Energia limpa para seu equipamento (EL046)

O bom funcionamento de equipamentos eletrônicos, principalmente na indústria, depende da qualidade da energia elétrica que os alimenta. A preocupação com este fato não está apenas na instalação correta do equipamento, mas também na monitoria da própria energia que pode trazer deformações como, por exemplo, as devidas às alterações de forma de onda, presença de transientes e surtos e até mesmo variações indevidas de tensão.

De que modo os problemas de energia que afetam os equipamentos devem ser encarados e como detectá-los é o assunto deste artigo, de grande importância para todos os que trabalham com instalações das mais variadas. Também veremos de que maneira podemos medir tensões e correntes numa rede "suja" usando um multímetro de características especiais para esta finalidade, que é o True RMS.

ENERGIA LIMPA

A forma de onda da tensão alternada fornecida pela rede de energia elétrica, em teoria, deve ser senoidal com uma frequência de 60 Hz, conforme mostra a figura 1.

Forma de onda da energia da rede.

 Entretanto, por diversos motivos como, por exemplo, a utilização de dispositivos que empregam fontes chaveadas ou ainda dispositivos de comutação de potência muito rápidos como os que fazem uso de TRIACs e SCRs, as formas de onda das correntes e tensões encontradas numa instalação elétrica podem sofrer alterações deixando de ser "limpas" ou "puras".

Estas alterações podem afetar sensivelmente o funcionamento de equipamentos sensíveis ligados, alimentados pela mesma rede de energia, e até dos próprios causadores dos problemas.

Nas indústrias, por exemplo, onde a quantidade de equipamentos alimentados que podem causar deformações é grande e igualmente grande a quantidade de equipamentos sensíveis que podem ser afetados por uma energia "não limpa", a preocupação em se "medir" e controlar a qualidade da energia é importante, exigindo uma constante monitoração ou análise quando for constatado qualquer tipo de anormalidade no funcionamento de um equipamento cuja causa possa estar na energia que ele usa.

O multímetro comum não atende às necessidades do técnico ou engenheiro que precisa medir a energia de uma rede que tenha problemas de deformações das correntes e tensões, transientes ou surtos. Para que o leitor saiba diferenciar os multímetros que podem detectar a qualidade da energia e como saber até onde uma energia com má qualidade pode afetar seus equipamentos, preparamos este artigo, de grande importância para todos os que se preocupam com a qualidade da energia que chega até o seu local de trabalho ou de um cliente, tais como instalações industriais, comerciais ou locais em que funcionem equipamentos sensíveis.

HARMÔNICAS

Conforme explicamos, uma tensão alternada considerada "pura" ou "limpa" é aquela que tem uma forma de onda perfeitamente senoidal.

Na prática, entretanto, ocorrem deformações como as ilustradas na figura 2.

Deformação da tensão senoidal da rede de energia.

O matemático inglês Fourier demonstrou que um sinal de qualquer forma de onda, na realidade, pode ser decomposto em sinais senoidais de amplitudes diferentes e frequências que partindo de um valor fundamental vão tendo valores múltiplos deste, frequências estas denominadas harmônicas.

Assim, o sinal que tem o dobro da frequência fundamental é denominado segunda harmônica, o que tem o triplo é chamado terceira harmônica, e assim por diante.

Demonstra-se também que o inverso é válido: um sinal de qualquer forma de onda pode ser formado pela combinação de sinais senoidais de frequências múltiplas e amplitudes diferentes.

Dessa forma, uma tensão alternada que uma deformação como a indicada na figura 3, pode ser analisada como sendo formada por uma tensão na frequência fundamental de maior amplitude (60 Hz) e diversas outras tensões de menor amplitude com frequências múltiplas denominadas harmônicas.

Deformação devido à presença de harmônicas.

A distorção de um sinal é medida pela Taxa de Distorção Harmônica, ou abreviadamente THD, que é dada por uma porcentagem (%).

A taxa de distorção harmônica total de um sinal ou forma de onda é calculada pela seguinte expressão:

THD(%) =

 Onde: THD(%) = distorção harmônica total

V2, V3, V4,....Vn = amplitudes da segunda, terceira, etc, harmônicas

Vf = amplitude do sinal fundamental

 Dependendo da forma de onda, as harmônicas podem se estender a valores muito altos de frequências causando, por exemplo, interferências em equipamentos de comunicações.

Na tabela a seguir temos as harmônicas e suas intensidades relativas para um sinal que é obtido na saída de um retificador de onda completa. Esse sinal consiste numa "onda" cuja forma é mostrada na figura 4.

Sinal na saída de um retificador de onda completa.

O processo de cálculo dessas intensidades envolve a Transformada de Fourier que permite determinar o "coeficiente" ou intensidade relativa de cada harmônica partindo-se da função que descreve a forma de onda analisada.

Um controle de potência que empregue SCR ou TRIAC é um exemplo disso. A comutação rápida desses dispositivos, gerando na carga uma tensão com forma de onda como a indicada na figura 5, também é responsável pela produção de harmônicas que se estendem até a faixa de VHF de TV.

Forma de onda num controle de potência.

Um controle de potência desses causa interferências em televisores que aparecem na forma de pequenos riscos na imagem. O mesmo ocorre com liqüidificadores , barbeadores e equipamentos industriais que usem motores com escovas.

PROBLEMAS CAUSADOS PELA ENERGIA "SUJA"

Mas não são somente interferências que causam uma tensão alternada com deformações ou distorções, e que a tornam rica em harmônicas.

Se um equipamento for alimentado por uma tensão não pura que tenha uma taxa de distorção harmônica elevada, poderão ocorrer perdas de energia.

Os transformadores, em especial, são componentes sensíveis a este problema podendo apresentar até mais de 50% de perdas se forem alimentados com uma tensão muito distorcida.

As cargas alimentadas por tensão distorcida podem ter ainda um fator de potência muito pobre sobrecarregando o sistema.

Os controles de potência com TRIACs são exemplos desses dispositivos que podem ter seu desempenho melhorado com o uso de choques, os quais "suavizam" a forma de onda da energia consumida diminuindo assim a THD.

Outro problema a ser considerado é que as harmônicas de corrente podem também distorcer a forma de onda da tensão, e com isso isso causar harmônicas de tensão. Distorções da tensão podem afetar motores elétricos e bancos de capacitores.

Nos motores elétricos, por exemplo, a seqüência negativa de harmônicas (5.ª, 11.ª , 17.ª , etc.) assim chamada porque sua seqüência (ABC ou ACB) é oposta à seqüência fundamental, conforme ilustra a figura 6, produz campos magnéticos rotativos. Estes campos "rodam" na direção oposta ao campo magnético fundamental e podem causar não somente um sobreaquecimento do motor como até oscilações mecânicas no sistema motor-carga.

A seqüência de energização das harmônicas contrapõe-se ao campo fundamental.

No caso dos bancos de capacitores, o que acontece é que a reatância de um banco de capacitores diminui com o aumento da frequência, fazendo com que ele drene energia através justamente das harmônicas de maior frequência. Este aumento de energia drenada pelos capacitores pode causar perdas e sobrecargas no dielétrico, capazes até de levar os capacitores a uma falha.

Quanto aos de equipamentos que operam com apenas uma fase, tais como computadores pessoais, reatores e outros, os problemas também existem.

Para estes equipamentos são especialmente danosas as harmônicas ímpares como o 3.ª, 5.ª, 7.ª, etc.

Temos também a ação danosa dos harmônicas denominadas triplas que são a 3.ª, 9.ª e 15.ª. Estes harmônicos estão em fase, o que quer dizer que a primeira fase (A) triplica as harmônicas, a (B) triplica novamente e a (C) faz uma multiplicação final, de modo que todas as três retornam em fase pelo condutor de neutro num sistema de 3 fases com 4 condutores. O resultado disso é uma sobrecarga do condutor de neutro, o que pode significar problemas se ele não estiver devidamente dimensionado para suportar esta corrente adicional.

O mesmo problema pode surgir em transformadores com enrolamento em delta onde as harmônicas são refletidas para o primário causando sobreaquecimento semelhante ao que acontece quando temos uma corrente trifásica não balanceada.

Uma maneira importante de verificar se existem correntes harmônicas numa instalação é medindo-a no condutor neutro da instalação trifásica, num sistema de 4 fios.

No entanto, uma elevada distorção harmônica da forma de onda da tensão disponível na rede de energia só trará problemas se o sistema não tiver sido projetado para manuseá-la.

Em geral, THDs de até 8% não representam problemas para os equipamentos, mesmos os mais sensíveis.

Um condutor de neutro, assim como qualquer outro apresenta uma impedância que, no valor fundamental da tensão da rede não é significativa, mas essa impedância poderá assumir valores relevantes, significando produção de calor e perda de energia em frequências mais altas como as de harmônicas mais elevadas.

É preciso ficar atento ao fornecimento de energia limpa para os equipamentos de uma instalação, principalmente onde existem equipamentos sensíveis sendo alimentados.

FATOR DE CRISTA

Denominamos fator de crista de qualquer forma de onda à relação entre o valor de pico e o valor RMS (Root Mean Square ou Valor Médio Quadrático).

Para uma forma de onda perfeitamente senoidal, o fator de crista, é de 1,4142 (raiz quadrada de 2) conforme mostra a figura 7.

Fator de crista para uma senoidal.

Entretanto, é fácil perceber que se tivermos uma forma de onda com picos de maior intensidade e curta duração, veja na figura 8, o fator de crista será maior, já com sinais mais "achatados" o fator de crista será menor.

O fator de crista para uma tensão com picos altos.

MEDINDO TENSÕES ALTERNADAS DISTORCIDAS

As escalas de correntes e tensões alternadas de instrumentos simples como os multímetros, são calibradas de forma a dar uma indicação de valor RMS em média quando se trata de um sinal senoidal de 60 Hz.

Este valor corresponde a 70,7% do valor de pico e leva em conta que o sinal senoidal (corrente ou tensão) medido não tem qualquer distorção, conforme se observa na figura 9.

Valores de pico, médio e RMS de uma forma de onda senoidal.

No entanto, se a tensão ou corrente medida tiver uma distorção com deformações que representem a presença de harmônicas, os multímetros comuns não conseguirão responder às frequências mais altas, não indicando sua presença. O resultado líquido dessa distorção é que o instrumento passa a indicar um valor que não corresponde ao RMS (Root Mean Square real ou "True").

Em outras palavras, a partir do momento em que se mede uma tensão ou corrente alternada em uma instalação em que existem deformações da forma de onda, não podemos garantir mais uma precisão de leitura, e isso é mais freqüente do que se pode imaginar. O valor indicado pelo instrumento não leva em consideração a presença de harmônicas nem a presença de "cristas".

Para medir a tensão ou a corrente em instalações que alimentem cargas que possam deformar a corrente, ou ainda numa rede que tenha tais problemas, devem ser utilizados instrumentos com características especiais capazes de trabalhar inclusive com correntes não senoidais.

Existem basicamente duas formas de se medir os valores reais ou "true" RMS de tensões e correntes senoidais numa instalação elétrica. São elas:

a) Osciloscópio digital

O osciloscópio digital permite registrar a forma de onda do sinal fundamental e também verificar as distorções e a amplitude de cada harmônica.

b) Multímetro True-RMS ou alicate amperométrico True-RMS

Uma maneira mais simples de se medir uma tensão RMS considerando-se sua forma de onda real e não apenas para as senoidais, é com um multímetro True-RMS.

Esses instrumentos têm na sua folha de especificação a informação de que podem realizar tal tipo de medida, diferentemente dos multímetros comuns que, conforme vimos, respondem apenas ao sinal senoidal, quando então dão uma indicação precisa.

Com o alicate amperométrico pode-se medir a corrente num cabo verificando se existem harmônicas ou distorção, sem a necessidade de interromper a instalação para a ligação do instrumento.

* Os circuitos

O que diferencia um multímetro comum de um True-RMS?

Para responder às variações rápidas da tensão que ocorrem quando existem harmônicas ou picos rápidos devem ser usados circuitos que levem em conta a presença desses sinais.

Isso não ocorre com os instrumentos analógicos onde a inércia do sistema mecânico impede que eles possam ter uma resposta eficiente às componentes de maior frequência da tensão.

Uma maneira simples de conseguir instrumentos capazes de medir o valor real (true) de uma corrente RMS é através de circuitos que façam uso de sensores de efeito Hall.

Estes sensores podem ser usados para detectar a energia envolvida na transferência do sinal, o que não considera picos ou harmônicas em dispositivos que não são introduzidos eletricamente no circuito.

Um circuito muito interessante para a medida de tensão True-RMS como "solução alternativa" empregando um multímetro comum na escala de resistências, é mostrado na figura 10.

Multímetro comum medindo Volts "True-RMS" na escala de resistências.

Este circuito se baseia no fato de que o brilho "real" da lâmpada depende da potência total aplicada a ela, o que leva em conta todas as componentes (de todas as frequências) existentes no sinal que a alimenta.

Assim, uma vez que seja feita uma calibração usando uma tensão senoidal pura, escolhendo-se então os resistores de valores apropriados para as diversas faixas de tensões envolvidas e um multímetro na escala de resistências, é possível medir tensões "True-RMS" na escala de resistências desde que seja elaborada uma "tabela de conversão".

A lâmpada pode ser pequena, de 5 W, para 120 V, branca e o LDR acoplado de modo a receber sua luz diretamente, sem influência da iluminação externa.