Conceitos da eletrotécnica básica aplicados em qualidade de energia

Para o entendimento e equacionamento de ocorrências de eventos de qualidade de energia é importante a revisão e recapitulação de alguns conceitos da eletrotécnica básica que muito auxiliam nestas interpretações. Apresentamos na sequência uma revisão suscinta de alguns destes conceitos.

Grandezas em corrente alternada

A alimentação da maioria das cargas elétricas clássicas das instalações elétricas indústrias, de grandes complexos comerciais, hospitais, data centers e mesmo em nossas residências como os motores de todos os tipos, sistemas de iluminação, eletromédicos, sistemas de informática e outras, é efetuada em tensão alternada. As normas disponíveis estabelecem os limites de alimentação aos consumidores e às próprias cargas. Mesmo que estas cargas possuam sistemas incorporados que operem ou que controlem as mesmas em tensão e corrente contínua como os Leds de sistemas de iluminação ou as fontes chaveadas dos computadores ou as fontes de telecomunicações, sistemas UPS, e outros, o tema Qualidade de Energia está relacionado à alimentação destes, portanto, a tensão alternada da entrada das instalações e dos equipamentos.  

Portanto, estamos nos referindo a um sinal senoidal gerado por fontes convencionais de energia em tensão alternada como os geradores/alternadores associados, por exemplo, às turbinas em usinas hidrelétricas, em motores e turbinas acionados por combustível fóssil ou biomassa, e mesmo às fontes renováveis que se utilizam de inversores eletrônicos como fonte para a alimentação das cargas e que também devem atender às premissas e limites estabelecidos para este fornecimento em tensão alternada. 

Sinal senoidal:

Um sinal de tensão (v) e corrente (i) senoidais são então definidos pelas expressões gerais (1) e (2):

 v=Vm.cos(ωt)        (1) 

 i= Im.cos (ωt+φ)    (2)

Em que:

• Vm e Im são os valores máximos (pico) dos sinais senoidais de tensão e corrente. 
• ω é a frequência angular equivalente a 2.π.f ; sendo f a frequência do sinal de tensão  da rede de alimentação e da corrente da carga. No Brasil, f= 60Hz ou 60 ciclos por segundo. Esta frequência é tratada como a “frequência fundamental”.
• O angulo φ representa a defasagem dos ângulos de tensão e corrente em relação a uma mesma referência ou simplesmente a diferença dos fasores de tensão e corrente relativos a uma mesma fase. 

A Figura 1 apresenta os sinais de tensão e corrente gravados em um barramento e um circuito alimentador de carga hospitalar. Note-se que o sinal de tensão apresenta leve e até imperceptível deformação da forma de onda, enquanto a deformação da forma de onda de corrente tem clara percepção. Esta deformação da forma de onda é chamada de deformação harmônica e será tratada com mais detalhes mais a frente.

O ângulo φ é apresentado de forma aproximada também na Figura 1 e representa a defasagem entre os sinais de corrente. Na representação vetorial no regime jw é o  ângulo de defasagem entre tensão e corrente de uma mesma fase, ou simplesmente é “ângulo de defasamento da carga”. O cosseno deste ângulo cosφ é o fator de potência da carga na frequência fundamental.

Tensão e corrente eficaz:

As tensões e correntes eficazes são aplicadas no regime “jω” (ou no domínio da frequência) que considera a integração dos sinais senoidais acima expostos.

Como informação, o valor eficaz ou rms de uma tensão elétrica corresponde ao valor que deveria ter uma tensão contínua para produzir em uma determinada resistência a mesma taxa de dissipação de energia (potência) que produz a tensão alternada. O valor eficaz ou rms é definido então por:

Da expressão (3) pode-se deduzir que a tensão eficaz tem a seguinte relação com a tensão máxima ou de pico do sinal senoidal:

No Brasil, a Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) estabelece diversos valores de tensão eficaz e estão disponíveis em diversos documentos de referência da agência, incluindo o modulo 8 do Prodist, que é o documento que regulamenta a qualidade da energia que as distribuidoras devem fornecer aos consumidores. Alguns dos sistemas de tensão eficazes de fornecimento, ou simplesmente tensões de fornecimento mais aplicados no Brasil, são por exemplo: 

220/127 V; 380/220 V; 240/120 V; 208/120V, sendo todos sistemas em 60 Hz.

Nota: A forma de representação acima considera tensões de “linha / tensão de fase”, sendo tensões de linha aquelas entre duas fases e tensões de fase entre cada uma das fases em relação ao neutro. Assim, um sistema de alimentação trifásico (3ϕ) com tensão de alimentação 380/220V terá medições de tensão de linha e de fase como representado na Figura 2 e que apresenta o registro de tensões eficazes referentes ao mesmo local onde foi registrado o sinal de tensão senoidal da Figura 1.  

Figura 2 – Registros de tensões eficazes de linha (VL) (a) e de tensões de fase (Vf) (b) 

V (rms). 

Na próxima edição continuaremos a tratar deste e outros assuntos.