Mitos e verdades – Parte 2

Edição 80 – Setembro de 2012

Por José Starosta

Compensação de energia reativa, distorções harmônicas e correção do fator de potência em instalações elétricas

Algumas “lendas” têm sido criadas e contadas em verso e prosa, algumas até com alguns fundamentos, outras nem tanto. Apresentamos na coluna do mês passado e nesta alguns comentários de caráter geral, a fim de elucidá-las e eventualmente esclarecê-las. O entendimento de cada um dos temas merece reflexão. Algumas “sacadas” práticas e analogias chegam a ser sensacionais, no entanto, a maioria merece desmistificação.

“Capacitores queimam a cada dois anos”

As informações dos fabricantes especificam vida útil em horas equivalentes até 15 anos se operados em condições adequadas. As principais variáveis consideradas na operação dos capacitores são a temperatura ambiente, presença de correntes harmônicas, sobretensões e duração (intervalos de tempo em que ocorrem). Portanto, condições operacionais adequadas evitam queima e troca prematura dos equipamentos. Curiosamente, determinadas plantas industriais possuem capacitores em seus estoques, pois eles queimam com frequência maior que as lâmpadas.

“Partidas de motores consomem muita energia e elevam a ‘demanda’ com aumento da conta de energia. Dispositivos de partida suave economizam energia”

A partida direta dos motores de indução tem como características correntes desenvolvidas da ordem de seis a sete vezes relativas àquelas de regime nominal. O fator de potência neste instante é muito baixo devido ao alto conteúdo de energia reativa de forma que a demanda de energia ativa (de onde a demanda é calculada) neste instante não seja tão significativa. O cálculo da parcela de demanda nas contas de energia considera esta energia ativa no período de integração de 15 minutos. Numericamente, a partida de um motor de, por exemplo,
300 kVA é da ordem de 450 kW que, durante um período de 100 a 150 ciclos (típico de partida), não é significativo se comparado ao período de integração de 15 minutos medido pelas concessionárias conforme estabelece a resolução 414 da Aneel. Em outras palavras, a energia ativa consumida no intervalo de 15 minutos, que define a demanda do intervalo, tem muito pouco impacto no consumo de energia ativa que ocorre no máximo em alguns segundos.

“Não tenho problema com harmônicas em minha instalação, afinal estão presentes apenas ‘algumas’ e não todas”

As correntes harmônicas presentes nas instalações elétricas industriais e comerciais clássicas são aquelas originadas pelos conversores de seis pulsos (5ª, 7ª, 11ª, 13ª e outras superiores, com menor intensidade) ou os conversores de 12 pulsos (11ª, 13ª, 23ª, 25ª e outras superiores com menor intensidade). Devem-se ainda considerar aquelas geradas por cargas monofásicas ligadas entre as fases e neutro. Dessa forma, um espectro típico de uma instalação, dependendo da distribuição dos transformadores, circuitos alimentadores e terminais, apresenta as harmônicas de 3ª, 5ª, 7ª, 11ª, 13ª, etc. com módulos variáveis. Normalmente, as harmônicas pares não estão presentes, pois se cancelam em um sistema industrial de potência simétrico equilibrado. A presença de apenas “algumas harmônicas” já é o suficiente para que os cuidados necessários sejam tomados, pois pode inviabilizar a operação correta das instalações.

“Por hora, preciso apenas compensar a energia reativa; não desejo corrigir as harmônicas”

No instante em que capacitores são instalados em uma instalação, poderá ocorrer ressonância harmônica e os cuidados necessários devem ser sempre tomados.

“A corrente máxima (ou corrente de pico) é o valor máximo decorrente da observação contínua de amperímetro de painel durante determinado intervalo de tempo”

Instrumentos clássicos, instalados em frontais de painéis elétricos (sejam eles analógicos ou digitais) são úteis para avaliação de correntes de regime permanente e não têm capacidade de apresentar, mesmo que por algum instante, o valor máximo ocorrido em regimes transitórios. Para tanto são necessários instrumentos que operem em domínio do tempo com alta capacidade de aquisição de dados, integração e resolução.

“A limitação de distorção harmônica de corrente de equipamentos é de até 20%”

A limitação de distorção harmônica de corrente em equipamentos é um ponto que merece muitos cuidados e a IEC 61000-3 regula algumas faixas e categorias de equipamentos com baixas potências. Em hipótese alguma se pode aplicar a IEC 519 que apresenta em uma tabela o valor máximo de distorção de corrente de 20% no ponto de acoplamento comum com restrição à distorção dos equipamentos. A IEEE 519 é muito útil com relação à análise de instalações e sistemas, mas nunca em análise isolada de equipamentos.

Seguem outras constatações, também de ordem prática:

• •Instalações elétricas ‘tendem’ a operar adequadamente até que algum novo dispositivo ou componente seja instalado.
• •Quanto mais sensíveis forem os componentes, maiores serão as exigências na qualidade da energia fornecida.
• •As normas “correm atrás” das ocorrências e soluções.
• •A contínua evolução dos componentes obriga as instalações a evoluir. O que atendia ontem pode não atender hoje.
• •Nem sempre a infraestrutura é considerada na modernização da produção.
• •Implantação de compensação reativa sem maiores cuidados pode incorrer em ressonância com o “surgimento” de correntes harmônicas circulando em valores superiores àquelas “geradas” pelas cargas distorcidas.
• •Tensão entre terra e neutro ocorre pela significativa passagem de corrente de sequência zero no condutor neutro gerada por cargas não lineares e pela própria impedância do condutor neutro.
• •Existe uma relação entre o consumo de energia reativa e a regulação de tensão em um sistema elétrico. Grandes quantidades de energia reativa consumidas em intervalos de tempo muito curtos geram afundamentos de tensão. No entanto, energia reativa sobrecompensada incorre em sobretensões.
• •Manobras eletromecânicas de capacitores por contatores geram transientes.
• •Correntes em vazio dos motores elétricos devem ser consideradas na compensação reativa local.
• •As harmônicas aumentam as perdas, por aumento do efeito joule, função do quadrado da corrente e perdas eletromagnéticas função do quadrado da tensão.
• •A isolação dos transformadores com isolação a seco pode ser deteriorada por manobras dos capacitores por contatores em função de ruídos de alta frequência gerados.
• •A presença de harmônicas nas instalações elétricas é geralmente definida pelas cargas que estão presentes, com exceção de fenômenos de ressonância, que podem mudar quantitativamente certas variáveis. As cargas possuem espectros típicos e o conteúdo de harmônicas presentes será uma superposição de efeitos.
• •Apesar da possível existência das 5ª e 7ª harmônicas em uma instalação industrial, a 6ª harmônica não estará presente na maioria das vezes, nem a 4ª e nem a 8ª. A 9ª poderá estar presente por outra razão não associada à 5ª e 7ª.

• A avaliação de fenômenos eletromagnéticos de curta duração requer instrumento adequado. É impossível se avaliar um afundamento de tensão, por exemplo, com instrumento que integra as informações obtidas em intervalos de 1 segundo.

• As variáveis elétricas em um mesmo ponto de uma instalação são inter-relacionadas; a variação de uma delas é causa ou efeito da variação de outra(s), o que é caso típico da partida de um motor com elevação da corrente, redução da tensão no barramento, aumento do consumo de energia reativa, redução do fator de potência, etc.