Avaliação da qualidade de energia elétrica de um centro cirúrgico

Por João Cesar Okumoto
Edição 58 – Novembro/2010

Estudo analisou as harmônicas e os problemas de interferência eletromagnética das instalações elétricas do centro cirúrgico do Hospital Universitário da Universidade Federal do Mato Grosso do Sul.

Há anos, o centro cirúrgico do Hospital Universitário da Universidade Federal do Mato Grosso do Sul atende à população regional, além de servir como local para as atividades dos cursos de graduação. Sua infraestrutura passou por diversas modificações para a melhoria do atendimento e para fornecer condições de trabalho adequadas aos funcionários.

Devido à impossibilidade de parar as atividades essenciais, a maioria das reformas realizadas em suas instalações foi feita sem o cumprimento de normas técnicas. Além disso, a evolução de novas tecnologias tem sido acompanhada por distúrbios de qualidade de energia, como harmônicas, que podem interferir no funcionamento dos equipamentos. O objetivo deste trabalho foi a elaboração de um diagnóstico identificando deficiências nas instalações elétricas e de equipamentos ligados a ela, que possam comprometer as atividades e a segurança de pacientes e funcionários. A metodologia do trabalho fundamentou-se em levantamentos de informações em campo e medições de harmônicas.

Foram propostas algumas medidas de mitigação, prevenção e correção de alguns problemas e salientou-se a necessidade de profissionais habilitados em engenharia clínica para atender ao hospital.

A qualidade da energia elétrica é um tema que vem promovendo diversas discussões por parte dos profissionais na área de engenharia elétrica, concessionárias de energia, fabricantes de equipamentos eletroeletrônicos e consumidores finais. Neste segmento, podem-se englobar as indústrias, as residências, as estações de telecomunicações e EASs. O assunto está ligado a um conjunto de alterações que tem ocorrido, devido a inúmeros fatores, no fornecimento de energia aos consumidores.

Os seguintes motivos justificam as preocupações decorrentes:

• Os equipamentos recentemente utilizados são mais sensíveis às variações na qualidade do suprimento elétrico do que aqueles usados antigamente;

• A utilização cada vez maior da eletrônica de potência na fabricação de equipamentos;

• O interesse pela conservação e melhor aproveitamento da energia elétrica.

Energia elétrica de boa qualidade é aquela que garante o funcionamento contínuo, seguro e adequado dos equipamentos elétricos e processos associados, sem afetar o meio ambiente e o bem-estar das pessoas.

Instalações elétricas alimentadas com tensões senoidais e equilibradas, com frequência e amplitudes constantes e de certa forma permanente, estarão operando com energia elétrica com uma qualidade ideal.

O objetivo do estudo da qualidade de energia elétrica é detectar e analisar, tanto quantitativamente quanto qualitativamente, os distúrbios existentes em seus sinais de corrente e tensão e, a partir daí, propor medidas de prevenção, correção ou mitigação para que se torne seguro e adequado o funcionamento de equipamentos eletroeletrônicos e as atividades associadas.

Podemos relacionar alguns distúrbios relacionados à qualidade de energia elétrica que interferem diretamente no funcionamento de equipamentos eletroeletrônicos, tais como: variações transitórias de tensão, surtos de tensão, recortes na tensão (notching), subtensões momentâneas (sags), sobretensões momentâneas (swells), variações de tensão de longa duração, flutuações de tensão, efeito flicker (cintilação), desequilíbrios de tensões, ruídos, variações de frequências e harmônicas.

Os tipos de distúrbios analisados nesta pesquisa serão as harmônicas nas instalações elétricas do centro cirúrgico do hospital.

Harmônicas

Com o avanço tecnológico utilizado na fabricação de equipamentos eletrônicos, a ocorrência de um tipo de distúrbio tem acompanhado esse advento. Esse tipo de problema é a presença de harmônicas nas formas de onda de tensão e corrente.

Harmônicas podem ser caracterizadas por meio de suas taxas de distorção. Este termo tem sido usado tanto para os sinais de tensão como de corrente para quantificar o nível de distorção da forma de onda com relação à forma de onda senoidal, à frequência fundamental.

Uma tensão ou corrente harmônica pode ser definida como um sinal senoidal, cuja frequência é um múltiplo inteiro da frequência fundamental do sinal de alimentação.

A forma de onda de tensão ou de corrente em um dado ponto de uma instalação pode ter o aspecto do sinal que está mostrado na Figura 2. Observando essa situação, vemos que a onda deformada T é a soma ponto a ponto dos sinais 1 e 5 formados por senóides de amplitudes e frequências diferentes, chamadas de harmônicas.

Figura 2 – Onda deformada e suas componentes harmônicas.

Dessa forma, podemos dizer que um sinal periódico contém harmônicas quando a forma de onda desse sinal não é senoidal ou, dito de outro modo, um sinal contém harmônicas quando ele é deformado em relação a um sinal senoidal.

Ordem, frequência e sequência das harmônicas

Os sinais harmônicos são classificados quanto à sua ordem, frequência e sequência.

Em uma situação ideal, em que somente exista um sinal de frequência 60 Hz, apenas existiria a harmônica de ordem 1, chamada de fundamental. Há dois tipos de harmônicas: ímpares e pares. Em uma instalação elétrica em que haja a presença predominante de sinais em corrente alternada, o espectro apresenta harmônicas de ordem ímpar, enquanto as harmônicas de ordem par são encontradas nas instalações com sinais deformados em corrente contínua.

Espectro harmônico

O chamado “espectro harmônico”, registrado pelo analisador de energia, apresentado na Figura 3, permite decompor um sinal também registrado pelo mesmo equipamento, apresentado na Figura 4, em suas componentes harmônicas e representá-lo na forma de um gráfico de barras.

Este processo parte da premissa de que qualquer onda periódica contínua, em geral, pode ser representada pela soma de certa quantidade de ondas senoidais de diversas frequências. Para expressar as diferentes ondas senoidais de frequências variadas, é usual empregar a série trigonométrica de Fourier.

Se a medição de uma corrente em um circuito elétrico apresentar na tela de um analisador de energia uma onda não senoidal, pode-se, pela série de

Fourier, decompor a onda analisada em uma somatória de ondas senoidais, com frequência e módulos definidos, sendo que cada parcela do somatório representa uma corrente harmônica correspondente.

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Dissertação de mestrado submetida à Universidade Federal do Mato Grosso do Sul (UFMS).

João Cesar Okumoto é engenheiro eletricista e mestre em engenharia elétrica. Atua na Secretaria de Obras do Tribunal de Justiça de mato Grosso do Sul e é professor dos cursos de engenharia mecânica e mecatrônica da Universidade Católica Dom Bosco.