaliação comparativa, auditoria, recomendação de mudanças e reavaliação. Vamos analisar cada uma delas separadamente.
A fase de avaliação comparativa deve começar com a coleta de faturas de energia dos últimos um a três anos e uma revisão cuidadosa do histórico de consumo de energia. Deve-se identificar tendências anuais. O consumo de energia está aumentando, diminuindo ou permanecendo relativamente estável? Também é importante considerar tendências sazonais. Variações ao longo do ano são normais e esperadas, mas mudanças significativas podem indicar problemas em sistemas de aquecimento, ar-condicionado ou controle de processos, ou até mesmo a necessidade de melhorias no isolamento térmico do prédio. As tarifas da concessionária também devem ser analisadas cuidadosamente, pois pode haver oportunidades de reduzir os custos de energia, por exemplo, ao reprogramar operações que consomem muita energia para horários com tarifas mais baixas.
A avaliação comparativa também deve incluir um levantamento dos principais equipamentos consumidores de energia no local, registrando as horas de operação de cada um. A iluminação merece atenção especial, pois seu impacto no consumo de energia muitas vezes é subestimado. Deve-se avaliar o tipo de iluminação utilizada e se os níveis de luz no prédio são adequados.
A próxima etapa é a auditoria, mas antes de prosseguir, é fundamental garantir a segurança. É necessário verificar a existência de riscos no local, garantir que todos os sistemas estejam em conformidade com normas e padrões e identificar conexões defeituosas. Uma câmera termográfica pode ser útil para essa tarefa. Lembre-se de que conexões ruins aumentam a resistência elétrica, o que não só representa um risco de segurança, mas também resulta em desperdício de energia.
A auditoria envolve registrar o consumo de energia de toda a instalação por um período de tempo, mas também é essencial medir individualmente o consumo dos principais equipamentos consumidores de energia. Antes de iniciar os registros, é necessário selecionar os transdutores de corrente adequados.
Escolha transdutores com a faixa de medição correta: se a faixa for muito baixa, o TC pode saturar, se for muito alta, terá baixa resolução. Considere se será necessário um transdutor flexível ou de núcleo dividido: ele cabe no local onde será instalado? Precisa de baterias? Em áreas com alto campo eletromagnético (EMF), o transdutor de núcleo dividido é a melhor opção. Se for necessário registrar corrente contínua (CC), deve-se utilizar um TC de efeito Hall.
Ao programar o instrumento que fará os registros para a auditoria, primeiro verifique se a configuração de potência está correta e, em seguida, defina a taxa de demanda para a mesma taxa do medidor de faturamento, prestando atenção se é uma taxa fixa ou deslizante e se é uma tarifa de intervalo de demanda ou uma tarifa baseada na taxa de demanda. Não se esqueça de habilitar o registro de harmônicas!
Com esses preparativos concluídos, a fase de monitoramento da auditoria pode começar. Ao conectar o analisador de qualidade de energia (PQ), sempre utilize os equipamentos de proteção individual (EPIs) adequados. Verifique se os cabos de tensão estão conectados corretamente, conforme as instruções fornecidas pelo fabricante do analisador, se as faixas dos TCs estão ajustadas corretamente e se os TCs estão conectados na direção correta. Em seguida, verifique se a potência (kW) está positiva e cheque os ângulos de fase.
É uma grande vantagem usar um instrumento que automaticamente verifique se está corretamente configurado antes de iniciar o registro de longo prazo. É frustrante e caro voltar a um instrumento após uma semana e descobrir que o registro foi interrompido devido a um erro simples. Quando tudo estiver pronto, verifique se o instrumento está aterrado, faça uma última checagem para garantir que realmente está registrando, depois trave-o e deixe-o realizar seu trabalho. Os registros do consumo total de energia da instalação e do consumo dos principais equipamentos devem continuar por pelo menos uma semana inteira.
Ao final desse período, analise os dados, prestando atenção especial na revisão do consumo de energia, na análise do histograma de uso de energia, bem como na verificação da potência reativa, do fator de potência de deslocamento, do fator de potência verdadeiro, do desequilíbrio e das harmônicas. Realize essa análise não apenas para a instalação como um todo, mas também para cada um dos principais equipamentos consumidores de energia.
Com as informações fornecidas por essa análise, quase sempre será possível recomendar mudanças que melhorarão a eficiência energética e reduzirão os custos de energia da instalação. Exemplos típicos incluem a redução de cargas, o deslocamento de cargas para horários fora de pico, a instalação de iluminação mais eficiente em termos de energia, a redução das necessidades de aquecimento e resfriamento e a melhoria do isolamento térmico. Em quase todos os casos, as economias cobrirão rapidamente o custo da auditoria e as melhorias necessárias várias vezes.
Agora, resta uma tarefa adicional. após a implementação das melhorias recomendadas, retorne à instalação e repita a auditoria! Dessa forma, a eficácia das melhorias será confirmada e poderá até ser possível sugerir novos aprimoramentos. Afinal, a eficiência energética tem a ver com melhoria contínua e não com uma solução pontual!
