apostila - harmônicas

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“ENGENHARIA DE SOLUÇÕES E PESQUISA”

CURSO DE APERFEIÇOAMENTO

ESPECÍFICO

DISTORÇÕES HARMÔNICAS E DISTÚRBIOS NA ENERGIA ELÉTRICA x

EFICIÊNCIA PRODUTIVA NAS INSTALAÇÕES ELÉTRICAS

♦

Autor: Engº Marcos Siqueira Moura Data: 20/05/2005

♦

“ENGENHARIA DE SOLUÇÕES”

Engº Eletricista Marcos Siqueira Moura CREA-ES 2967-D Visto CREA-SP 1100029676

HARMÔNICAS E DISTÚRBIOS x EFICIÊNCIA PRODUTIVA Cliente: CURSO DE APERFEIÇOAMENTO ESPECÍFICO data: 20/05/05 Folha: 1

“O todo ou qualquer parte deste Trabalho, ou qualquer referência a ele, não poderão ser inclusos em qualquer documento publicado, circular ou projeto; nem publicado de qualquer forma sem a concordância escrita do autor, quanto à forma e o contexto dentro do qual poderão aparecer. A violação dos direitos é punível como crime (art. 184 da lei 6.895 de 17/12/80) com pena de prisão e multa, busca e apreensão e indenizações diversas (artigos 122,123,124,12, da lei 5.988 de 14/12/73, Lei dos Direitos Autorais)”.

DISTORÇÕES HARMÔNICAS E DISTÚRBIOS NA ENERGIA ELÉTRICA x EFICIÊNCIA PRODUTIVA NAS INSTALAÇÕES ELÉTRICAS





DISTORÇÕES HARMÔNICAS E DISTÚRBIOS NA ENERGIA ELÉTRICA x EFICIÊNCIA PRODUTIVA NAS INSTALAÇÕES ELÉTRICAS

Uma visão geral e direta dos distúrbios elétricos, principalmente das distorções Harmônicas nos sistemas elétricos industriais, baseados em experiência de campo com sistemas distributivos, equipamentos e cargas com descrição e avaliação do comportamento dos mesmos dentro do circuito fechado e carregado, segundo a bibliografia teórica existente.





1 - INTRODUÇÃO Nos últimos anos, muito se tem ouvido falar de Políticas de CONSERVAÇÃO DE

ENERGIA, QUALIDADE DE ENERGIA, EFICIÊNCIA ENERGÉTICA, GESTÃO ECONÔMICA DE ENERGIA, OTIMIZAÇÃO ENERGÉTICA, COMBATE AO DESPERDÍCIO DE ENERGIA, RACIONALIZAÇÃO DE ENERGIA e muitas outras políticas adotadas pelas concessionárias, pelo parque industrial, pelo parque comercial e todos os setores de consumo chegando até ao consumidor residencial.

Estas políticas se confundem em seus objetivos e diante de um mercado globalizado

crescentemente competitivo, presencia-se os processos produtivos, sejam eles industriais, hospitalares ou qualquer outro, cada vez mais moderno, sofisticado e tecnologicamente avançado, para proporcionar maior produção em menor tempo com maior segurança e qualidade.

Em sua edição de 8/04/1991, a revista Busines Week, informava sobre os custos da

poluição elétrica nos Estados Unidos, e sobre o aumento da degradação da energia elétrica por cargas não lineares. Esta previsão se concretizou e chegou a absurdos como de 100% de investimento em tecnologia de automação de processos, 95% estava relacionado com as pesquisas de modernização da eletrônica embarcada e 5% com os “Sistemas de Prevenção de Problemas” (Engenharia de solução). No Brasil, esta situação perdurou por mais tempo.

Na década de 90, a preocupação com a qualidade de energia no Brasil, partiu das

concessionárias de energia em função de seus problemas operacionais e os estudos aumentaram daí por diante. Se por um lado, melhorou-se em muito a energia em seus pontos de entrega, por outro continuava cada vez mais forte a degradação interna dos consumidores, extravazando os seus limites físicos e passando a interferir em seus vizinhos e em todo o sistema distributivo de energia.

De 1999 em diante, ficou claro a filosofia de implantação das políticas de qualidade de

energia pelas concessionárias, tomando-se como base a tríade continuidade, confiabilidade e alta qualidade, em função da exigência do crescente refinamento nas características da energia elétrica entregue aos consumidores.

A teoria de que para a concessionária de energia é viável que o consumidor pague mais

energia independentemente do desperdício e dos problemas internos não existe mais, e dentro da conjuntura econômica, a concessionária passou a perceber que é mais rentável garantir um consumidor com maior rendimento produtivo do que simplesmente obter um maior consumo de energia, garantindo a cadeia fornecedor / consumidor.

Portanto, a preocupação atual é de se garantir a maior eficiência produtiva do

consumidor, com maior eficiência energética, garantidas pela qualidade de energia e pelo





combate ao desperdício de energia, racionalizando e otimizando as instalações e seus fatores energéticos.

Para entender este ultimo parágrafo, temos: A atuação nos processos produtivos dentro de um consumidor, nos leva a uma eficiência

energética (diminuição do consumo), aliada à qualidade de energia promovida pelo consumidor e pela concessionária (manter o menor nível de falhas no fornecimento), amparada pelo combate ao disperdício (aculturamento pessoal) e pela racionalização e otimização do parque operativo e de utilidades.

Mas de que adianta o melhor PLC, inversor de frequência, softstart, transformadores e

motores com maior rendimento, iluminação mais eficiente, sistema de controle de demanda de energia e de fator de potência, CPDs para controles e monitoramentos sofisticados, e tantos outros equipamentos, se a infraestrutura das instalações distribuitivas (internas e externas) não acompanham esta modernização?

De que adianta você economizar energia em etapas do processo produtivo, se a

eficiência produtiva fica abalada pelas paradas intermitentes devido ao alto indice de transitórios de corrente e tensâo advindos da própria estrutura antiga dos circuitos nos barramentos, do aterramento que hoje é primordial para a segurança e estabilidade nesses processos de produção e por projetos elétricos de readequação com visão convencional e filosofias ultrapassadas?

De que adianta o seu índice de consumo de energia baixar e o rendimento unitário de um

processo aumentar, se o rendimento da produtividade caiu assustadoramente? Ou seja: O insumo principal do produto ficou mais barato (economia no consumo de

energia) mas o produto ficou mais caro devido às paradas nos tempos produtivos em função de transitórios de energia gerados internamente e pelas intermitências advindas de um aterramento inadequado e ultrapassado.

Concluindo, temos que todas as políticas citadas têm por objetivo comum a

competitividade no mercado, e por objetivo individual a eficiência produtiva, e são extremamente necessárias em qualquer política de readequação como consumidor. Mas devem ser de relevância e importância a eficientização da infraestrutura das instalações elétricas, perfeitamente adequadas às novas políticas e modelos a serem adotados.





SUMÁRIO

1 ------ Objetivo ............................................................................................................... 8

2 ------ Pertubações e distúrbios elétricos ....................................................................... 10

3 ------ Tipos de distúrbios de energia e sua caracterização ........................................... 18

3.01 Excessiva variação da Tensão Nominal .............................................................. 20

3.02 Desbalanceamento .............................................................................................. 20

3.03 Flicker .................................................................................................................. 21

3.04 Harmônicas .......................................................................................................... 24

3.05 Sub-harmônicas ................................................................................................... 27

3.06 DC Off-set ............................................................................................................ 27

3.07 Inter-harmônicas .................................................................................................. 28

3.08 Quedas de tensão (Sags) e curtas interrupções de tensão ................................. 33

3.09 Aumento de Tensão temporário (“Swell”) ............................................................ 34

3.10 Transientes Oscilatórios ...................................................................................... 35

3.11 Transitórios de impulso ....................................................................................... 35

3.12 Transientes na malha de terra ............................................................................. 37

3.13 Sobretensões refletidas (ringing) ......................................................................... 38

3.14 Inrush .................................................................................................................. 47

3.15 Surges (surtos) .................................................................................................... 50

3.16 Notchs (cortes) .................................................................................................... 50

3.17 Ruído ................................................................................................................... 51

3.18 Rádio-interferência .............................................................................................. 55

3.19 Descarga Eletrostática (ESD) .............................................................................. 58

3.20 Descarga Atmosférica (raio) ................................................................................ 61

3.21 Interrupções transitórias ...................................................................................... 75





3.22 Interrupções momentâneas ................................................................................. 76

3.23 Interrupções temporárias ..................................................................................... 76

3.24 Interrupções sustentadas ..................................................................................... 76

4 ------ As distorções Harmônicas ................................................................................... 77

5 ------ Caracterização das distorções harmônicas segundo o bargraph ........................ 94

5.01 Característica diatônica negativa ........................................................................ 100

5.02 Característica diatônica positiva .......................................................................... 101

5.03 Característica triatônica ....................................................................................... 103

5.04 Característica de torre ......................................................................................... 104

5.05 Característica de espraiada ................................................................................. 105

5.06 Característica de Vale ......................................................................................... 106

5.07 Característica de ressonância indutiva ................................................................ 107

5.08 Característica de ressonância capacitiva ............................................................ 108

5.09 Característica de rampa negativa ........................................................................ 109

5.10 Característica de montanha russa ....................................................................... 110

5.11 Burst (Rajadas de harmônicos) ........................................................................... 111

6 ------ Consequências das distorções harmônicas nos sistemas elétricos ..................... 114

6.01 Efeitos sobre os condutores elétricos .................................................................. 114

6.02 Efeitos sobre os isoladores .................................................................................. 117

6.03 Efeitos de isoladores ........................................................................................... 118

6.04 Efeitos sobre os motores de indução .................................................................. 119

6.05 Efeitos sobre as máquinas sincronas .................................................................. 121

6.06 Efeitos sobre as máquinas assincronas .............................................................. 121

6.07 Efeitos sobre os geradores .................................................................................. 122

6.08 Efeitos sobre os transformadores ........................................................................ 123

6.09 Efeitos sobre capacitores ..................................................................................... 124

6.10 Efeitos sobre cargas resistivas ............................................................................ 129





6.11 Efeitos sobre os fusíveis, disjuntores e relés de proteção ................................... 131

6.12 Efeitos da ressonância ........................................................................................ 132

6.13 Efeitos sobre equipamentos de medição ............................................................. 132

6.14 Efeitos sobre os computadores e redes de dados ............................................... 133

6.15 Efeitos sobre os sistemas de telecomunicações .................................................. 135

6.16 Efeitos sobre os sistemas de controle de processos (PLCs e outros) ................. 138

6.17 Efeitos sobre os Conversores estáticos de potência ........................................... 138

6.18 Efeitos sobre os equipamentos de biomedicina (hospitalares) ............................ 139

7 ------ A influência das harmônicas no Fator de Potência .............................................. 141

8 ------ O estudo das harmônicos de um sistema ............................................................ 152

9 ------ Identificação, pesquisa e mitigação das harmônicas num sistema ...................... 155

9.01 Identificação dos circuitos geradores e receptores .............................................. 157

9.02 Pesquisa dos parâmetros dos circuitos geradores e receptores ......................... 158

9.03 Mitigação dos problemas dos circuitos geradores e receptores .......................... 159

10 ------ Medição, estratificação e análise das harmônicas num sistema .......................... 160

10.01 Medição dos parâmetros elétricos ....................................................................... 160

10.02 Estratificação dos parâmetros elétricos ............................................................... 162

10.03 Análise de todos os parâmetros elétricos ............................................................ 163

11 ------ Simulações .......................................................................................................... 165

12 ------ Instrumentação .................................................................................................... 186

13 ------ Aterramento específico aplicado .......................................................................... 189

14 ------ Ações corretivas e preventivas em equipamentos e componentes de sistemas. 203

14.01 Condutores elétricos ............................................................................................ 203

14.02 Isoladores ............................................................................................................ 204

14.03 Inversores de frequência ..................................................................................... 204

15 ------ Análise e ações contra os distúrbios elétricos ..................................................... 205

16 ------ Perda econômica em função dos distúrbios elétricos .......................................... 208





17 ------ A engenharia de solução ..................................................................................... 219

18 ------ Conclusão ............................................................................................................ 224

19 ------ Estudo de casos das distorções harmônicas nos sistemas elétricos ................... 226

20 ------ Bibliografia ........................................................................................................... 228

21 ------ Atestados de capacidade técnica ........................................................................ 231





1 - OBJETIVO A qualidade de energia é um atributo que determina a qualificação final de um produto ou

serviço, em qualquer setor de produção dependente do consumo de energia elétrica, seja no setor industrial de base, petroquímico, farmaceutico, de telecomunicações, siderúrgico, metalúrgico, portuário, de plástico, textil, celulósico, hospitalar, de informática e todos os outros sem excessões. Portanto, os três segmentos de consumidores – Industrial, Comercial e Residencial – são dependentes em geral de uma alimentação de Corrente Alternada com características senoidais e comportamento não linear para a rede de alimentação.

O cumprimento de padrões de qualidade, definidos por normas internacionais e impostos

pela globalização, impõe algumas características básicas que devem ser satisfeitas para o fornecimento e consumo de energia elétrica e que seja considerado adequado ao suprimento desta aos consumidores. Na realidade, N.

Com a modernização e a crescente evolução tecnológica de todos os equipamentos de

qualquer setor de consumo de eletricidade e com o aumento da utilização dos dispositivos eletro-eletrônicos e outros com características não lineares, tem-se discutido muito a respeito da diminuição da qualidade de energia, principalmente quanto às distorções, cada vez maiores, nas formas de onda de tensão e ou corrente (em frequência e amplitude), o que consequentemente altera o comportamento elétrico, eletrônico e térmico destes próprios equipamentos, num círculo vicioso de aumento da degradação da energia elétrica para todos.

É de nosso conhecimento que os equipamentos eletro-eletrônicos estão cada vez mais

sofisticados e operando portanto numa faixa relativamente mais estreita de variação de tensão, corrente e frequência. A regra é básica: quanto maior a sofisticação da eletrônica embarcada, menor o nível de suportabilidade aos distúrbios na alimentação desta. Daí, surgiu a preocupação com a variação da qualidade de energia e com a proliferação dos problemas, muitas vezes fatais, que os EES (Equipamento Eletrônicos Sensiveis) enfrentam com interrupções intempestivas, paradas operacionais e queimas.

No setor industrial, estes fatos se agravam mais ainda, tendo em vista que para a

melhoria dos modernos processos industriais, a contrapartida da diminuição da suportabilidade das variações dos parâmetros intrínsecos da energia fica cada vez menor para os modernos equipamentos de controle, observando-se grande impacto em Controladores Lógicos programáveis (CLP), Acionamentos Elétricos Controlados (AEC), Sistemas Digitais de Controle Distribuído (SDCD) e Sistemas Integrados de Controle Operacional de Plantas Industriais (SICOPI), dentre muitos outros.

Os maiores impactos pela presença deste “Lixo” na energia elétrica fornecida para

consumo, estão na diminuição da capacidade produtiva da empresa e de qualquer setor mundial, gerando um disperdício econômico muito grande. Os investimentos em estudos e soluções sobre o assunto, avançam em velocidade muito menor que o avanço da modernidade





tecnológica, e cada vez mais, temos um parque de “Estudo de Casos” mais rico, com investimentos ainda pobres nas suas soluções, principalmente em função da conjuntura econômica em que atravessa todo o parque consumidor do país.

A competitividade do mercado nacional ou internacional não permite o pecado do

desperdício, colocando as empresas sem investimento em Programas de Qualificação e Conservação de Energia, fora da livre concorrência e fadadas a segundo ou terceiro escalão dentro do ramo de sua atividade. Portanto, a expectativa é de investimento consciente em sistemas confiáveis e adequados às realidades particulares existentes, levando os consumidores de encontro à autosustentabilidade de sua infraestrutura.

Com isto, faz-se necessário a análise dos fatores adversos que compõe a realidade da

energia elétrica de cada consumidor e os parâmetros que possam sujeitar o aumento de consumo e custo de manutenção e operação do mesmo.

Uma das características que distingue a Engenharia é sua preocupação com a otimização

das “Soluções”. O Engenheiro resolve problemas reais e suas soluções são sempre compromissos. Eficiência custa dinheiro; segurança aumenta a complexidade; bom comportamento acrescenta peso e aperfeiçoamento leva tempo. No esforço pelo projeto ou modelo ótimo, o Engenheiro provê a máxima eficiência por dinheiro, o mais potente comportamento por quilo, ou os melhores resultados dentro do prazo.

Mas frequentemente o Engenheiro tem o problema de “casar” um componente de um

sistema a outro ou outros para obter resultados ótimos. Os resultados são indesejáveis quando se tem variáveis indesejáveis. As surpresas são inesperadas quando se tem tais resultados e os desvios de planejamento são inevitáveis.

De encontro a esta conceituação, este trabalho humildemente vem oferecer o

esclarecimento básico para a qualificação de energia, baseado em estudos de harmônicos nas instalações, visando qualquer tipo de consumidor, partindo desde uma pequena residência com um consumo de algumas dezenas de KWh até uma grande indústria com um consumo de vários milhões de KWh.

Porém, devemos estar cientes que desde uma residência até uma grande indústria, os

geradores de harmônicos, os efeitos destes nas instalações, os níveis de transitórios, as descargas atmosféricas vindas pelas linhas de alimentação elétrica e ou aterramento e as sobretensões geradas pelas concessionárias, são os mesmos, diferindo apenas no montante de desperdício de dinheiro de cada um, conforme a complexidade das instalações destes.

Portanto, devemos seguir a máxima “OLHAI E VIGIAI vossa infraestrutura para não

cometer o pecado da baixa Qualidade de energia e por conseguinte a baixa Eficiência produtiva”.





2 - PERTUBAÇÕES E DISTÚRBIOS ELÉTRICOS As instalações elétricas e eletrônicas necessitam de uma alimentação estável e confiável

tanto a nível de energia quanto de proteção e níveis de intermitência. Temos certa variação de tensão, frequência, níveis de harmônicos de corrente e tensão, correntes telúricas , surtos por curto circuitos, nível alto de correntes de partida de motores, impulsos e pulsos com amplitudes exageradas de corrente advindos dos geradores de frequência e excesso de energia reativa (normalmente indutiva).

Numa instalação elétrica temos quatro tipos de perturbações elétricas básicas em um

sinal de tensão ou corrente: - Perturbações na amplitude da tensão; - Perturbações na frequência do sinal; - Desequilíbrios de tensão ou corrente em sistemas trifásicos e; - Perturbações na forma de onda do sinal. Temos várias maneiras de classificar as pertubações e distúrbios de energia elétrica.

Todas podem ser expressas em forma de gráficos, ábacos e curvas tais como:





Abaixo temos a curva CBEMA (Computer and Business Manufacturers Association), onde temos a área limitada pela curva tensão x tempo, mostrando a limitação do nível de suportabilidade aos distúrbios para um desempenho operacional adequado de equipamentos eletro-eletrônicos sensíveis e componentes.

A partir do conceito da curva CBEMA, é que são traçados os parâmetros de proteção da

maioria dos fabricantes de componentes. Lembramos ainda, que é necessário conhecer os níveis harmônicos do sistema, para depois lançarmos mão da utilização da mesma.

Para melhor entendimento, foram sobrepostas à curva de ilustração animada, as

pertubações mais comuns nos sistemas elétricos, bem como a área de suportabilidade de operação.

Mais recente, temos a curva ITIC (Information Technology Industry Counci), com

características mais voltadas à suportabilidade em ciclos e tempo, conforme a curva a seguir.





Observando-se os gráficos acima e todos os outros gráficos existentes, bem como a

conceituação da perda de qualidade de energia que é descrita pelos especialista como “Qualquer problema, manifestado na tensão, corrente ou frequência, que resulte em falha ou operação indevida de equipamentos elétricos de força e principalmente de controle”.

A cada passo da modernização do parque de automação e da eletrônica embarcada nos

diversos setores e áreas dos consumidores de energia elétrica, temos a diminuição dos níveis de suportabilidade dos sistemas, um aumento enorme dos níveis de distúrbios e pertubações de rede e por conseguinte uma redução nos índices de eficiência produtiva, seja esta ultima ligada à produção ou à operação intrinseca dos sistemas como um todo.

As diversas pesquisas realizadas nos EUA nos dá a dimensão do problema e as

incertezas que ainda reinam sobre o assunto. Numa delas, envolvendo técnicos das concessionárias, seus consumidores e especialistas em Quality Power, com o tema “Quem são os rësponsáveis pelas ocorrências de problemas de Qualidade de Energia”, obteve-se o resultado gráfico abaixo, onde observamos a diferença entre os pontos de vistas dos setores pesquisados.





58

65

12

25

12

52

2

1410

8 8

25

71 1

0

10

20

30

40

50

60

70

Porc

enta

gem

da

pesq

uisa

Fenômenos Naturais Consumidores Concessionária Vizinho Outras

Pesquisa sobre as ocorrências de problemas de Qualidade de Energia

VisãoConcessionária

VisãoConsumidores

VisãoEspecialistas

No gráfico acima, temos a atribuição da responsabilidade dos problemas segundo a

visão das concessionárias, consumidores e especialistas. Observa-se que os consumidores acreditam que os fenômenos naturais são as causas de 65% dos problemas de qualidade de energia, o que praticamente coincide com a opinião das concessionárias (58%) e difere muito da opinião dos especialistas (12%) com suas análises macro e micro dentro de um contexto anual de produtividade.

No tocante aos problemas internos dos consumidores, estes se responsabilizam por 12%

das ocorrências, enquanto as concessionárias lhes atribui a culpa por 25% dos problemas, ao passo que os especialistas garantem 52% para os mesmos, por conta da política de não adequação da infraestrutura frente às modernizações e constantes expanções das cargas.

No que diz respeito aos problemas gerados pelas concessionárias, estas só assumem

2%, enquanto os consumidores atribuem às mesmas 14% e os especialistas atribuem 10% por conta da falta de investimento em suas infraestruturas e em função da própria política governamental.

Quanto aos problemas atribuídos aos vizinhos, tanto as concessionárias quanto os

consumidores tem o consenso de 8% e os especialistas imputam a estes o patamar de 25% em função dos diversos casos envolvendo subestações retificadoras, estações de telecomunicações e principalmente a falta de interligação dos aterramentos entre vizinhos.

E por fim, temos outras causas contribuindo com 7% segundo a visão dos consumidores

e 1% segundo as concessionárias e especialistas.





Mais de 88% das falhas de computação e transmissão de dados, foram causadas diretamente pelos transitórios na linha de energia nos EEUU. Com o gráfico em pizza abaixo, temos os resultados da pesquisa de Allen G. W. e Segall D., da Divisão de Desenvolvimento de sistemas da IBM, sendo considerado um dos estudos mais respeitáveis na década de 70, e que serve de base de pesquisa até hoje, salvaguardando os parâmetros da atualidade.

A racionalização de energia nunca pode se sobrepor ou se opor à qualificação de energia,

pois a conta da ineficiência produtiva sempre é mais cara do que a conta de energia. Também temos numa instalação elétrica vários tipos de distúrbios elétricos que são

gerados pela intensa sazonalidade operacional das cargas e subsistemas, que geram campos elétricos de certa intensidade e campos eletromagnéticos, produzindo correntes elétricas de amplitude e periodicidade variáveis além das correntes de comutação dos sistemas de controle de máquinas. Estas correntes se fazem presentes junto a todo tipo de carga, resistivas, reativas e indutivas tornando-se componente em somatória à freqüência original (60 HZ) e conseqüentemente à corrente final de operação de todo o sistema em análise.

A investigação de distúrbios em uma planta exige que diversas perguntas sejam

respondidas para definir o problema e trazer à luz os possíveis métodos de abrandamento. Exigem também algum conhecimento de causas possíveis para sintomas específicos. Uma tabela de uso simples está incluída neste Item Técnico (cap 13) para a identificação e correção de problemas.





Dependendo dos níveis de distúrbios vigentes no sistema elétrico, define-se se os mesmos são ou não passíveis de serem causadores da perda da Qualidade de energia.

No Quadro abaixo, temos as características de alguns dos distúrbios elétricos:

Distúrbio Frequência Tempo Magnitude

Variação de tensão de longa duração - > 1 minuto 0,8 – 1,2 pu

Desbalanceamento - estacionária > 5%

Flicker < 30 Hz estacionária -

Harmônicas de tensão 0 – 100ª ordem estacionária 0 – 20 %

Harmônicas de corrente 0 – 100ª ordem estacionária 0 – 100 %

Inter-harmônicos 0 – nª ordem estacionária 0 – 2%

Sags - 0,5 – 1 minuto 0,1 – 0,9 pu

Swells - 0,5 – 1 minuto 1,1 – 1,8 pu

< 5 kHz < 0,5 ciclos - Transientes oscilatórios

< 300 kHz < 30 ciclos -

Transientes de impulso - µs a ms 0,1 – 0,9 pu

Transientes na malha de terra - intermitente -

Ringing - estacionária 100 – 2000 %

Surges 5 kHz < 200 µs -

Notchs 0 – 200 kHz estacionária -

Ruído (noise) 0 – 2 MHz intermitente -

Rádio interferência 0,5 – 500 MHz intermitente -

Descarga Eletrostática (ESD) - intermitente 100 – 5000%

Descarga Atmosférica (raio) - intermitente 100 – 10000%

Interrupções transitórias - ≥ 3 ciclos -

Interrupções momentâneas - ≤ 2 s -

Interrupções temporárias - 2 s – 1 m -

Interrupções sustentadas - 1 minuto -





Como definições importantes e básicas temos: Uma tensão ou corrente harmônica pode ser definida como um sinal senoidal cuja

freqüência é múltiplo inteiro da freqüência fundamental do sinal de alimentação. Espectro é a representação das componentes num gráfico que mostra suas amplitudes no

domínio da freqüência. Forma de onda é a representação dos valores instantâneos em função do tempo. Transientes de energia são as anomalias ocorridas na alimentação de uma instalação

elétrica que podem ou não alterar suas características mudando assim o estado ou sinal da mesma.

Transitórios elétricos são as modificações de estado ou sinal de tensão e ou corrente de

pequena duração ou permanência breve, aperiódico, com amplitudes significativas, a partir de anomalias ocorridas na alimentação de uma instalação elétrica alterando suas características, mudando assim o estado ou sinal da mesma.

O têrmo harmônicas vem dos diversos estudos da Física, tais como Acústica, Áudio,

Mecânica dos Fluídos, Mecânica, Termodinâmica e outros. Portanto está relacionado especificamente com movimentos ondulatórios, onde uma partícula ou uma onda se propaga, oscilando periodicamente (repetitivamente) em torno de uma posição de equilíbrio, permitindo que esse movimento seja traduzido matematicamente por funções senoidais ou cossenoidais, sendo denominado de movimento harmônico.

As harmônicas são ondas que possuem freqüências múltiplas da freqüência

fundamental (60Hz) e são classificadas dentro do universo dos transientes. Elas são geradas pelas cargas existentes numa instalação, em função de sua forma de operação, interferindo na senoide da freqüência nominal do sistema, levando às distorções nas senoides de corrente e tensão, causando sérios problemas para o sistema elétrico.

PWM (Pulse Width Modulation), ou Modulação por Largura de pulso, é uma forma de

controle de tensão por recorte onde os tiristores ou transistores de potência são ligados ou bloqueados de modo a obter na saída o valor de tensão desejada, gerando assim uma forma de onda de corrente distorcida com características de ordens harmônicas altas (à partir da 20ª ordem), onde passamos a chamá-las de harmônicas em PWM.

As harmônicas de potência são aquelas que tem como característica as ordens

harmônicas baixas, até a 13ª ordem conforme o carregamento em amplitude de corrente das mesmas podendo chegar até no máximo até a 19ª ordem.

As interharmônicas são ondas originadas em cargas com formas de corrente não

periódicas em 60 Hz, sendo portanto de fundamentais diferentes dos 50 ou 60 Hz.





O termo sub-harmônico não tem qualquer definição oficial mas é simplesmente um caso especial de interharmônica ou harmônica para componentes de freqüência menores que a freqüência do sistema de alimentação. O termo tem aparecido em várias referências bibliográficas e é em geral usado na comunidade de engenharia.

A Conservação de energia elétrica pode ser entendida como os planos e ações

introduzidos na operacionabilidade de um sistema elétrico com o intuito de se obter o menor nível de consumo de energia elétrica possível para um máximo de rendimento operacional.

A Qualidade de energia elétrica é definida como a ausência relativa de variações de

tensão e corrente provocadas pela concessionária de energia ou pela carga interna dos consumidores, medidos no ponto de entrega da energia ou no PAC de referência.

A Eficiência Energética pode ser entendida como o aproveitamento máximo da energia

elétrica na produção de trabalho com o mínimo de perdas possíveis. A Gestão Econômica de Energia pode ser entendida como o gerenciamento do consumo

de energia dentro de parâmetros operacionais pré-estabelecidos nos planos de conservação de energia.

A Otimização Energética pode ser definida como a modernização de equipamentos e

componentes com características mais racionais e menos agressivas ao sistema elétrico. O Combate ao desperdício de Energia pode ser entendido como os planos de ações

comportamentais com base nos conceitos de educação e aculturamento humano. A Racionalização de Energia pode ser entendida como as ações emergenciais levando-se

em conta a contenção operacional (diminuição da produção) a partir de um estado de “apagão” com as devidas imposições governamentais.

A Oscilação Harmônica é a variação, em função do tempo, da amplitude e quantidade de

ordens em relação a uma referência específica ou a uma tendência permanente. A Portadora Harmônica é uma amplitude de corrente (abaixo da fundamental) que carrega

o sinal de frequência harmônica, em determinado meio do sistema, até que seja consumida (recebida) por alguma carga.

A Ressonância é a situação na qual a energia oscila entre dois ou mais componentes

num sistema perante uma mesma frequência (fundamental).





3 - TIPOS DE DISTÚRBIOS DE ENERGIA E SUA CARACTERIZAÇÃO

Os principais tipos de distúrbios estão descritos na Tabela abaixo.

PRINCIPAIS TIPOS DE INTERMITÊNCIAS E DISTÚRBIOS DE ENERGIA EM SISTEMAS ELÉTRICOS CARREGADOS

1 Excessiva variação da tensão nominal 2 Desbalanceamento 3 Flicker 4 Harmônicas de tensão e corrente (principalmente) 5 Sub-harmônicas 6 DC Offset 7 Inter-harmônicas 8 Quedas de tensão (Sags) e curtas interrupções de tensão 9 Aumentos temporários de tensão (Swells)

10 Transientes oscilatórios 11 Transientes de impulso 12 Transientes na malha de terra 13 Sobretensões refletidas (Ringing) 14 Inrush 15 Surges 16 Notchs 17 Ruído 18 Rádio interferência 19 Descarga Elestrostática (ESD) 20 Descarga Atmosférica (raio) 21 Interrupções transitórias 22 Interrupções momentâneas 23 Interrupções temporárias 24 Interrupções sustentadas





Os distúrbios dos tipos 1 a 7 são causados principalmente pela emanação de cargas

distorcedoras e estão presentes continuadamente, embora com intensidades variáveis. Elas são comumente registradas como uma curva de tendência.

Outros tipos de distúrbios como 8 a 10 na tabela acima ocorrem como eventos individuais.

Este tipo é registrado como um conjunto de entradas periódicas no momento de cada entrada dos distúrbios e seus parâmetros associados. Por exemplo, para cada “Sag” poderia se registrar a duração em ciclos.

Já o item 11 ajuda a piorar qualquer distúrbio do sistema, principalmente aqueles que

estão relacionados com a frequência, por exemplo harmônicas. Malha de aterramento saturada ou degradada, sobrecarrega o sistema de dispersão de correntes, seja de curto circuito, parasitas ou de referência.

O item 12 é desastroso para qualquer instalação que tenha um sistema de malha de terra

inadequado à característica da instalação em questão e normalmente causa sinistro. O item 13 é observado em controladores de velocidade, inversores e até nobreaks e

estabilizadores de tensão, sendo que sua ocorrencia normalmente gera sinistros fatais para os equipamentos.

O item 14 é observado no carregamento de equipamentos tais como transformadores,

capacitores e motores de grande porte, causando sinistros para as próprias fontes geradoras e em alguns casos para equipamentos que estejam em startup.

Os itens de 15 a 16 ocorrem independentemente da própria instalação, pois muitas vezes

são gerados por fatores ambientais, como os dos itens fora delas e provocam normalmente erros operacionais nos sistemas eletroeletrônicos, principalmente os de controle.

O item 17 é consequência de ocorrencias naturais ou artificiais, e portanto está sempre

ligado à algum distúrbio. Os itens de 18 a 20 ocorrem independentemente da própria instalação, pois muitas vezes

são gerados fora delas e provocam normalmente erros operacionais nos sistemas eletroeletrônicos, principalmente os de controle.

E finalmente os itens de 21 a 24 foram inclusos neste mapa dos distúrbios simplesmente

para caracterizar todos os outros itens citados, e que de uma maneira ou de outra promovem sinistros ou acidentes ou erros operacionais que influenciarão enormemente na eficiência da produtividade do sistema em questão.

A seguir, vamos explicar cada um dos distúrbios citados para facilitar o desenvolvimento

dos capítulos deste trabalho.





3.1 – Excessiva variação da Tensão Nominal:

Os Equipamentos em geral têm uma variação de tensão especificada sobre a qual elas podem operar. Lâmpadas incandescentes, por exemplo, podem falhar (queimar) quando submetidas a uma voltagem alta.

A tensão pode ser medida por um voltímetro portátil, para se detectar a presença de variação. Quando esta varia significativamente, deve ser monitorada continuamente por um monitor de QUALIDADE DE ENERGIA (QE) mais sofisticado, capaz de mostrar um gráfico como o da figura abaixo. É comum determinar e mostrar o valor rms médio a cada dez minutos. Os valores máximo e mínimo devem ser comparados com os objetivos do equipamento analisado.

Esta variação também pode ser obtida da memória de massa dos medidores de energia digitais das concessionárias ou através de softwares de controle e registro fornecido por elas, que geralmente mantém os mesmos online.

Quantidade QE

Máximo

Média

Mínimo

Tempo

Curva de tendência

A análise dos picos e vales de tensão devem ser confrontados com os gráficos operacionais e produtivos para se determinar as ações e os pontos de atuação.

3.2 – Desbalanceamento:

O desbalanceamento está presente na maioria das instalações elétricas, seja por imposições estruturais, seja por falta de readequação da infraestrutura frente às expanções do sistema ou seja pela execução de projetos sem a aplicação da filosofia de prevenção dos





distúrbios elétricos (principalmente harmônicos) e consequentemente sem os fatores de correção pertinentes.

Na prática, chegamos a presenciar sistemas desbalanceados em mais de 50% em

sua média de carregamento elétrico. Apesar de não ser um transitório, incluímos nesta lista em função do mesmo causar

muitos problemas, principalmente se tiver associado à algum transitório. Existem duas definições de Fator de Desbalanceamento (FD) a serem usadas. O

mais simples para ser aplicado no dia a dia é a definição da IEEE que aplica para medições de tensão fase-fase somente e envolve três passos:

1- Calcular Vavg (média da tensão fase-fase) 2- Calcular Δ Vmax (Desvio máximo das tensões fase-fase até a média calculada no

item acima) 3- Então FD=Δ Vmax / Vavg O desbalanceamento afeta os motores de indução trifásicos que devem ser capazes

de suportar 2% se corretamente especificados. Caso estes motores estejam funcionando em sistemas desbalanceados, são capazes de gerar correntes e frequências indesejáveis que podem se irradiar pelo sistema. Também afetam os Nobreaks e UPSs que são alimentados com sistemas trifásicos. Em sistemas de retificação, o caso é bem mais grave, gerando problemas irradiados na instalação.

3.3 – Flicker:

A cintilação luminosa pode ser definida como a sensação visual das variações do fluxo luminoso das lâmpadas, principalmente incandescentes, e até monitores de computadores, quando ocorrem flutuações de tensão em relação à frequência. As flutuações de tensão e corrente produzem oscilações da luz (iluminação) que podem causar desconforto por causa da perturbação dos estímulos visuais.

As normas AS/NZS 4376:1996 e 4377:1977 definem um instrumento para medição

de flutuações de tensão baseado em um modelo de light source/eye/brain system. Também a publicação da IEC 61000-4-15 de 1997, regulamenta a medição da

severidade do flicker associado à flutuação de tensão e as relações deste com os níveis harmônicos de corrente no sistema.

A saída do instrumento é em Pst que significa índice de oscilação por interrupção

curta em 10 minutos de intervalo, e fica definido que Pst=1 corresponde ao limite de percepção.





O índice de oscilação por interrupção longa é chamado de Plt e é definido também para um intervalo de 2 horas e é calculado a partir dos 12 valores consecutivos de Pst que ocorrem.

O Flicker só pode ser medido por monitores caros. O valor Plt deve ser menor do

que 1 durante 95% do tempo medido. O nível alto de harmônicos de corrente na instalação gera indices na ordem de Pst= 3.

A sensibilidade a este fenômeno varia de pessoa para pessoa, e é percebido numa

frequência de 8 a 10 Hz e de amplitude de 0,8 a 1 % do fluxo luminoso. A percepção do flicker pelo olho humano em diferentes cores do ambiente, varia com a frequência do mesmo.

Na figura a seguir, temos um exemplo da forma de onda de um flicker.

Os procedimentos de medição devem obedecer aos seguintes parâmetros:

- Instrumento de medição: estes devem possuir o módulo flickermeter para medir o indicador pst em pu (por unidade), em relação à uma curva de pst base. - Ponto de medição em AT: deve ser realizada no PAC da carga geradora. - Ponto de medição em BT: deve ser realizada num ponto da rede secundária onde haja a maior influência provocada pela operação da carga geradora. - Pontos de medição complementar: devem ser realizadas medições complementares em outros pontos do sistema ao redor da carga geradora, para avaliação e mapeamento da propagação do distúrbio da AT para a BT. - Duração das Medições: As medições de BT devem ser simultâneas com o PAC de AT com duração mínima de 10 ciclos operacionais da carga geradora, em períodos operacionais diferentes.





A pesquisa deve obedecer à regra de análise onde devemos ter no mínimo 15 pontos de medição no total, para se descartar os 4 piores pontos. Os resultados, vão nortear as ações de mitigação, de acordo com o grau de severidade da área e do subsistema em si.

Em certas circunstâncias, a sobreposição de interharmônicas na tensão de

alimentação pode levar a oscilar o fluxo de corrente e causar leve cintilação luminosa. Este fenômeno pode ser observado tanto em lâmpadas incandescentes quanto em fluorescentes. Porém a norma IEC define a medida Pst em relação à lâmpadas de filamento nas tensões de 120 e 230 V. Temos casos de flicker em lâmpadas fluorescentes causado por interharmonica com fundamental de 175Hz modulada por sinais de controle.

O flicker causado por interharmonicas pode ser observado nos dois tipos de

lâmpadas, porém o alcance da frequência envolvida e suas amplitudes são diferentes para cada caso. Na lâmpada incandescente, a luz depende da temperatura do filamento, que por sua vez está diretamente relacionado ao poder de dissipação da luminária (ou a voltagem rms). Quando a voltagem aplicada é uma onda senoidal pura, o fluxo luminoso é composto de uma componente média de estado fixo e uma componente de frequência dupla, que não pode ser detectada pelo olho humano. Quando um único interharmônico é sobreposto, a energia elétrica e o fluxo luminoso contem além do mencionado, frequências da banda lateral da fundamental, que causam flutuações de tensão rms e geram cintilação luminosa.

Em experiências de outros autores, foi notado que para frequências interharmônicas

abaixo da 2ª ordem harmônica, as lâmpadas mostram uma importante sensibilidade. Os reatores eletrônicos são sensíveis para frequências entre 30 e 70 Hz, mas filtram melhor as frequências interharmônicas entre 130 e 170 Hz. As lâmpadas tipo PL são sensíveis as altas frequências. É experimentalmente verificado nas lâmpadas incandescentes e fluorescentes que





a relação entre a variação do fluxo luminos e a correspondente flutuação de tensão é bastante linear para uma mesma faixa de flutuação de tensão.

A flutuação de tensão, os níveis de harmônicos e interharmônicos com suas

características de ordens e os burst (RDH), são fatores de grande influência nos níveis de flicker e devem ser tratados conforme a característica de cada caso. As flutuações se manifestam de diferentes formas, tais como:

- Flutuações aleatórias: causadas por fonos a arco, equipamentos hospitalares de raio X e outros; onde as amplitudes das oscilações dependem do estado de fusão do material e do nível de curto circuito da instalação. - Flutuações repetitivas: causadas por máquinas de solda, laminadores siderúrgicos, elevadores de minas, ferrovias e metros.

- Flutuações esporádicas: causadas pela partida direta de grandes motores tipo trituradores de minas, cortadores de cavaco para celulose, grandes ventiladores de diversos sistemas industriais e outros. Para um trabalho de pesquisa e mitigação do flicker em sistemas elétricos, é de

suma importância que se descubra a causa dos mesmos, a fonte geradora e a frequência fundamental da interharmônica (quando for o caso), para se calcular o sistema de filtragem mais apropriado ao problema.

Os níveis de flicker provocam a primeira vista um custo alto em suas mitigações,

dependendo da carga, tensão de alimentação e da sazonalidade do sistema. Porém, se levarmos em conta a necessidade da eficiência produtiva e segurança operacional do sistema, o custo benefício de tal investimento o torna aceitável e necessário.

3.4 - Harmônicas:

Entre todos os tipos de distúrbios da energia elétrica, as harmônicas, ou como muitos chamam harmônicos, tem uma posição de destaque, até pelo motivo de causarem mais problemas e ser uma matéria em evidência em relação à maioria dos distúrbios.

As condições reais de uma instalação elétrica simples ou um sistema complexo,

supridas por tensões, correntes e frequência, tem formas de ondas distorcidas e muitas vezes com desvios e distorções fora dos padrões e bem acima da suportabilidade do sistema. Elas normalmente são causadas pela operação de cargas não lineares ou chaveamentos aleatórios no sistema.

Estes desvios e distorções usualmente expressam os níveis harmônicos de tensão e corrente, e se propagam pelo sistema elétrico provocando sinistros e acidentes irreparáveis, além de derrubar assustadoramente os índices de eficiência produtiva tornar evidente os prejuízos anuais na produção.





Como característica, podemos dizer que as amplitudes de correntes harmônicas tem

o mesmo comportamento das correntes de curto-circuito, ou seja tem seu fluxo a partir da fonte que a gera em direção à fonte de energia. Porém a corrente de curto-circuito causa sinistro na rede pelo seu volume em amplitude e por conseguinte a queima de circuitos e componentes, sendo que a corrente harmônica causa intermitência havendo somente a parada ou erros nos sistemas, e em alguns casos provocando outros distúrbios que chegam também a provocar queimas no sistema.

Na figura a seguir, temos uma forma de onda de corrente distorcida por níveis

harmônicos.

Para o sinal periódico e distorcido mostrado acima, existe uma representação matemática adequada em termos da frequência fundamental e suas harmônicas. A frequência fundamental é assumida como a frequência de suprimento da instalação ou do sistema e as harmônicas são os multiplos inteiros (pares e impares) desta frequência fundamental. Cada múltiplo é chamado de ordem, e carrega amplitudes, angulo de fase e fator K inerentes às características do sistema, circuito ou ramal.

As harmônicas de ordem par, são raras nos sistema elétricos. Porém, quando

ocorrem, demonstram que os dispositivos eletrônicos com funções de retificação, conversão e inversão (monofásicos ou trifásicos) presentes no sistema, estão operando assimetricamente e aperiodicamente. Também demonstram a incidência de binários resistentes à campos magnéticos nos enrolamentos de máquinas.





A quantificação dos níveis harmônicos dos sinais, vem na foma de Distorções

Harmônicas Totais (de tensão ou corrente) – THDV e THDI. Cada uma delas, com suas respectivas fórmulas e desenvolvimento matemático.

A pesquisa e o rastreamento dos níveis harmônicos de um sistema, bem como suas

cargas geradoras e os sistema consumidores e ressonantes desses níveis, torna o trabalho da engenharia mais apurado e voltado para a pesquisa e solução, sendo cada caso tratado com a particularidade analítica necessária.

A inclusão de uma carga não linear à instalação, por exemplo um forno de indução,

sempre ocasionará a circulação de uma corrente, com a forma de onda não senoidal, e por conseguinte, com a presença de correntes harmônicas produzidas. A presença de várias cargas não lineares, tornam o sistema saturados com volumes de harmônicas que se somam vetorialmente em módulo e ângulo, podendo formar ressonâncias inadimissíveis ao sistema.

As harmônicas são mostradas e estudadas em forma de bargraph, conforme a figura

a seguir. Os Harmônicos e os inter-harmônicos de uma forma de onda podem ser definidos nos

termos de seus componentes espectrais no estado quase estável acima de uma faixa de frequência. Abaixo temos uma simples, mas efetiva definição matemática.

- Harmônicos f = h ∗ f1 (onde h é um inteiro > 0) - Inter-harmônicos f = 0 Hz (f = h ∗ f1 onde h = 0) - Sub-harmônicos f ≠ h ∗ f1 (onde h é um inteiro > 0) - DC Off-set f > 0 Hz e f < f1

Por este assunto ter extrema relevância, dedicamos os capítulos de 4 a 8, exclusivamente

para uma abordagem mais detalhada e aplicativa ao dia a dia.





3.5 – Sub-harmônicas:

Como já foi dito no início, o termo sub-harmônico não é uma definição oficial, mas é um caso especial de interharmônica ou de harmônica, para componentes menores que a frequência fundamental, e passou a ser usado por vários autores em suas literaturas técnicas. Porém, o termo componente da sub-frequência síncrona é mais apropriado e auto descritivo do fenômeno.

3.6 – DC Off-set:

São os níveis de tensão ou corrente CC presentes num sistema elétrico, e podem ser chamados simplesmente de nível CC ou na análise do bargraph, ou como é denominado pelo pessoal de campo, de ordem par negativa pela sua posição no espectro. Eles podem ocorrer como consequência da operação ideal de retificadores de meia onda. A presença de um nível CC em sistemas de corrente alternada, pode levar à saturação de transformadores e até de motores, resultando em perdas adicionais e redução da vida útil destes equipamentos.

A presença deste num sistema pode denotar uma condição de corrente de inrush

como veremos no item 3.14 ou ainda denotar a presença de um equipamento degradante perante o sistema, como exemplo temos uma impressora a laser. Mas pode causar sérios problemas em transformadores, levando-os ao aquecimento excessivo. Quando esta componente DC da corrente está presente no aterramento, pode aumentar a corrosão metálica de instalações ou estruturas subterrâneas.

O valor desta corrente é muito variável, já que a mesma é determinada pela

impedância do circuito em questão bem como pela voltagem do componente DC. Portanto, a determinação da componente DC é feita caso a caso. Um exemplo típico de medição de DC Off-set, está na figura a seguir.





Um exemplo típico de estratificação de medição de DC Off-set, está na figura a

seguir. 3.7 – Inter-harmônicas:

São as perturbações produzidas em frequência que não são múltiplas da frequência da rede. Eles podem aparecer como frequências discretas ou como larga faixa espectral, podendo ser encontrados em redes de diferentes classes de tensão.

Podem ser provocadas pelos conversores de frequência, cicloconversores,

inversores, motores assíncronos, máquinas de solda, fornos a arco, transmissores à válvula e transmissores de grande potência em telecomunicações e outros equipamentos eletrônicos com funcionamento desbalanceado. Os sinais “carrier” em linhas de potência também podem ser considerados como inter-harmônicos.

Elas podem ter efeitos catastróficos nas telecomunicações e sistemas hospitalares,

com menos intensidade nos sistemas de comunicação de dados e redes, e muito raramente provocam distorções na estabilidade da tensão, induzindo ao flicker visual no display de equipamentos como tubos de raios catódicos.

O conhecimento dos distúrbios eletromagnéticos envolvendo frequências inter-

harmônicas está ainda em desenvolvimento. Nos níveis normais de compatibilidade são dados somente para o caso de interharmônicos que ocorrem em uma frequência perto da freqüência fundamental (50 Hz ou 60 Hz), resultando em modulação de amplitude da tensão ou corrente de alimentação.





Nestas condições certas cargas que são sensíveis ao quadrado da tensão, especialmente os dispositivos de iluminação, apresentam um efeito de pulsação, resultando em flicker (Veja item 3.3). A freqüência de pulsação é a diferença entre as freqüências das duas tensões coincidentes, isto é entre a frequência interharmônica e a freqüência fundamental.

O nível de compatibilidade para o interharmônico pode ser expresso como a relação

desta amplitude para com a da fundamental, mostrada no gráfico abaixo, como uma função da freqüência pulsante. Como no item 3.3, é baseado no nível de flicker de PSt = 1 para luminárias alimentadas em 120 V e 230 V.

Uma situação semelhante é possível quando existir um nível apreciável de

harmônicas (particularmente de 3ª e 5ª ordem) coincidindo com uma interharmônica perto da frequência fundamental. Neste caso o efeito também deve ser avaliado conforme a Figura acima, com a amplitude determinada pelo produto da relativa amplitude das harmônicas e interharmônicas ocasionando a subida da freqüência de pulso. O resultado é raramente significativo, mas pode se tornar dependendo da situação do nível de ressonância presente no sistema.

Interharmônicas abaixo do valor 0,2, os níveis de compatibilidade são determinados

pelos mesmos requisitos de flicker. Para este propósito, a severidade do flicker deve ser calculada de acordo com o anexo A da IEC 61000-3-7 usando o fator de forma dado para flutuações de voltagem periódica e senoidal. O valor conservador do fator de forma é 0,8 para 0,04 < m ≤ 0,2 e 0,4 para m ≤ 0,04.





Interharmônicos e componentes de freqüências acima da 50ª ordem. Fontes de correntes e voltagens não desejadas O sistema de distribuição de energia das concessionárias são planejados para

entregar voltagens nas freqüências de 50 ou 60 Hz. A presença de voltagens com outras freqüências é evitada, até onde é possível. Porém, desenvolvimentos modernos em utilidades elétricas estão tendendo a acrescentar a superposição na voltagem de alimentação, de voltagens e correntes em freqüências não desejadas. Num crescente a fonte importante das freqüências espúrias são os módulos de condicionamento da eletrônica de potência que largamente estão sendo incorporados aos dispositivos de utilidades.

A seguir temos as seguintes fontes típicas: - A maioria dos componentes eletrônicos requerem uma fonte DC. Na ausência

desta, baterias ou outras fontes DC. O modo de comutação da fonte de energia, de uma maneira altamente não-linear, resulta em amplitudes de correntes harmônicas e interharmônicas, indo além da 50ª ordem. Estes fluxos de correntes pelas impedâncias do sistema de alimentação, ocasionam voltagens nas freqüências correspondentes, e são sobrepostos na voltagem de alimentação entregues aos usuários. Nas freqüências mais altas, o emissor pode ser freqüentemente modelado como uma fonte de voltagem.

- Em alguns casos o uso final da energia exige uma tensão AC em uma freqüência

diferente da frequência do sistema , assim como nos inversores de frequência para motores. Novamente, isto é realizado pelos dispositivos eletrônicos que extraem a energia necessária da rede de entrada e entregam aos componentes a jusante por meio de uma voltagem na freqüência necessária. Do ponto de vista do sistema de alimentação, estes dispositivos são fontes de freqüências espúrias além da freqüência de provisão. Enquanto freqüências harmônicas geralmente são prevalecentes, alguns tipos de conversores de frequência produzem interharmônicos também.

A fonte de tensão dos inversores, com conversores modulando em PWM no lado da

rede, produzem harmônicos da frequência de modulação, que não tem nenhum sincronismo com a freqüência da rede. Estas estão principalmente em freqüências mais altas: freqüência de comutação e seu harmônicos. Equipamentos de alta potência, tipicamente acima de 1 MW e conectado a uma rede de média ou alta tensão, usa cicloconversores ou inversores, operando em qualquer freqüência sem sincronismo com a freqüência da rede. Eles podem produzir interharmônicos devido ao acoplamento residual entre o lado do motor e a rede. Quando ocorre, os resultados são fatais.

De um modo geral, fontes de conversores estáticos de frequência podem produzir

discretas frequências na faixa de 0 a 2,5 kHz, ou mais.





- Os fornos de arco elétrico podem ser uma fonte de interharmônicos e componentes em freqüências acima da 50ª ordem harmônica. Isto também é para os equipamentos de alta potência, que não são conectados à baixa tensão.

- As máquinas de solda geram um espectro de freqüência de banda larga e

contínua, associado a um processo intermitente em que a duração das ações de solda individualmente variam entre uns segundos até alguns minutos.

- Os motores de indução podem ocasionar uma magnetização irregular devido às

fendas no estator e rotor, possivelmente em associação com a saturação do ferro. Na velocidade normal do motor, este gera inter-harmônicos com freqüências entre 10 a 40 vezes a frequência da rede, mas durante a partida eles geram todas as ordens de frequência até alcançar o regime nominal.

As fontes citadas acima são conectadas a redes de baixa, média e alta tensão. Seu

funcionamento resultam em inter-harmônicos e altas frequências que são geradas e transmitidas entre todos níveis de tensão e dependem das impedâncias da rede. Estas ordens podem alcançar 0,5%. Os valores mais altos também podem ser encontrados, especialmente quando houver ressonância. Existe um nível de interharmônico da ordem de 0,02% da tensão nominal de alimentação, medido com uma largura de banda de 10Hz.

Os sistemas de transmissão de sinais também são uma fonte de tensão e corrente

inter-harmônica, mas neste caso as emissões são intencionais e utilizadas por usuários que exercem controle cuidadoso para assegurar a compatibilidade do sistema.

Alguns outros efeitos das inter-harmônicas incluem:

– as correntes não desejadas fluindo nas redes de alimentação geram perdas de energia adicionais, com um conseqüente aumento nas emissões gases dos grupos geradores. – as inter-harmônicas de tensão podem perturbar o funcionamento de lâmpadas fluorescentes e eletrônicas e equipamentos como monitores e televisores. De fato, qualquer uso de energia onde o pico de tensão ou o cruzamento em zero da onda é importante, pode ser distorcido se a combinação presente de freqüências não desejadas alteram estes atributos na tensão de alimentação. – A maior faixa de frequência presente, a maior amplitude de tensão desta frequências e o risco imprevisível de ressonância, podem ampliar a distorção de tensão e leva a sobrecarga ou perturbação do equipamento na rede de alimentação e nas instalações dos usuários.





– Outro efeito é a produção de ruído acústico. Isto é causado pelas tensões na faixa de 1 kHz até 9 kHz ou mais, com amplitude de 0,5 % para cima e dependentes do valor de freqüência e do tipo de equipamento influenciado.

Na tabela abaixo temos os valores indicativos de interharmônicos de tensão em rede

de BT correspondente ao nível de compatibilidade com respeito ao efeito flicker.

Sistema 50 Hz Sistema 60 Hz

Vm (%) Vm (%) Ordem Frequência interharmônica

fm (Hz) 120 V 230 V

Frequência interharmônica

fm (Hz) 120 V 230 V

0,20 < m ≤ 0,60 10 < fm ≤ 30 0,68 0,51 12 < fm ≤ 36 0,95 0,69 0,62 < m ≤ 0,64 30 < fm ≤ 32 0,57 0,43 36 < fm ≤ 38,4 0,79 0,58 0,64 < m ≤ 0,68 32 < fm ≤ 34 0,46 0,35 38,4 < fm ≤ 40,8 0,64 0,48 0,68 < m ≤ 0,72 34 < fm ≤ 36 0,37 0,28 40,8 < fm ≤ 43,2 0,50 0,38 0,72 < m ≤ 0,76 36 < fm ≤ 38 0,29 0,23 43,2 < fm ≤ 45,6 0,39 0,30 0,76 < m ≤ 0,84 38 < fm ≤ 42 0,23 0,18 45,6 < fm ≤ 50,4 0,23 0,18 0,84 < m ≤ 0,88 42 < fm ≤ 44 0,23 0,18 50,4 < fm ≤ 52,8 0,22 0,18 0,88 < m ≤ 0,92 44 < fm ≤ 46 0,28 0,24 52,8 < fm ≤ 55,2 0,22 0,20 0,92 < m ≤ 0,96 46 < fm ≤ 48 0,40 0,36 55,2 < fm ≤ 57,6 0,34 0,30 0,96 < m ≤ 1,04 48 < fm ≤ 52 0,67 0,64 57,6 < fm ≤ 62,4 0,59 0,56 1,04 < m ≤ 1,08 52 < fm ≤ 54 0,40 0,36 62,4 < fm ≤ 64,8 0,34 0,30 1,08 < m ≤ 1,12 54 < fm ≤ 56 0,28 0,24 64,8 < fm ≤ 67,2 0,22 0,20 1,12 < m ≤ 1,16 56 < fm ≤ 58 0,23 0,18 67,2 < fm ≤ 69,6 0,22 0,18 1,16 < m ≤ 1,24 58 < fm ≤ 62 0,23 0,18 69,6 < fm ≤ 74,4 0,23 0,18 1,24 < m ≤ 1,28 62 < fm ≤ 64 0,29 0,23 74,4 < fm ≤ 76,8 0,39 0,30 1,28 < m ≤ 1,32 64 < fm ≤ 66 0,37 0,28 76,8 < fm ≤ 79,2 0,50 0,38 1,32 < m ≤ 1,36 66 < fm ≤ 68 0,46 0,35 79,2 < fm ≤ 81,6 0,64 0,48 1,36 < m ≤ 1,40 68 < fm ≤ 70 0,57 0,43 81,6 < fm ≤ 84 0,79 0,58 1,40 < m ≤ 1,80 70 < fm ≤ 90 0,68 0,51 84 < fm ≤ 108 0,95 0,69

Este assunto é de extrema relevância e cada vez mais nos deparamos com estudos e

teses de suma importância para a mitigação dos problemas presentes nos sistemas.





3.8 - Quedas de tensão (Sags) e curtas interrupções de tensão:

Esta categoria envolve queda de tensão de até 90% por menos de um minuto. Um “Sag” é uma queda maior do que 10% enquanto uma interrupção é uma queda menor que 10%.

Não existem atualmente parâmetros claros de níveis normais para um “Sag”. Os equipamentos elétricos têm a possibilidade de operar incorretamente ou falhar durante uma operação devido a um “Sag”, porém alguns equipamentos eletrônicos de controle podem apresentar desvios em seu comportamento operacional tendo em vista alguns outros fatores alem do SAG.

A forma de onda de um “Sag” pode se apresentar como a variação de tensão rms

sobre a duração de um “Sag” conforme a Figura a seguir. Os “Sags” são registrados como um evento transitório descrito por dois parâmetros:

- Profundidade do “Sag”, desvio máximo da tensão rms com relação à nominal - Duração do “Sag”: tempo abaixo do limite, geralmente em torno de 90%

tensão nominal

Caracterização do “Sag”

envelope de tensão

Profundidade de Tensão

Duração do “Sag”

Limite 0,9 pu





Alguns sistemas de controle podem ter seus valores de referência ou suas ordens operacionais alteradas justamente na escada descendente ou ascendente do SAG. Normalmente a alteração se dá na subida da curva (escada ascendente), dependendo da profundidade do SAG.

Um “Sag” pode ser representado graficamente como um ponto entre dois eixos,

onde o eixo horizontal é a duração e o eixo vertical é a profundidade (ou tensão do “Sag” equivalente). Existem tentativas de mostrar a imunidade de alguns tipos de equipamentos ao “Sag” nos mesmos eixos. O mais popular é o ITIC (Information Technology Industry Council-1996) mostrado na figura do capítulo 2, desenvolvido para equipamentos de tecnologia de informação monofásicos de 120 ou 220 V (por exemplo: PC, copiadora e fax). Isto tem sido desenvolvido a partir de gráficos antigos formulados pela CBEMA (Computer & Business Equipment Manufacturers Association). Este nome às vezes é aplicado aos gráficos mais modernos. A linha inferior indica a imunidade do equipamento ao “Sag”, e a linha superior indica a imunidade do equipamento ao “Swell” (aumentos temporários de tensão) e aos transientes.

3.9 - Aumento de Tensão temporário (“Swell”):

É definido como um estado em que se observa um aumento no valor eficaz da tensão com duração entre 0,5 s à 1 minuto. Como exemplo, citamos uma saída de carga em algum ponto do sistema.

Normalmente não são de grande interesse, pois os sistemas são providos de

proteções adequadas e não existe muita informação sobre sua caracterização. Eles podem ter valores de até 170% da tensão nominal em um minuto. Os equipamentos podem sofrer danos irreparáveis se submetidos a uma tensão superior que a sua média suportável de curta duração, por exemplo capacitores.





3.10 - Transientes Oscilatórios:

Podem iniciar pelo simples ligar dos capacitores de correção de fator de potência. A Figura abaixo mostra que eles tem a forma de uma queda de tensão súbita próxima a zero seguida por uma oscilação na faixa de 500Hz a 2 kHz por até 2 ciclos. Sua caracterização não foi formalmente definida, mas um pico de 130% pode provocar “trip” em reguladores de velocidade e queima insperada de capacitores nos seus chaveamentos.

Em caso de sistemas automáticos de correção de Fator de Potência, deve-se tomar

o cuidado para que não aconteça os transientes nos sistemas, que podem causar perdas operacionais. Outro fato relevante ao modo operacional dos capacitores são as corrente de “in rush” que devem ser estudadas e analisadas com profundidade dentro do contexto da Engenharia de Investigação dos distúrbios pois é de suma importância na operacionabilidade de um sistema, e que são detalhadas com mais propriedade no item 3.14.

Temos abaixo uma curva característica de um transiente oscilatório sem

especificação de valores, módulos ou qualquer outro fator. Somente uma ilustração didática a exemplificar este contexto.

Caracterização de transiente oscilatório 3.11 - Transitórios de Impulso:

Os equipamentos sensíveis aos transitórios de impulso incluem os equipamentos eletrônicos como computadores. Os transitórios de impulso são caracterizados por (1) tempo de subida, (2) tempo de queda e (3) valor de pico. O tempo de subida é medido entre os

Vpeak





instantes em que o impulso sobe de 10% a 90% do seu valor de pico. O tempo de queda é medido do início da forma de onda até o momento em que a curva atinge a metade do valor de pico. Os limites típicos são tempos de subida de μs a ms com um pico não excedendo a 6 kV em sistemas de 440 V.

A seguir temos o gráfico relacionado com o paragrafo anterior.

Caracterização de transientes de impulso Estes transitórios geralmente estão relacionados com um alto nível de harmônicas

de corrente presentes no sistema de alimentação dos equipamentos sensíveis, e se agravam dependendo da amplitude de corrente que a ordem predominante da harmônica carrega.

As assintonas de corrente de partida de máquinas e de atracação de cargas ou

“chaveamento” de ramais de alimentação através de disjuntores ou contatores, também produzem transitórios de impulso com características e formas de ondas diferentes dos produzidos por harmônicas.

Para facilitar a identificação de problemas e suas origens quanto aos transitórios de

impulso de tensão e corrente, temos a tabela a seguir, onde observamos que quando a mudança de polaridade ocorre com o mesmo sentido nas tensões e correntes, provavelmente a origem do fato está no sistema (alimentação de energia) e se forem diferentes, está sempre associado à carga.





TENSÃO CORRENTE ORIGEM + + Fonte

- - Fonte

+ - Carga

- + Carga

3.12 - Transientes na malha de terra:

Nos sistemas elétricos, quando designamos as tensões, geralmente, elas são referidas à terra. Dessa forma a terra representa um ponto de referência (ou um ponto de referencial zero) ao qual todas as outras tensões são referidas. De fato, qualquer equipamento com eletrônica embarcada de alta tecnologia que se comunica com outros equipamentos ou com o sistema ou malha de automação, necessita de uma tensão de referência “zero” de criticidade muito baixa, para que tenha sua operação dentro dos padrões apropriados segundo normas e referências dos fabricantes dos mesmos.

Os transientes por aterramento podem ser originados em descargas atmosféricas

diretas ou indiretas no sistema, ocorrências de correntes de curto circuito fase terra, saturação do sistema de aterramenmto por ESD e muitos outros fatos que estão diretamente relacionados com a capacidade de disperção da malha de terra do sistema, em relação às amplitudes de correntes e frequências espúrias do próprio sistema.

Malhas abertas, alto valor de resistividade, configuração de malha errada para o tipo

de aplicação, impedância alta e falta de equipotencialidade com o sistema geral de aterramento, podem levar à ocorrência de transientes de amplitudes e frequências diversas, que devem ser levadas em conta num trabalho de pesquisa e mitigação.

Programas computacionais atuais com grande sofisticação, existem no mercado

para tratar as questões pertinentes ao assunto. A modelagem dos sistemas de aterramento em frequências industriais são mais complexas devido a característica do solo, da geometria do sistema e principalmente da dependência de parâmetros ligados à frequência.

Este item merece um estudo mais abrangente e profundo, tendo em vista a

complexidade do assunto mediante as várias configurações de sistemas elétricos e as variáveis existentes para cada um. Para maiores esclarecimentos, temos o desenvolvimento do capítulo 12 - ATERRAMENTO ESPECÍFICO APLICADO, com conceituações e informações práticas sobre o assunto.





3.13 – Sobretensões refletidas (ringing):

O fenômeno de reflexão de ondas eletromagnéticas em um condutor elétrico é bem

parecido ao de uma onda na água. Em um dado momento, a magnitude da onda da água varia com o tempo e sua fase é retardada. A medida que a onda se distancia da origem, a amplitude diminui e eventualmente abaixa. Porém, se lá existir uma barreira para o movimento da onda, haverá uma reflexão, onde é criada uma segunda onda de sentido contrário à primeira, que quando se choca com as ondas posteriores à primeira, formam um pico com maior intensidade que a primeira.

Consequentemente, a amplitude de oscilação num dado ponto é a soma da

fundamental e a onda refletida naquele ponto. Semelhantes resultados são observados quando uma onda eletromagnética viaja em uma linha de alimentação ou de transmissão. Se uma carga em uma linha de alimentação está fisicamente em distância infinita da fonte, lá não existe nenhuma reflexão – semelhante a uma onda na água originada em uma lagoa com limite no infinito. Se pudéssemos eletricamente criar uma linha de alimentação infinita (uma linha não tendo nenhuma reflexão) com a impedância no terminal combinando com impedância do cabo. Porém, na maioria dos casos, entre motor e cabo, ou entre inversor e cabo, ou softsart e cabo ou ainda entre UPS e cabo, as impedâncias são descasadas e causam reflexões de voltagem. A reflexão de tensão causa a amplificação da voltagem nos terminais do motor, já que normalmente este e o inversor, ou melhora a carga e o fornecedor de alimentação, estão fisicamente separados por cabos longos, e dificilmente suas impedâncias estão casadas.

A tendência dos inversores de frequência é fazer o tempo de subida dos pulsos o

mais rápido possível para reduzir as perdas de conexão e aumentar a eficiência do conjunto. Para se ter uma idéia, a migração de inversores da tecnologia BJT (Transistor de junção bipolar) para IGBT (Transistor bipolar de gate isolado) elevou a velocidade de comutação de 5 a 10 vezes mais, elevando as frequências de comutação de 1 a 2 kHz para 6 a 12 kHz.. Isto melhora drasticamente os torques em baixas frequências e baixas velocidades reduzindo consideravelmente as oscilações de corrente do motor. Dentro da mesma concepção teórica, temos a analogia aos circuitos de softstar, UPSs, estabilizadores de tensão e algumas configurações de centrais retificadoras, salvaguardando as características peculiares destas.

Todavia, as rápidas subidas dos tempos, combinadas com longas extensões dos

cabos, produzem uma impedância não casada entre o cabo e a carga (normalmente) causando ondas refletidas, ou “ringing”. Os picos de alta tensão nos terminais do motor produzem uma tensão potencialmente destrutiva na isolação dos motores que passaram a ser mais evidenciadas pelos dispositivos IGBTs, que simplesmente amplificaram os fenômenos de ondas refletidas tornando estas um ponto crítico a ser considerado pelos usuários.

Tambem devemos considerar a mesma análise para as UPSs, nobreacks e

estabilizadores de tensão, onde quanto mais estreita a facha de regulação deles, dependendo da distância do cabo, temos uma acentuação do nível de ringing. Se por algum momento, eles perdem a carga, a impedância aumenta, criando um ponto de ressonância muito alta.





Vx

Zc IR X

Z R

+ VS -

+ Vx -

V-

V+

jbxaxCRRjbxaxCRRx ee

ZIVee

ZIVV −−−

++

=22

Teoria da linha de transmissão longa quando aplicada ao caso do motor-

inversor: Tomando-se a voltagem em qualquer ponto que está a x metros longe do terminal da

carga (motor), denominada de Vx, esta será a soma da onda incidente (fundamental – V+) com a onda refletida (V-) naquele ponto, que é dado por:

Vx = V+ + V- Vide a figura abaixo: A onda incidente V+, é igual para a soma da voltagem final no receptor, e a queda

através da impedância característica do cabo. Semelhantemente, a onda refletida V-, é igual para a diferença entre a voltagem final no receptor e a queda através da impedância característica. Destas observações, podem se reescrever a voltagem em qualquer ponto na linha de transmissão conforme segue abaixo.

Onde:

Vx é a voltagem num ponto distante x unidades da carga; VR é a voltagem na carga; IR é a corrente na carga; Zc é impedância característica da linha = ÖL/C; L é a indutância por unidade do comprimento; C é a capacitância (fase-terra) por unidade do comprimento;

Os termos exponenciais são usados na equação para ajudar a explicar as variações

da onda de tensão, em função da distância ao longo da linha. O primeiro termo denota a onda





+−=+−

= RRCR

CRR VV

ZZZZ

/ρ +−=+−

= SSCS

CSS VV

ZZZZ /ρ

incidente enquanto o outro termo denota a onda refletida. Baseado na equação acima, vale a pena notar os seguintes pontos:

- x é zero na carga e aumenta conforme movem-se da carga em direção ao ponto de interesse na linha de transmissão. Conforme afasta-se da carga, a onda incidente aumenta em magnitude e avança em fase; - Conforme afasta-se da carga, a onda refletida diminui em magnitude e retarda em fase; - Se o ponto terminal está em distância infinita do ponto de interesse (isto é, x está em infinito), então lá não existe onda refletida; - Se a impedância terminal é igual a impedância característica (ZR = ZC), lá não existe onda refletida. Uma linha terminando em sua impedância característica, é conhecida como uma linha plana ou uma linha infinita. Um feixe de linhas de condutores tem valores mais baixos de ZC, assim como tem L mais baixo e C mais alto do que linhas com condutores únicos por fase. - Da equação anterior, é interessante notar sob condições sem carga, ΙR = 0. Isto resulta na onda incidente ser igual e em fase com a onda refletida no ponto terminal, isto é, em x = 0. Consequentemente a tensão real no ponto terminal é dado pela primeira equação, equiparada 2 vezes a onda de tensão incidente. Isto mostra o efeito de dobra da voltagem sob condição de abertura ou sem carga.

Conforme foi explicado anteriormente, qualquer onda trafegando num condutor

eletrico, exibe o fenômeno de reflexão, exceto a linha é infinita ou tem seu terminal com impedância característica. Referindo-se a figura anterior, o valor da impedância terminal ZR, é dada pela relação da tensão e corrente no ponto terminal. Os componentes de tensão e corrente são compostos de ondas incidentes e refletidas. A relação entre a onda refletida e a onda incidente é conhecida como “coeficiente de reflexão” e é indicado por ρR para o lado do receptor e ρS para o lado do transmissor, onde para voltagem os coeficientes são respectivamente:

Este mesmo coeficiente pode ser usado para a corrente.





LCf

cabor

⋅⋅=

lπ21

- Efeitos do ringing em sistemas inversor-motor com cabos longos:

Para alcançar respostas rápidas do sistema, eficiência alta, e boa regulação, Inversores normalmente tem sua operação sujeito ao modo operacional das altas frequências em PWM. Devido a alta velocidade de comutação e tendo uma significativa distância entre o inversor e a carga, pode acontecer uma sobremodulação de tensão no lado da carga. O fenômeno de propagação da onda pode ser explicado representando o cabo longo como uma linha de transmissão, e o inversor como um gerador de função de passo ideal.

Na teoria da linha de transmissão, a onda refletida é esperada a menos que a

impedância da carga esteja casada com a do cabo. Além disso, 100% da reflexão de tensão freqüentemente acontece desde que a impedância dos cabos seja muitas vezes menor que a dos motores, exceto aqueles de alta potência. Praticamente, a impedância de um motor pequeno ou médio pode aproximar-se de um circuito aberto, e quase 100% da tensão excedente acontece durante os transientes de comutação. Isto obviamente impõe uma significante sobretensão aos enrolamentos do motor e aos cabos.

Alem disso, vale a pena notar o “Fator crítico do comprimento do cabo”,

que diz “se o tempo de propagação da onda do inversor até o motor é maior que a metade do tempo de subida do pulso, uma onda refletida plena acontecerá”.

Um exame minucioso do pulso gerado por um inversor (PWM-VSI), nos

terminais do cabo na carga, mostra que os picos de voltagem são acompanhados de fenômenos de severa oscilação quando a onda ocorre. A freqüência do ringing depende do comprimento do cabo e da velocidade de propagação da onda. A velocidade de propagação por sua vez depende das características do cabo assim como da sua impedância, geometria do cabo e da permissividade do isolamento.

O nível de frequência do ringing está normalmente na faixa de 50kHz a 2 MHz,

com freqüências mais baixas em cabos longos e freqüências mais altas em cabo curtos. Isto é facilmente visto na fórmula abaixo, que relaciona a freqüência de ringing fr, com o comprimento de cabo ℓcabo, e a impedância do cabo LC.

O ringing é um importante fenômeno de distúrbio que causa reflexões múltiplas

e pode levar a picos de tensão no motor ou carga, mais alto que a tensão no barramento. Outro fenômeno de transiente relacionado com o cabo longo carregado em

corrente, é quando uma subida ou descida abrupta na frente de onda do inversor são aplicados ao cabo, resultando num pulso carregado de corrente que pode causar um trip ou shutdown no inversor.





Quanto maior a falta de casamento da impedância maior será a amplitude da onda refletida. A velocidade da onda refletida depende da indutância e capacitância do cabo, além do “rise time” do dispositivo de comutação, determinam a distância na qual a onda atingirá sua maior amplitude.

A figura abaixo nos mostra um exemplo de onda refletida.

Se os tempos de subida forem suficientemente lentos, ou o cabo suficientemente

curto, o nível de ocorrencia de ondas refletidas é muito baixo. A relação entre o comprimento do cabo do motor, o tempo de subida e o resultante incremento dos picos de tensão, pode ser observado no gráfico a seguir.





A seguir temos a medição da tensão nos terminais do motor com cabo de 2 m.

Abaixo temos a medição da tensão nos terminais do mesmo motor, porém com 30 m de cabo.

A diferença entre as medições de tensão de pico é de aproximadamente 210 Volts, e existe uma diferença de 5 Vrms entre as duas formas de onda (digitos pequenos no display). Um voltimetro comum não pode enxergar este problema. Deve ser usado um scopemeter.





Para um osciloscópio comum, deve ser capturado o disparo sobre um pulso simples, usando o modo tiro simples com cursores habilitados a fazer medição da tensão de pico durante o tempo de subida. A seguir temos as figuras com sinais sem e com ringing respectivamente.

O real perigo desta condição de sobretensão de pico pela onda refletida, é a queima do motor em função do comprimento do cabo de alimentação deste.

- Efeitos do ringing em sistemas UPS-carga com cabos longos:

Também aqui, temos o conceito de rapidez em resposta de estabilização de voltagem por parte da UPS, estabilizador ou nobreack, em função da alta eficiência e da boa regulação. Isto leva à uma alta velocidade de comutação, onde a longa distância entre o equipamento e a carga, pode gerar uma sobremodulação de tensão no lado da carga. O fenômeno de propagação da onda pode ser explicado da mesma forma que o item anterior.

Temos uma característica também a ser observada e estudada, que é a

ocorrência do equipamento estar ligado em vazio (por algum motivo a carga está desligada) e acontecer uma flutuação qualquer na entrada deste. Porém, por estar sem a carga, a impedância do sistema é maior, por conseguinte o descasamento de impedância também maior, já que o sistema enxerga somente a impedância da carga em standby, o suficiente para formar uma barreira para a onda refletida. Neste caso, a onda pode causar a queima de fusíveis se for uma onda de corrente ou a queima de placas ou até curto-circuito se for uma onda de tensão.

As soluções para evitar falhas, minimizando as amplitudes das ondas refletidas em

relação à motores e inversores ou softstarts são:





- Utilizar motores adequados para tais condições que devem seguir a

especificação NEMA MG-31. Tais motores tem capacidade de suportar picos 1600 V, sem no entanto podermos evidenciar a vida útil destes.

- Instalar terminadores de linha próximo ao motor, que vão facilitar o casamento

de impedância motor/cabo. Porém estes terminadores não tem nenhuma eficiência na qualidade das formas de onda no motor, apesar de não introduzirem quedas de tensão que afetem o torque.

- Também podem ser usados filtros específicos para este problema e que

sejam calculados e casados para a carga e para a onda refletida gerada pelo inversor ou controlador do mesmo. Devem ser instalados na saída do inversor ou softstart e se adequarem às condições ambientais, como prevenção de explosões. Solução mais viável e segura para o sistema.

- Limitar o comprimento do cabo entre o motor e o inversor ou softstart e

adequar a impedância deste em função da bitola. Esta solução nem sempre é possível ser utilizada. Na prática, isto pode facilmente conduzir para o descasamento de impedância entre motor e cabo, resultando assim em picos indesejados de ondas em PWM que são aplicadas aos terminais do motor.

- Reatores de linha na saída do inversor ou softstart, que vão reduzir o “rise

time” do mesmo, limitando a amplitude dos picos da forma de onda no motor. Esta, é uma solução cara dependendo da característica do motor. Porém, de certa eficiência como mostra o gráfico abaixo.





A visualização destas soluções tomando-se como exemplo um motor de 10 HP com inversor, conforme matéria do periódico da Rockwell, está mostrada no gráfico a seguir. A solução de filtragem, apesar de não ter sida mostrada no gráfico original, mas pela nossa experiência e com as diversas medições e implementações feitas, ela apresenta praticamente a mesma curva do terminador na rede, porém com uma série de vantagens além das que tem o terminador.

As análises dos problemas de onda refletida nas instalações industriais devem ser

feitas puntualmente e caso a caso, pois cada circuito e sistema tem suas características elétricas intrínsecas e as variáveis operacionais devem ser levadas em consideração com muita cautela para não haver falseamento nos resultados.

Por isto, é de extrema importância que se tenha experiência e equipamentos de

medição e monitoração adequados para solucionar cada caso. Queremos enfatizar que o problema das ondas refletidas não ocorre somente em

motores, mas também em cargas alimentadas por estabilizadores e nobreacks que usam a tecnologia dos IGBTs, e todos os outros equipamentos da área de controle e monitoração.





3.14 – Inrush: Palavra inglesa que significa irrupção, afluxo ou surto, onde alguns autores a

identificam como corrente de partida e outros como corrente de carregamento ou ainda corrente de magnetização.

Na realidade, o fenômeno inrush não é uma condição de falta e sim uma condição

transiente, que ocorre durante a energização de transformadores, capacitores e motores num periodo de alguns milisegundos, que pode provocar um aumento de tensão considerável no sistema, vindo a causar sinistros irreparáveis.

A corrente de inrush é tipicamente causada por:

- energização de motores, transformadores e capacitores, - reestabelecimento de tensão após a eliminação de um curto-circuito severo

em algum ponto do sistema, cuja característica é chamada de recovery inrush. - energização de um equipamento em paralelo com outro que já está em

operação, como exemplo clássico os transformadores e capacitores, onde temos esta característica chamada de sympathetic inrush.

Já está mais do que comprovado por autores renomados, que a presença de

corrente inrush é denotada pela presença das seguintes características na análise harmônica pelo bargraph, onde temos:

- A componente DC Offset varia entre 40 e 60% da fundamental, - O segundo harmônico é de até 70% da fundamental, - O terceiro harmônico está entre 10 e 30% da fundamental.

Alguns equipamentos de proteção de transformadores e sistemas, utilizam-se das

técnicas de avaliação da forma de onda, que os mantem sempre ativos para detectar condições de inrush inicial, recovery e sympathetic, onde temos os seguintes métodos:

- Detecção de inrush pela análise harmônica da corrente diferencial instantânea, - Detecção de inrush pela análise da forma de onda da corrente diferencial instantânea, - Detecção de inrush de forma adaptativa.

Fisicamente o fenômeno não pode ser controlado, tendo em vista que na partida dos

equipamentos citados, o instante do chavemento nunca está sob controle, sendo assim um transiente magnético é praticamente inevitável. O alto surto de corrente observado ocasionalmente na energização destes equipamentos pode causar uma queda de tensão momentânea se a impedância da fonte for considerável, além de sobrecorrentes, ondas de frequências altas e aleatórias, ou ainda ondas refletidas no sistema.





Ainda fisicamente falando, o fenômeno é explicado, segundo o item 6.2.1 da norma da CPFL (documento nº 2912), escrito da seguinte maneira:

Quando um transformador é desenergizado, a corrente de magnetização segue o laço de

histerese até o zero, e a densidade de fluxo segue para um valor residual Br (veja figura 1). A figura 1 mostra a onda de corrente de magnetização I1 e da densidade de fluxo B1 definitivamente interrompida no instante marcado pela primeira linha vertical tracejada, na qual a corrente passou pelo zero, com o fluxo em um valor residual Br. Se o transformador não fosse desenergizado as ondas de corrente e de densidade de fluxo teriam seguido as curvas tracejadas, mas com o transformador sendo desenergizado, elas seguem as linhas sólidas horizontais I2 e B2, a corrente em zero e a densidade de fluxo em +Br.





Para ilustrar o fenômeno do "Inrush" sob condições que levarão ao transiente máximo, assumiremos que o circuito é restabelecido no instante indicado pela segunda linha tracejada vertical quando a densidade de fluxo estaria normalmente em seu máximo valor negativo (-Bmax). Desde que o fluxo magnético não pode ser criado ou destruído instantaneamente, a onda de fluxo ao invés de partir com seu valor normal (-Bmax no caso presente) e crescer seguindo a curva tracejada, parte do final de B2, com valor residual +Br e traça a curva B3. A curva B3 é uma curva senoidal deslocada ao invés da característica de saturação do circuito, porque, com uma tensão senoidal aplicada, a força contra eletro-motriz e, portanto, a onda de fluxo tem de ser senoidais. A saturação modifica não o fluxo, mas apenas a corrente de magnetização necessária para produzir o fluxo.

A onda de corrente, correspondente à onda de densidade de fluxo B3, é mostrada como

I3. O valor teórico máximo da curva B3 é Br+2Bmax, e, se o transformador for desenhado para uma densidade de fluxo econômico Bmax, a crista de B3 produzirá super saturação no circuito magnético e produzirá uma crista muito grande na corrente de magnetização.

Deve-se lembrar que a onda de densidade de fluxo controla a corrente e não a corrente

controla a densidade de fluxo. Um exemplo típico de medição de corrente de inrush, está na figura a seguir.





3.15 – Surges (surtos):

São transitórios originados a partir de descargas atmosféricas ou níveis altos de descargas eletrostáticas e por isso são chamados de impulsos atmosféricos e em alguns casos de impulsos eletrostáticos. A característica principal é a frequência alta (> 5 kHz) com um tempo de duração < 200 µs.

A figura abaixo exemplifica este transitório:

3.16 – Notchs (cortes):

Causados por curto-circuitos momentâneos no sistema elétrico devido à comutação de chaves de conversores estáticos. Suas características dependem do tempo de comutação e é relacionada em função da reatância da fonte de energia vista pelo retificador no ponto da onda em que a condição ocorre.





3.17 – Ruído:

Este é o resultado da subreposição à forma de onda de tensão ou corrente, de uma perturbação aleatória, com frequência até 2 MHz. Esta sobreposição agraga componentes estranhas com amplitudes aleatórias. As perturbações podem ser causadas por entrada de cargas que ressonam am alta frequência ou por componentes defeituosos no sistema.

A partir da sua geração, podem se propagar à longas distância até encontrar cargas

susceptíveis e receptoras (consumidoras) em algum ponto do sistema. Um exemplo clássico são os isoladores presentes em linhas de baixa ou alta tensão, atuação de disjuntores quando sentem uma falta à terra, arco elétrico no sistema, centelhamento em abertura de chaves ou escovas de motores, equipamentos de transmissão desbalanceados e “vazando” para o terra ou com retorno para a rede do sistema.

Nos computadores, eles podem atravessar o sistema de filtragem das fontes

(dimensionado só para 60Hz) e motivar um funcionamento errático so sistema além de instabilidades em monitores e unidades de disco.

Conforme a intensidade, os ruídos podem trazer danos permanentes aos

equipamentos. O termo ruído é usado normalmente para sinais indesejados que aparecem durante

um processo de medição e podem interferir com o sinal sendo medido ou tratado como informação.

As fontes de ruídos podem ser classificadas como: -Fontes naturais – temos as descargas atmosféricas e as descargas eletrostáticas. -Fontes artificiais – são aquelas produzidas conforme as seguintes categorias:

- Transmissores e receptores de radiocomunicação; - Linhas de transmissão e subestações de média e alta tensão; - Start de iluminação fluorescente e de descarga; - Aparelhos eletrônicos de audio e vídeo em geral; - Equipamentos de tração elétrica; - Flashes eletrônicos; - Motores elétricos desbalanceados; - Equipamentos de solda elétrica; - Sistemas de comunicação eletromecânica; - Sistemas de Ignição de motores à explosão (rotor e platinado); - Antenas de transmissão desbalanceadas ou não casadas com seus

equipamentos de transmissão; - Dobrada de frequências originadas do espelhamento de ondas de rádio;





fTR Δ∗∗∗∗ κ4

A distância entre a fonte de ruído e a receptora de ruído, tem influência quando as fontes são do tipo artificial. Porém, quando as fontes são naturais, pode haver interações entre fonte e receptor distantes muitos quilômetros, podendo o meio ser o ar ou o solo.

No gráfico abaixo temos um exemplo de ruído. Existem dois tipos básicos de ruído:

- Ruído de interferência: Acontece devido à interação entre campos magnéticos ou elétricos externos com o sistema de medida ou tratamento de informação. Podemos citar como exemplo o ruído produzido pela rede AC. - Ruído aleatório: Acontece devido ao movimento de eletrons e outros portadores de carga em componentes e sistemas eletrônicos. Este ruído pode aparecer nas seguintes formas: - Ruído térmico: é gerado pelo movimento randômico dos eletrons e outros portadores de carga em resistores e semicondutores. A tensão rms de ruído para uma certa largura de banda é dada por: Vn = Onde: k = constante de Boltzmann R = resistência do material T = temperatura absoluta ∆f = faixa de frequência





frdT Δ∗∗∗∗ κ2

≅

- Ruído “shot”: é devido a flutuações na taxa de difusão de portadoras de carga através das barreiras de potencial em junções P-N. A tensão rms de ruído é dada por: Vns = Onde: rd = resistência diferencial do diodo 26/Id (mA) - Ruído (1/f): também chamado de “Flicker noise” deve-se ao fluxo de portadores de carga em médios descontínuos e fica predominante em frequências muito baixas, apresentando uma tensão rms de ruído inversamente proporcional à frequência. - Ruído por má conexão: como o próprio nome diz, nasce de uma má conexão devido a sujeira em contatos, contatos mecânicos mal feitos ou soldas frias.

Com a presença de ruídos, temos os seguintes tipos de interferência:

- Acoplamento galvânico: Quando diversos circuitos apresentam um acoplamento direto de interferências, através do mesmo terra. - Acoplamento indutivo: Também chamado de acoplamento magnético ou eletromagnético. Neste caso uma corrente elétrica circulando num circuito próximo gera um campo magnético varável e que induz uma corrente no sistema de interesse. - Acoplamento capacitivo: Os cabos de energia, terra e condutores do sistema, estão separados por um dielétrico que é o ar e portanto podem existir capacitâncias entre eles, que permitem o acoplamento com o sistema de sinais de ruído. - Terras múltiplos: Se um instrumento apresenta diversas conexões para o terra, isto permite a produção de uma interferência no sistema de medida ou tratamento de informação. - Acoplamento por RF ou microondas: O ruído pode ser acoplado através de ondas de rádio ou microondas. Porém este fato é estudado como Rádio interferência e é alvo do subitem a seguir.





⎥⎦⎤

⎢⎣⎡∗=

VeVcmdBCMRR 10log20)(

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡∗=VnVsdBNS 10log20)(/

A capacidade de um sistema rejeitar ruído é quantificada nas seguintes formas típicas:

- Ruído em modo normal: corresponde àquele ruído que ocorre junto ao sinal medido ou a ser tratado, e o sistema não consegue discriminar esta forma de ocorrência. - Ruído em modo comum: corresponde àquele ruído que aparece entre o terminal de terra e um outro terminal do sistema. Existem métodos (utilização de amplificadores diferenciais) que permitem a redução do ruído que ocorre desta forma. - Ruído em modo diferencial: corresponde àquele ruído que aparece entre dois condutores vivos.

A rejeição em modo comum (CMRR) é a habilidade do sistema de medida ou de

tratamento de informação, reduzir o erro introduzido por um ruído que ocorre da seguinte forma:

Onde: Vcm = Valor de pico do ruído em modo comum Ve = Valor de pico do erro produzido a uma certa frequência.

A relação sinal ruído é a razão entre a potência do sinal e a potência do ruído no

sistema de medida ou de tratamento de informação. Com o resultado deste cálculo, temos a condição de escolher o tipo de instrumento é necessário para realizar a medição.

Onde: Vs = Tensão do sinal Vn = Tensão do ruído.

Esta é uma matéria muito vasta, e deve ser tratada com propriedade e por

profissionais especialistas no assunto. Porém, o que devemos ter em mente, é que quando nos depararmos com situações em que seja preciso tratar ou atenuar ou filtrar o sinal, temos que ter a segurança de não alterar o sinal de dados para medição ou tratamento deste, e portanto não alterar a natureza do processo do sistema.

Esta teoria faz parte dos estudos da Compatibilidade Magnética e aqui temos a

intenção de citar os tópicos para mostrar que existem e podem ser um grande problema em suas pesquisas de campo.





3.18 – Rádio-interferência:

Diferente do ruído, apesar de ser considerado a causa de ruídos, que se propaga pela rede elétrica, a Rádio interferência é gerada fora do sistema elétrico, se propagando pelo ar e captada por algum componente ou equipamento do sistema. Seus níveis produzem a poluição eletromagnética e dependendo da sua magnitude, geram mais problema do que a poluição elétrica. É intermitente e são de alta frequência, na faixa de 0,5 à 100 MHz ou mais. Pode ser gerada por distúrbios nas ERBs celulares, nos transmissores de TV, nas estações de rádio comercial ou amador, nas subestações em alta tensão, nas máquinas de eletro-erosão, nas operações desbalanceadas de fornos de indução e muitos outros.

É claro que os níveis de interferência das ondas dependem dos seguintes fatores:

- Potência da fonte geradora de ruído e por conseguinte do valor dos campos eletromagnéticos, tensão e corrente envolvidos;

- Valor das frequências geradas na fonte de ruído; - Suscetibilidade dos equipamentos presentes no ambiente do sistema; - Técnicas e equipamentos utilizados na minimização das interferências

eletromagnéticas; As interferências por radio frequência e eletromagnéticas são responsáveis pela

maioria dos problemas de performance dos sistemas e seus protocolos de transmissão, dos quais podemos citar:

- Acoplamento eletromagnético entre cabos ; - Perda de bits, incrementando o BER (Bits error rate); - Perda de bits devido à dificuldade de leitura de sinais nos sistemas de rádio; - Incremento do erro de sinal, em sistemas que utilizam o PCM (Pulse Code

Modulation), pela introdução de níveis de tensão que dificultam a leitura de sinal. A Rádio-interferência é medida pela emissividade e susceptibilidade dos

equipamentos no meio em que estão inseridos no sistema. Este fenômeno pode ser conduzido ou irradiado. Portanto temos:

- Emissão Irradiada – quando um sistema apresenta um de seus componentes gerando sinais eletrônicos de alta frequência. As partes metálicas podem funcionar como antenas de irradiação não intencional, da energia eletromagnética interferente, poluindo eletromagneticamente o meio ao qual todo o sistema está inserido. - Emissão Conduzida – quando um sistema de conexão (cabos de aterramento, de energia e de comunicações) apresenta amplitudes de correntes de interferência no sistema, contaminado pelos equipamentos emissores dentro do ambiente ou mesmo fora dele dependendo da amplitude do sinal irradiado.





- Suscetibilidade Irradiada – quando um sistema apresenta uma configuração tal que seus componentes passam a ter a capacidade de captar ondas eletromagnéticas presentes no ambiente em que estão funcionando, causando problemas em seu funcionamento devido a influência da energia eletromagnética interferente. - Suscetibilidade Conduzida – quando um sistema apresenta alterações no seu funcionamento normal devido aos sinais interferentes vindos através de cabos e conexões.

Mas dentro deste contexto, temos o diagrama a seguir com os diversos caminhos da

rádio-interferência. Do lado esquerdo temos os sinais a serem transmitidos e do lado direito temos os sinais espúrios e ruídos.





O controle sobre o meio ambiente (ar, solo ou outro) eletromagnético do sistema é de uma dificuldade enorme para os pesquisadores, já que os fatores que o determinam muitas vezes não são passíveis de controle.

Num sistema de transmissão e recepção, temos os sinais a serem transmitidos e os

sinais indesejáveis em forma de ruídos e espúrios, que são gerados pelo próprio sistema. As interferências supra sistema e intra-sistema é que devem ser compatibilizadas de forma que o sistema como um todo absorva ou conviva com níveis rebaixados para que seja mantido a operacionabilidade do sistema.

Com a presença da Rádio-interferência pode surgir um efeito chamado ECO, que

em linhas de transmissão de dados causam efeitos similares ao ruído e em menor escala, podem surgir nas linhas de alimentação e controle de sistemas industriais.Toda vez que há uma mudança de impedância numa linha, ondas de sinais serão refletidos e voltarão por esta mesma linha, podendo corromper os sinais que estão sendo transmitidos. Não devemos confundir o efeito ECO com o Ringing, apesar da causa ser a mesma: Falta de casamento ideal de impedância.

Portanto, a medida certa de um projeto de solução, é eliminar ou rebaixar ao máximo

os ruídos originados na fonte. Quando não se tem acesso à fonte, deve-se diminuir a susceptibilidade do receptor. Quanto ao meio ambiente eletromagnético, deve-se tentar reduzir as possibilidades dos caminhos.

Num exemplo de um circuito de alimentação ligando um QGBT e um equipamento,

onde há uma incidência de descarga atmosférica sobre a linha ou próximo dela, temos a propagação de um surto para o equipamento. A linha é o meio conduzido para o surto e é o receptor com relação à descarga. Já que não é possível eliminar a fonte, deve-se estudar a possibilidade de transferir a corrente da descarga para o solo. Mas o equipamento em relação à linha é um receptor e também deve ser protegido com filtros e supressores.

Da mesma forma, podemos fazer uma analogia com descargas eletrostáticas, que

são geradoras de radio-interferência, em sistemas elétricos fechados, com fonte geradora, meio conduzido ou induzido e receptor.

Os problemas envolvendo rádio-interferência crescem dia a dia, quantitativamente e

qualitativamente, levando a engenharia de pesquisa e solução ao desenvolvimento de respostas para tais problemas.





3.19 – Descarga Eletrostática - ESD:

Este também é um dos maiores fantasmas nas instalações elétricas. Seja num

sistema hospitalar, telecomunicações ou industrial, os resultados sempres são catastróficos. Também em função do grande avanço tecnológico da eletrônica em geral, onde temos os semicondutores se tornam cada vez menores, consumindo menos energia e consequentemente se tornando cada vez mais sensíveis aos transientes externos. Como toda evolução tem um preço (ou vários), neste caso temos a conta expressa na grande sensibilidade dos componentes eletrônicos às descaragas eletrostáticas, conhecidas por ESD (Electrostatic Discharge), impondo uma prevenção contínua no sistema.

A exigência de altos investimentos para a prevenção e controle das cargas

eletrostáticas geradas nos sistemas para se evitar que elas sejam descarregadas nos componentes ou circuitos eletrônicos, pois caso ocorra, os danos materiais e financeiros sempre são bem maiores. Portanto, as providências para se evitar descargas eletrostáticas devem ser tomadas em todos os processos aos quais os componentes estão sujeitos tais como manuseio, empacotamento, armazenagem até a montagem final e operação destes.

Mas as cargas eletrostáticas não são apenas um mal que deve ser evitado a

qualquer custo. Elas podem ser muito úteis se soubermos dominá-las. Alguns equipamentos utilizados hoje em dia têm seu funcionamento baseado nos efeitos dessas cargas como, por exemplo, as copiadoras eletrônicas, impressoras laser e o “fax”, que operam por eletroscópia. Esta consiste em se “carregar” a área do papel que será impressa com cargas estáticas que atrairão as partículas de tinta (conhecida como toner) e posteriormente fundir estas partículas ao papel através de um rolo aquecido, por isso é que os papéis costumam sair quentes destas máquinas.

A eletricidade estática é uma carga elétrica em repouso, e normalmente é criada por

fricção e separação. A fricção causa o calor que excita as partículas moleculares do material. Quando dois materiais são então separados, pode haver uma transferência de elétrons de um material para o outro. A ausência ou excesso de elétrons, cria um campo elétrico conhecido como eletricidade estática. A separação simples de dois materiais, pode gerar campos elétricos estáticos.

O volume de eletricidade estática gerada depende dos seguintes fatores:

- do tipo de material sujeito à fricção ou separação, - da quantidade de fricção ou separação a que os materiais estão sujeitos, - da temperatura e umidade relativa do ambiente ou meio.

Como material podemos citar o plástico comum. Em condições de umidade relativa do ar baixa, criado quando o ar fica aquecido durante o inverno, também promove a geração de cargas elétricas estáticas significantes.





Os materiais que facilmente transferem elétrons (ou assumem carga) entre átomos são chamados condutores e parecem ter "elétrons livres”. Como exemplo de condutores temos metais, carbono e a camada de suor do corpo humano. Os materiais que não transferem facilmente elétrons são chamados isoladores. Alguns isoladores conhecidos são plásticos, vidro e ar. Ambos os condutores e isoladores podem ficar "carregados" com eletricidade estática. Quando um material é carregado, fica habilitado para descarregar rapidamente quando chegar perto de outro com um potencial diferente.

Os estragos provocados pelas descagas eletrostáticas dependem de diversas

variáveis tais como: - a tensão desenvolvida (que depende da quantidade de cargas acumuladas); - como ela é descarregada (a resistência que ela encontra no caminho); - a sensibilidade do material ou componente atingido (tipo de material); - o nível da umidade relativa do ar.

Muitas de nossas atividades comuns e diárias podem gerar cargas em nosso corpo

que são potencialmente prejudiciais para os componentes eletrônicos. Alguns exemplos são apresentados na tabela abaixo:

UMIDADE RELATIVA DO AR 65 a 95 % 10 a 20 %

Atividades geradoras de eletricidade estática Tensão Eletrostática (V)

Caminhar sobre o carpete 1.500 35.000

Caminhar sobre o um piso de vinil sem tratamento 250 12.000

Sentar numa cadeira com estofamento de vinil 700 6.000

Sentar numa cadeira com estofamento de poliuretano 1.500 18.000

Manuzear um envelope vinil de sedex ou malote 600 7.000

Pegar uma sacola plastica 1.200 20.000

Trabalhador numa bancada 100 6.000 A descarga eletrostática, em seu modo de fluir (ser descarregada), depende de

alguns fatores tais como a origem da descarga: - proveniente do corpo humano, - proveniente de uma máquina, - carga natural do componente que é indiscriminadamente aterrado, - carga eletrostática gerada para produzir trabalho (caso das copiadoras).





No caso do corpo humano, as resistências elétricas aproximadas encontradas são dadas na tabela abaixo

Parte do corpo humano que serve

de caminho para a ESD Resistência elétrica

Ponta dos dedos Aproximad. 10 kohms

Palma da mão Aproximad. 1 kohms

Mão segurando um objeto metálico Aproximad. 500 ohms Como foi citado, a sensibilidade do material ou componente é outro fator a ser

considerado. Na tabela abaixo temos as tolerâncias de alguns tipos de componentes semicondutores.

Dispositivo eletrônico Tensão máxima suportada (Volts)

MOSFET 100 a 200

JFET 140 a 10.000

CMOS 250 a 2.000

SCR 680 a 1.000

Diodo Schottkly, TTL 300 a 2.500

Transistores Bipolares 380 a 10.000 Pense na Estática Como Contaminação.

O prejuízo causado por eventos invisíveis e indetectáveis podem ser entendidos comparando a ESD com a contaminação hospitalar do corpo humano por vírus ou bactéria. Embora vírus e bactéria são invisíveis, eles podem trazer danos severos até antes de se poder descobrir sua presença. Uma defesa contra esta ameaça invisível é a esterilização.

Para o empregado, a ameaça escondida na descarga eletrostática deve ser de grande preocupação. A ESD pode reduzir significativamente a rentabilidade da empresa. Isto pode afetar seu lucro, habilidade da mesma em competir no mercado globalizado e até o emprego dele. Todo mundo gosta de ter orgulho em seu trabalho, mas sem a ESD adequadamente controlada, seus melhores esforços podem ser destruídos por eletricidade estática que não é sentido e nem visto.





3.20 – Descarga Atmosférica (raio):

Mesmo sendo um fenômeno natural, inserimos este tópico por considerarmos que sua ocorrência causa muitos distúrbios nos sistemas de energia e pelo fato do mesmo ser citado em alguns pontos deste trabalho. Mas o assunto deve ser pesquizado nas bibliografias de vários autores estudiosos do assunto, tanto na área de aterramento elétrico quanto na área de geologia.

Por isto, temos aquí, apenas uma breve teoria para explicação do fenômeno e para

elucidação de alguns distúrbios que surgem em função deles.

3.20.1 - HISTÓRICO DO RAIO:

Segundo estudos arqueológicos executados nas décadas de 40 e 50, em diversos locais do planeta, ficou comprovado que o fenômeno “raio” sempre existiu, fazendo parte inclusive da formação geológica da terra e de sua evolução.

A ciência atesta que há milhões de anos, no processo de resfriamento do planeta,

tempestades violentas existiam em abundancia. Com o resfriamento da terra, as tempestades se estabilizaram, mantendo-se num equilíbrio natural.

Como a ação do raio é acompanhada pela luminosidade e trovoada, sua presença

sempre foi respeitada e observada, tendo-se encontrado registros arqueológicos como indica o quadro a seguir:

Arqueólogo Nacionalidade do arqueólogo

Local da expedição

Ano de referência

Local de referência

James E. Knudstad

Americano Univ. de Chicago

Nippur Eridu

Tepe Gawra

1200 a. C. 5000 a. C. 3500 a. C.

Mesopotâmia

Howard Carter Inglês Gizé 1100 a. C. Egito

Wilhelm W. Kuehn Alemão Sacai e Nara 1500 a. C. Japão

G. H. Luquet Francês Egina Mégara 700 a. C. Grécia

A. Hermann Alemão Nepal 9000 a. C. África

Na idade antiga, o raio estava sempre associado a deuses e divindades, sendo

fartamente apresentado na literatura grega de 700 a. C., onde temos os registros mitológicos





de Zeus (Deus do raio). Também temos registros na mitologia chinesa, onde encontra-se Tien Mu (Deusa da trovoada) e Lien Tsu (Deus do Trovão). O fenômeno raio passou a ser tão rotineiro naquela época, que a partir de certa data encontramos vários registros em diversos documentos e manuscritos, que são citados inclusive na Bíblia.

Antigamente, os efeitos destrutivos do raio eram associados às pedras

incandescentes que violentamente caíam do céu na ponta do raio. Só no século XVIII começaram os pesquizadores a associar o raio aos fenômenos da descarga elétrica das cargas acumuladas nas nuvens. Deste modo, o arco elétrico associado à descarga explicou a luminosidade do raio, sendo que a trovoada é produzida pelo rápido aquecimento e expansão súbita do ar.

Ainda no século XVIII, temos diversas experiências de alguns cientistas que

contribuíram para deixar o início das grandes pesquisas e descobertas de nosso século. Benjamin Franklin e Romas, mostraram através de uma experiência de empinar

uma pipa durante uma tempestade, a existência de cargas elétricas nas nuvens. Franklin registrou que sentiu pequenas descargas elétricas intermitentes pelo seu corpo.

Éster e Geitel explicam a formação de cargas nas nuvens, e consequentemente a

formação dos raios. O pesquisador russo G. W. Richman não teve a mesma sorte, pois ao repetir a

experiência de Franklin, morreu fulminado pelo raio que caiu em sua pipa, mostrando assim o caminho a ser seguido pelos pesquisadores a respeito de escoamento da descarga.

Alguns pesquisadores americanos e alemães, amarraram balões e pipas ao corpo

de animais, para estudar os efeitos e reações fisiológicas dos animais devido ao raio. Com a evolução tecnológica dos tempos atuais, foram montados alguns laboratórios

nos Estados Unidos e em alguns pontos da Europa, onde usa-se processo mais sofisticado, como o de criar entre o laboratório e a nuvem um caminho de ar ionizado produzido pelo lançamento de foguetes. Através desse caminho, a probabilidade do raio escoar para terra é maior, possibilitando um melhor exame do raio através de máquinas fotográficas rotativas especiais de alta velocidade, que foram desenvolvidas para congelar várias tomadas sucessivas do raio, bem como através de oscilógrafos especiais para acompanhar sua performance.

Os estudos evoluiram e chegaram aos efeitos dos raios depois que tocam a terra.

Seus efeitos dissipativos rasos e profundos no solo, a geração de correntes telúricas e seus fluxos pelo solo, frequências espúrias geradas, diferença de potencial entre pontos distantes e pontos justos, o efeito de saturação do solo nas suas diversas camadas e muitos outros que vão de encontro às nossas necessidades de gerar proteções cada vez mais eficazes para os sistemas elétricos em geral.





3.20.2 - FORMAÇÃO DO RAIO:

Segundo alguns estudos, as nuvens que mais freqüentemente dão margem a raios são os nimbus e os cúmulus, que na Europa estão entre os 300 e os 1000 metros de altura sobre o nível do solo. Em geral estas nuvens têm base plana de 3 a 15 km², que se apresenta carregada negativamente, enquanto o cume da nuvem assume carga positiva.

A parte da superfície terrestre que se encontra diretamente sobre a base da nuvem,

se carrega positivamente por indução eletrostática. Com isto, podemos reduzir o fenômeno ao que acontece em um condensador quando o dielétrico está submetido a uma tensão tal que se perfura.





Sabemos que antes de chegar à perfuração, o dielétrico sofre uma espécie de infiltração filiforme ramificada que precede o fenômeno final e que se inicia de modo mais acentuado na armação negativa, enquanto que a ação da armadura positiva sobre o dielétrico é menos apreciável. A penetração efetua-se por saltos e com uma certa velocidade, até conseguir a formação de um caminho contínuo e a conseqüente descarga de perfuração.

Na formação dos raios observam-se os mesmos fenômenos, quer dizer, a

constituição de uma espécie de canalização filiforme devido à ionização de capas cada vez maiores da parte da atmosfera situada entra a nuvem e a terra, que conduz para esta uma descarga negativa, lenta e pouco luminosa, que não progride de modo contínuo, mas segundo direções imprevisíveis e com paradas no avanço.





Ao mesmo tempo, do terreno, e especialmente das proeminências do mesmo, casas, árvores, etc., parte uma descarga idêntica e de sinal oposto, denominada “Descarga de Chamada”, que se alarga para o alto até encontrar o canal ionizado devido à ação da nuvem. Neste momento acontece a perfuração do dielétrico com uma descarga final, chamada “Descarga de Retorno”, de grande luminosidade e que dá origem ao trovão. Se estas descargas não forem suficientes para neutralizar toda a carga da nuvem, forma-se então uma sucessão de descargas contínuas da nuvem, até que seja atingido o equilíbrio.

Observou-se que o comprimento da descarga é tanto maior quanto mais elevada é a

estrutura da qual procede, com respeito ao terreno que a rodeia, o que explica a freqüente queda de raios no cimo das montanhas ou edifícios de altura considerável, dado que muitas vezes a descarga de chamada chega diretamente à nuvem.





A espessura do canal de descarga, depende da resistência que o meio dielétrico impõe, da distância entre o ponto de ignição e o de dispersão na terra, do volume de carga a ser escoada e do nível de dispersão encontrado no solo. Para um mesmo instante de escoamento, podemos ter várias ramificações com diferentes espessuras do canal.

Isto é devido ao fortíssimo gradiente que existe no extremo superior de tais

estruturas. Uma estatística norte-americana assinala uma média anual de dois raios para as estruturas de altura não superior aos 200 m, enquanto que para alturas superiores à média, aumenta consideravelmente. Estes valores não devem ser interpretados em modo absoluto,





porém como resultado obtido considerando o número médio de raios caídos em um período de um considerável número de anos.

Ao longo do movimento e fluxo do canal principal, formam-se caminhos secundários

que devido a influência de cargas na atmosfera ao redor do canal e dentro da própria nuvem, além da ionização do ar, vão se formando as ramificações com diâmetros bem menores do que o canal principal, com corrente média de 1 KA, fazendo com que esses canais se estinguam na própria nuvem ou atmosfera carregada, não chegando ao solo, conforme mostra a sequência de figuras a seguir.





Aproveitamos para esclarecer aqui, a diferença entre raio, relâmpago e trovão

segundo alguns autores e pesquisadores:

- Raio: é a própria descarga elétrica que ocorre para a neutralização das nuvens carregadas através de uma descarga que ocorre entre a nuvem e a terra. - Relâmpago: é o efeito luminoso causado pelo arco elétrico do raio, ou seja é uma enorme centelha elétrica que salta de uma nuvem para outra de diferente carga ou dentro da própria nuvem, causando assim uma descarga dentro da nuvem, ou ainda da nuvem para a terra. - Trovão: é o deslocamento da massa de ar que circula o caminho do raio em função da elevação da temperatura (de até 30.000 graus), provocando a expansão do ar e por isto o estrondo sonoro. - Corrente Eletrônica: é o fluxo de descarga originada na nuvem e que parte em direção à terra, percorrendo um caminho tortuoso e geralmente ramificando-se. Estas descargas não são contínuas, mas se processam em





etapas de algumas dezenas de metros e com intervalos de repouso de algumas dezenas de microsegundos. Também conhecidas como descargas piloto. - Corrente Iônica: é o fluxo de descarga que se origina na terra indo de encontro à descarga piloto, para formar a descarga principal. - Corrente principal: é formada pelo encontro da corrente iônica com a corrente eletrônica, formando um fluxo de intensidade muito alta (pode chegar a valores de 250 kA dependendo da largura do canal) que segue para a terra, provocando uma disruptura alta e por conseguinte o famoso trovão.

A distância entre a corrente iônica e a corrente eletrônica é que vai determinar o valor da corrente principal (corrente de retorno ou descarga principal). Abaixo temos uma tabela de referência para alguns valores em relação à distância entre elas:

Distância entre a corrente iônica e a eletrônica (m)

Nível da corrente principal (kA)

20 de 1 a 5 50 de 5 a 15

100 de 15 a 50 200 de 50 a 100 250 de 100 a 250

Quanto maior a magnitude da descarga principal descarregada no solo, dependendo

das características deste e da conformidade da estrutura de dispersão enraizada nele, maior a probabilidade de disruptura deste solo, saturação de camadas, formação de fluxos de correntes com frentes de ondas de frequências altíssimas com velocidades de propagação de ondas altas também. Também temos que quanto maior a frequência, menor o tempo de dispersão em função do meio de propagação.

Alguns autores consideram o relâmpago simplesmente o efeito luminoso. Mas as

diversas teses e postulados existentes teorizam que o raio sempre é composto do efeito elétrico, luminoso e sonoro.

Como a luz é mais rápida do que o som, muitas vezes ouvimos o trovão bem depois

de vermos o raio ou relâmpago. Para saber a que distância caiu o raio, é só contar o tempo entre a ocorrência luminosa e a sonora e dividir o resultado por 3. Como exemplo temos um tempo de 12 segundos. Este dividido por 3 nos dá uma distância aproximada de 4 Km.

Alguns estudos e levantamentos meteorológicos de institutos oficiais e das Forças

Armadas, indicam uma estatística média anual de 1,2 raios para as estruturas de altura até 50 m do solo, independente da altitude da região e para as estruturas com altura superior, a média anual chega a patamares bem maiores (considerar na ordem de 12,8 raios), dependendo da região e de sua composição dentro dos mapas isoceráunicos.





Os mapas isoceráunicos e em especial as linhas isoceráunicas neles traçadas constituem uma boa base para o estudo da freqüência do fenômeno, posto que no projeto da instalação necessária na proteção das edificações, pode ser útil, seguindo as linhas, informando-se do que se fez em casos semelhantes e quais foram os resultados obtidos em outras instalações.

Temos abaixo um exemplo do mapa isoceráunico da região sudeste.





Ι∗∗

=S

LV ρ

3.20.3 - APÓS A QUEDA DO RAIO:

A maioria dos estudos estão voltados para o fenômeno em si ou para os seus efeitos em relação aos sistemas de proteção. Poucos são os estudos dedicados ao fenômeno durante a sua dissipação no solo. Para efeito de pesquisa no setor de proteção e mais especificamente no que diz respeito às malhas de aterramento, é de suma importância os estudos realizados na geologia, pelos pesquizadores de renome tais como Orellana da Espanha, Prof. Kunetz de Berlin, Prof. Dr. Antonio C. O. Braga da UNESP de Rio Claro – SP, e poucos mais, que tiveram parte de seus estudos e pesquisas voltados para este lado do assunto.

Este assunto está intimamente relacionado com a característica geoeletrica do solo.

A seguir temos uma explicação do fenômeno da condutividade do solo, segundo o material didático intitulado Métodos Geoelétricos Aplicados do Prof. Dr. Antonio C. O. Braga da UNESP de Rio Claro – SP.

Observando-se os conceitos fundamentais da resistividade elétrica aplicados em

relação as propriedades fundamentais dos materiais, temos a Lei de Ohm que define uma relação empírica entre a corrente fluindo através de um condutor e o potencial de voltagem requerido para conduzir a corrente, em sua formulação V = R * I. Aumentando o comprimento do condutor, o valor da resistência aumenta e se diminuirmos o diâmetro do condutor, o valor da resistência também aumenta. Levando-se em consideração a natureza e o estado físico do material, temos a formulação:

Portanto, a resistividade é o produto da tensão pela corrente por uma longitude

(ohm.m). Abaixo temos a forma de onda típica de uma corrente de descarga atmosférica.





E abaixo temos a forma de onda completa. O tempo de duração do raio vai depender da amplitude da descarga, da resistência

que esta encontra no solo para seu escoamento, das características da frente de onda e das modificações impostas pelo fenômeno ao ar que é o seu dielétrico, tais como a ionização deste. Segundo estudos específicos da área, os raios do tipo negativo tem a intensidade de corrente maior do que os positivos e portanto, sua curva característica tem duração maior e com picos mais carregados.

Um solo pode ser considerado como sendo um agregado com estruturas de minerais

sólidos, líquidos e gases, onde sua resistividade é influenciada pelos seguintes fatores: - resistividade dos minerais que formam a parte sólida do solo, - resistividade dos líquidos e gases que preenchem suas lacunas ou poros, - umidade, - porosidade, - textura e a forma e distribuição das lacunas, - processos que ocorrem na quantidade de líquidos nas lacunas e a estrutura mineral, tendo como exemplo o processo de absorção de íons na superfície dos minerais, diminuindo a resistividade total deste solo.

Os mecanismos de propagação das correntes elétricas pelo solo podem ser do tipo:





- condutividade eletrônica que deve-se ao transporte de eletrons na matriz do solo, sendo a resistividade ditada pelo modo de agregação dos minerais e pela quantidade e caracterítica das lacunas existentes. - condutividade iônica que deve-se ao deslocamento dos íons existentes nos líquidos contidos nas lacunas do solo, sedimentos inconsolidados ou fissuras deste solo.

Logo, a resistividade do solo é função decrescente da quantidade de água, da natureza dos sais dissolvidos e da porosidade (quantidade de micro lacunas) total comunicante. Isto explica as diversas variáveis da resistividade para os diversos tipos de solo ditando seus comportamentos frente às descargas elétricas no solo e ao comportamento das malhas no mesmo.

Tomando-se como ponto de partida do estudo a descarga elétrica em um ponto do

solo, a uma distância de uma malha de terra, considerando que a corrente flui a partir do ponto de inserção, radialmente ao longo de linhas diretas, haverá uma diferença de potencial nos pontos de dispersão desta malha.

Porém, ao analisarmos o mesmo ponto onde houve a incidência da descarga,

dizemos que o solo ficou saturado, ou seja com a passagem abrupta da grande amplitude de corrente num tempo muito curto, houve o consumo dos líquidos deste solo (por evaporação), consumindo parte dos sais e a outra parte cristalizou, havendo tambem a expanção dos sólidos em função do calor desprendido, fazendo com que a resistência do solo aumentasse. Normalmente, após o fenômeno, o solo fica com uma característica meio escura.

Caso esta descarga caia numa malha de terra, ou seja canalizada para ela,

acontecerá o mesmo com o solo em seu entorno, e o mesmo deverá ser tratado para retomar as características de dispersão. Levará um tempo para a recuperação natural, mas com os compostos existentes, do tipo GEM, encurta-se o tempo de recuperação. Esta teoria pode ser explicada pela tese de Ward (1990). Este fenômeno varia de solo para solo. Tambem temos a disruptura do solo em torno das hastes dependendo da amplitude da corrente da descarga. Mas a inércia desta disruptura pode ser prorrogada com o GEM, que tem uma estrutura de material que resiste mais ao nível de corrente e principalmente à frente de onda, pois com a maior dispersão de frequência, leva ao escoamento mais rápido e sem degradação do material, dependendo é claro da intensidade de corrente.

Também temos o efeito da ionização do solo, principalmente ao redor das hastes,

que só se inicia depois de alcançado um determinado valor de densidade de corrente. O efeito de ionização é similar ao do Efeito Corona, diferenciados pelo meio que é o solo para o primeiro e o ar para o outro. Alguns modelos já foram propostos, mas o de melhor explicação do fenômeno, e que nos dá a descrição do comportamento dinâmico das características de aterramentos concentrados é o de Liew e Darveniza. No medelo propostos por eles, o solo é caracterizado por tres zonas, dependentes da resistividade do solo e da densidade de corrente conforme nos mostra a figura a seguir.





Os potenciais que surgem, podem estar ligados à presença dos minerais que

formam a parte sólida do solo, atividade bioelétrica de materiais orgânicos, gradientes térmicos e de pressão nos líquidos e gazes existentes e as camadas características do mesmo solo.

3.20.4 - CONSEQUÊNCIAS DO RAIO:

Um raio ao cair na terra, pode provocar grandes efeitos de destruição, devido ao alto valor de sua corrente elétrica que gera intensos campos eletromagnéticos, calor, e outros.

Além dos danos causados diretamente pela corrente elétrica e pelo intenso calor, o

raio pode provocar sobretensões em redes de energia elétrica, em redes de telecomunicações, de TV a cabo, antenas parabólicas, redes de transmissão de dados e praticamente todos os sistemas que são consumidores de energia elétrica.

Essa sobretensão é denominada Sobretensão Transitória. Por sua vez, as Sobretensões Transitórias podem chegar até as instalações elétricas

internas ou de telefones, de TV a cabo ou de qualquer unidade consumidora como residência, comércio e serviços indústriais. Os seus efeitos, além de poder causar danos a pessoas e animais domésticos, podem:





- Provocar a queima total ou parcial de equipamentos elétricos ou danos à própria instalação elétrica interna e telefônica entre outros. - Reduzir a vida útil dos equipamentos; - Provocar enormes perdas, com a parada de equipamentos, etc.

É importante salientar que as redes de energia elétrica, de telecomunicações são obviamente totalmente separadas uma das outras.

As Sobretensões Transitórias originadas de descargas atmosféricas podem ocorrer

de dois modos:

- Descarga Direta: o raio atinge diretamente uma rede elétrica ou telefônica. Neste caso, o raio tem um efeito devastador, gerando elevados valores de sobretensões sobre os diversos circuitos. - Descarga Indireta: o raio caindo a uma distância de alguns quilometros de uma rede elétrica . A sobretensão gerada é de menor intensidade do que a provocada pela descarga direta, mas pode causar sérios danos. Essa sobretensão induzida acontece quando uma parte da energia do raio é transferida através de um acoplamento eletromagnético com uma rede elétrica.

A maior parte das Sobretensões Transitórias de origem atmosféricas que causam danos a equipamentos, são ocasionadas pelas descargas indiretas.

A ação destruidora dos raios se deve às elevadas amplitudes de corrente e tensão,

causando aquecimento e efeitos danosos. Já a ação de intermitência e interferência se deve à intensidade dos campos e ondas eletromagnéticas que por sua vez espalham frequências espúrias que são impossíveis de se planificar tais como a tensão e corrente.

Não podemos deixar aqui de comentar sobre o fenômeno do poder das pontas que

ocorre porque, em um condutor eletrizado a carga tende a se acumular nas regiões pontiagudas, criando um campo elétrico maior que nas regiões mais planas.

Assim se aumentarmos continuadamente a carga elétrica no condutor, a intensidade

do campo elétrico em torno dele aumentará também, até que na região pontiaguda o valor da rigidez dielétrica do ar será ultrapassado antes que isto ocorra nas demais regiões.

Portanto nas proximidades da região pontiaguda que o ar se tornará condutor e será

através da ponta que a carga se escoará. É por isso que quando estamos em um campo aberto, não é aconselhável ficarmos

em pé ou debaixo de alguma árvore, pois podemos criar em volta um campo elétrico que poderá romper a rigidez dielétrica do ar fazendo com que este se torne condutor e ocorra uma descarga elétrica entre a pessoa ou a árvore e a nuvem.





Conhecendo o poder das pontas, Benjamim Franklin teve então a idéia de construir um dispositivo que exercesse uma proteção contra raio. Este dispositivo, o pára-raios exercerá função de criar em volta dele um ar com características condutoras que fará com que o raio caia sobre ele e não em qualquer lugar da vizinhança. É por isso que uma edificação sempre tem que ter um pára-raios ou estar na zona de proteção de algum outro.

A partir desta mesma teoria, alguns autores desenvolveram os estudos técnicos e

matemáticos do poder das pontas para o solo, principalmente em função das hastes de aterramento, salvaguardando algumas características e efeitos, principalmente no que diz respeito à dispersão ou concentração de ondas eletromagnéticas.

Também temos estudos de alguns autores a respeito do efeito de ionização do solo

para sistemas de aterramento quando submetidos a elevados valores de correntes impulsivas e a geração de campos e saturações eletromagnéticas. Estes efeitos nos interessa em função da nossa filosofia de trabalho e pesquisa no campo da Eficiência Produtiva dos sistemas elétricos industriais.

Queremos ainda citar os efeitos das perturbações de um choque em um ser humano

que variam e dependem de: - Percurso da corrente elétrica pelo corpo; - Intensidade da corrente elétrica; - Tempo de duração de um choque; - Espécie da corrente; - Freqüência da corrente; - Estado de umidade da pele; - Condições orgânicas do individuo.

As perturbações no indivíduo manifestam-se por parada respiratória, parada

cardíaca, necrose, e alterações no sangue. Existem bibliografias especializadas neste assunto, tanto na área de engenharia e principalmente na área médica com inúmeros e vastos estudos de casos que podem explicar melhor e mais cientificamente os efeitos e sequelas das descargas atmosféricas em animais e seres humanos.

As abordagens deste assunto em relação às diversas áreas, em seus

desenvolvimentos técnicos, matemáticos, físicos e geométricos prevalecem até hoje através de diversos estudos, sendo constantemente complementados em função das modelagens e trabalhos novos que vão sendo adicionados. Mas sempre temos como base, os trabalhos dos grandes autores e profissionais aqui cotados.

3.21 – Interrupções transitórias:

São as interrupções cuja perda de potência ocorre durante 0,5 ciclo ou mais.





3.22 – Interrupções momentâneas:

É uma subdivisão da interrupção transitória, e fica definida pela perda de potência completa menor que 2 segundos.

3.23 – Interrupções temporárias:

Esta subdivisão é definida pela perda de potência completa com duração maior que

2 segundos e menor que 1 minuto. 3.24 – Interrupções sustentadas:

Aqui temos a perda de potência completa com duração maior que 1 minuto.

Os estudos apurados devem caracterizar (ou parametrizar) a existência dos diferentes

tipos de distúrbios, e ver quais os níveis que os equipamentos ou o sistema podem tolerar e os que estão presentes no sistema em estudo.

De uma maneira ou de outra, os distúrbios elétricos contribuem para a instabilidade dos

sistemas e consequentemente para a ineficiência produtiva do mesmo, em função da severidade do estressamento ou do line-board da instabilidade desses sistemas de potência.

A partir dos fenômenos conceituais aqui descritos, que estão geralmente envolvidos com

as instabilidades de tensão, corrente e principalmente frequência, temos que a sistematização da Engª de Solução e Pesquisa, deve reconhecer as seguintes características:

- instabilidade de tensão em seu período de atuação, - instabilidade de corrente, - instabilidade de frequência, - instabilidade transitória de ângulo, - instabilidade de ângulo de pequeno sinal.

Todos os fenômenos aqui descritos estão relacionados com o nosso foco de estudo que

é harmônicos, frequências espúrias e instabilidades na frequência fundamental e frequências de transmissão de dados e sinal; tanto na alimentação quanto no terra. Podemos afirmar que qualquer destes distúrbios, ou causam ou são causados por harmônicos e frequências espúrias.





( )%1001

2

2

×=∑V

VDHV

n

n

T

( )%1001

2

2

×=∑I

IDHI

n

n

T

4 – AS DISTORÇÕES HARMÔNICAS

Como já foi citado, a distorção harmônica produz uma forma de onda que é não-senoidal e repetitiva. Tal forma de onda pode ser decomposta em uma fundamental V1 e as harmônicas V2, etc.. Usualmente, a maioria dos profissionais de engenharia, ligados indiretamente à sistemas e instalações elétricas de potência, apenas estudam as harmônicas no máximo até a sua 20ª ordem, considerando as de ordens maiores como despresíveis. Este é um erro fatal para a diagnose e mitigação efetiva de um sistema com problemas.

Por enquanto, vamos nos ater ao caso da tensão rms que é dada por: V=√(V12+ V22+...+ V202) A tensão harmônica é definida como: VH=√( V22+...+ V202) e portanto pode ser calculada como VH=√( V2 – V12) A Distorção Harmônica Total (THD) é definida como THD= VH / V1 (%) Portanto temos as expressões abaixo para tensão e corrente respectivamente:

Harmônicas em excesso são uma preocupação uma vez que podem causar aquecimento em máquinas síncronas / de indução, interferência em sistemas de comunicação e transmissão de dados ou danos a capacitores e computadores.

As Harmônicas podem ser medidas com medidor portátil específico ou por um

monitor de QE. O segundo é preferível quando as harmônicas são variáveis. Os limites aceitáveis são regulamentados pelas normas da IEEE e IEC, conforme os descritivos a seguir.





NORMAS RELATIVAS À CORRENTE DE LINHA: HARMÔNICAS DE BAIXA FREQÜÊNCIA

Norma IEC 1000-3-2: Limites para emissão de harmônicas de corrente (<16 A por fase) Tabela II.1

Limites para as Harmônicas de Corrente

Ordem da Harmônica n

Classe A Máxima

corrente [A]

Classe B Máxima

corrente[A]

Classe C (>25W)

% da fundamental

Classe D (>10W, <300W) [mA/W]

Classe D [A]

Harmônicas Ímpares 3 2,30 3,45 30.FP 3,4 2,3 5 1,14 1,71 10 1,9 1,14 7 0,77 1,155 7 1,0 0,77 9 0,40 0,60 5 0,5 0,40

11 0,33 0,495 3 0,35 0,33 13 0,21 0,315 3 0,296 0,21

15<n<39

3 3,85/n 2,25/n

Harmônicas Pares 2 1,08 1,62 2 4 0,43 0,645 6 0,3 0,45

8<n<40

Recomendação IEEE para práticas e requisitos para controle de harmônicas no sistema elétrico de potência: IEEE-519

Esta recomendação (não é uma norma) produzida pelo IEEE [2.4] descreve os principais fenômenos causadores de distorção harmônica, indica métodos de medição e limites de distorção.

Seu enfoque é diverso daquele da IEC, uma vez que os limites estabelecidos referem-se aos valores medidos no Ponto de Acoplamento Comum (PAC), e não em cada equipamento individual. A filosofia é que não interessa ao sistema o que ocorre dentro de uma instalação, mas sim o que ela reflete para o exterior, ou seja, para os outros consumidores conectados à mesma alimentação.





Os limites diferem de acordo com o nível de tensão e com o nível de curto-circuito do PAC. Obviamente, quanto maior for a corrente de curto-circuito (Icc) em relação à corrente de carga, maiores são as distorções de corrente admissíveis, uma vez que elas distorcerão em menor intensidade a tensão no PAC. À medida que se eleva o nível de tensão menores são os limites aceitáveis.

A grandeza TDD (Total Demand Distortion) é definida como a distorção harmônica

da corrente, em % da máxima demanda da corrente de carga demanda de 15 ou 30 minutos. Isto significa que a medição da TDD deve ser feita no pico de consumo.

Harmônicas pares são limitadas a 25% dos valores acima. Distorções de corrente

que resultem em nível cc não são admissíveis.

Tabela II.2 Limites de Distorção da Corrente para Sistemas de Distribuição (120V a 69kV)

Máxima corrente harmônica em % da corrente de carga (Io - valor da componente fundamental)

Harmônica ímpares: Icc/Io <11 11<n<17 17<n<23 23<n<35 35<n TDD(%) <20 4 2 1,5 0,6 0,3 5

20<50 7 3,5 2,5 1 0,5 8 50<100 10 4,5 4 1,5 0,7 12

100<1000 12 5,5 5 2 1 15 >1000 15 7 6 2,5 1,4 20

Tabela II.3 Limites de Distorção da Corrente para Sistemas de Sub-distribuição (69001V a 161kV)

Limites para harmônicas de corrente de cargas não-lineares no PAC com outras cargas Harmônicas ímpares:

Icc/Io <11 11<n<17 17<n<23 23<n<35 35<n TDD(%) <20 2 1 0,75 0,3 0,15 2,5

20<50 3.5 1,75 1,25 0,5 0,25 4 50<100 5 2,25 2 0,75 0,35 6

100<1000 6 2,75 2,5 1 0,5 7,5 >1000 7.5 3,5 3 1,25 0,7 10





Tabela II.4

Limites de distorção de corrente para sistemas de alta tensão (>161kV) e sistemas de geração e co-geração isolados.

Harmônicas ímpares: Icc/Io <11 11<n<17 17<n<23 23<n<35 35<n THD(%)

<50 2 1 0,75 0,3 0,15 2,5 >50 3 1,5 1,15 0,45 0,22 3,75

Para os limites de tensão, os valores mais severos são para as tensões menores (nível de distribuição). Estabelece-se um limite individual por componente e um limite para a distorção harmônica total.

Tabela II.5 Limites de distorção de tensão

Distorção individual THD 69kV e abaixo 3% 5%

69001V até 161Kv 1,5% 2,5% Acima de 161Kv 1% 1,5%

wer System. Project IEEE-519. Outubro 1991.

A presença dos harmônicos nas Máquinas elétricas (trafos, geradores motores e outros), origina uma diminuição do rendimento da máquina, que se deve não só à existência de campos girantes com sentido de rotação contrário ao do campo fundamental, mas também ao aumento das perdas no cobre e no ferro da máquina. Este aumento das perdas leva à chamada desclassificação das máquinas. O fator K de um sistema, está diretamente relacionado com tal desclassificação.

Se a corrente elétrica que circula nos enrolamentos de uma máquina for não

sinusoidal, o seu valor eficaz será dado pela raiz quadrada da soma dos quadrados dos valores eficazes das respectivas ordens harmônicas (incluindo a fundamental) e da ordem contínua. Claro que sendo a corrente não sinusoidal, e portanto contendo ordens harmônicas, o seu valor eficaz verdadeiro será superior ao que seria se fosse somente sinusoidal (apenas a fundamental).

Usualmente as componentes harmônicas de corrente provem de cargas não lineares

ou de alguns disturbios no sistema elétrico, enquanto as distorções harmônicas da tensão é devida à interação entre estas correntes e a impedância dos sistema e da linha.

A seguir temos os problemas associados à distorção da corrente segundo a

demonstração da expressão matemática:





- Baixo Fator de Potência: - Para tensão e correntes senoidais:

- Para Tensão senoidal: Abaixo temos um exemplo de uma onda distorcida e o seu respectivo espectro.





Para melhor entender a forma de onda e seu espectro, temos a figura tridimensional

da onda da figura anterior.

Cada ordem harmônica apresenta uma sequência, que poderá ser de sequência positiva, negativa ou nula. Para efeito de estudos e simulações de sistemas, levamos em consideração as harmônicas de ordem ímpar, apesar de em estudos mais avançados, observarmos que a resultante de duas impares consecutivas, gera uma resultante de ordem par entre as duas, podendo gerar oscilações mecânicas em sistemas turbina-gerador ou motor-carga. Veremos este fato no desenvolvimento do item 6.3, 6.4, 6.5, 6.6 e 6.7, onde vamos verificar oscilações mecânicas em enrolamentos de trafos e máquinas. Os famosos “zumbidos esquisitos” de máquinas e trafos podem denotar a presença de harmônicos com características graves para o sistema como um todo.

Por isto, é importante ter noção do desenvolvimento das sequências das ordens

harmônicas e se definir as resultantes em módulo, ângulo e sinal. Mostramos a seguir o quadro com as sequências de algumas harmônicas de maior volume de estudos, podendo-se estender a tabela à ordens maiores conforme a necessidade de estudo.





QUADRO DE SEQUÊNCIAS DE ORDENS HARMÔNICAS

Tipo Sequência + - 0 + - 0 + Ordens

harmônicas h = 1 h = 2 h = 3 h = 4 h = 5 h = 6 h = 7

Frequência 60 120 180 240 300 360 420 Ordens

harmônicas h = 8 h = 9 h = 10 h = 11 h = 12 h = 13

Har

môn

icas

de

Pot

ênci

a

Frequência 480 540 600 660 720 780

Ordens harmônicas h= 14 h = 15 h = 16 h = 17 h = 18 h = 19

Dep

ende

nte

do

carr

egam

ento

e

das

cara

cter

ístic

as

Frequência 840 900 960 1020 1080 1140

Ordens harmônicas h= 20 h = 21 h = 22 h = 23 h = 24 h = 25

Frequência 1200 1260 1320 1380 1440 1500 Ordens

harmônicas h= 26 h = 27 h = 28 h = 29 h = 30 h = 31











Har

môn

icas

em

PW

M

Frequência 3360 3420 3480 3540 3600 3660





Podemos observar que o quadro anterior está dividido em 3 seções, sendo que na

1ª, as ordens são consideradas Harmônicas de Potência, na 3ª temos as ordens das Harmônicas em PWM e na 2ª dependendo da amplitude que as mesmas carregam e das caracteríisticas, podem ser consideradas de potência ou em PWM.

É necessário atenção na definição e nas características das harmônicas baixas em

PWM, em virtude das amplitudes de corrente e da composição do bargraph, para se tomar decisões e ações de contenção das mesmas.

Outra observação que deve-se ter são as características do bargraph. Nos gráficos

abaixo, temos exemplos de uma característica DIATÔNICA NEGATIVA, onde temos as impares consecutivas com a 1ª mais alta do que a segunda, nos diversos níveis de carregamento dos diferentes circuitos.





No gráfico abaixo, temos um exemplo de uma característica DIATÔNICA POSITIVA, até a 13ª ordem, uma característica de torre com uma resultante ressonante na 18ª ordem em função da soma da 17ª com a 19ª e uma característica DIATÔNICA NEGATIVA, nas demais. Este circuito apresentava problemas com estufamento das “latas” dos capacitores e era intermitente, ou seja, o gráfico variava, além de termos uma temperatura alta no trafo.

Temos ainda várias outras características, que pela experiência, demonstra claramente os efeitos das distorções harmônicas nos sistemas.

Este assunto será esplorado com maior profundidade no capítulo 5, onde tem-se a

análise dos espectros, suas caracterizações e consequências. Sabendo-se que cada instalação e seus ramais, tem suas características intrínsecas

e particulares, em termos de alimentação, carregamento, sazonalidade operacional, níveis harmônicos, transientes e transitórios, frequência de corte e outros, notamos características semelhantes conforme o tipo de carga e o tipo de aplicação desta. Portanto, existe uma estatística de problemas, sinistros e eventos para os diversos setores de consumidores, estando uns avaliados em grau de risco mais alto e outros mais baixo.

Após várias pesquisas, ao longo dos últimos 10 anos, de diversos profissionais,

entidades acadêmicas e empresas especializadas, temos a seguir os seguintes níveis de distorções harmônicas geradas conforme alguns dos setores industriais.





Planilha dos exemplos dos níveis de distorções harmônicas Valores médios

Valores Máximos

Tipos de cargas Setor Ramo de

atividade AlimentaçãoTHDI THDV THDI THDV Não lineares

13,8 KV 15,0 8,0 40,0 14,6 Siderurgia

460 V 63,0 14,0 86,0 21,0 Fornos a arco e

indução

13,8 KV 4,0 0,5 8,9 0,8

460 V 32,0 2,2 46,0 2,5 Motores

13,8 KV 8,0 1,0 14,0 2,0 Metalurgia

460 V 43,0 2,9 56,0 3,5 Soldas

13,8 KV 4,0 0,5 8,0 0,6 Usinas de alcool 460 V 28,0 2,1 36,0 2,9

Motores

13,8 KV 20,0 1,0 40,0 1,5 Cogeração

460 V 28,0 1,8 38.0 2.5 Geradores e

motores

13,8 KV 2,5 0,8 5,0 1,0 Bebidas

460 V 7.3 1.1 13.8 1.6 Motores

13,8 KV 3,0 0,9 9,0 1,1 Cimento

460 V 11,0 1,3 19,0 1,9 Motores e esteiras

13,8 KV 4,0 1,0 7,0 1,1 Borracha e plasticos 460 V 8,3 1,3 17,4 1,9

Motores e aquecedores

13,8 KV 3,0 1,0 5,6 2,0 Alimentícia

460 V 4,0 2,1 9,1 3,2 Motores e

aquecedores

13,8 KV 4,0 0,9 6,0 1,3 Textil

460 V 6,7 1,3 13,5 2,3 Motores

13,8 KV 3,5 1,5 6,0 1,8

Industrial

Labratórios 460 V 4,8 2,1 11,9 3,5

Motores

13,8 KV 2,5 0,8 5,0 1,0 Portuária

Equipamentos de elevação e

transporte 460 V 15,3 1,9 27,2 3,1 Motores






Valores Máximos

Tipos de cargas Setor Ramo de

atividade AlimentaçãoTHDI THDV THDI THDV Não lineares

13,8 KV 10,0 2,5 19,0 6,3 Telefonia fixa

220 V 22,0 5,0 65,0 16,7 Equipamentos

de centrais

13,8 KV 2,5 1,5 5,1 1,9

380 V 11,3 2,2 21,9 3,9 Equipamentos

de CCCs

13,8 KV 8,0 1,0 14,0 2,0 Telefonia

móvel

220 V 17,5 3,7 26,9 5,3 Equipamentos

de ERBs

13,8 KV 4,0 0,5 8,0 0,6 Rádios

220 V 23,5 2,9 37,9 4,5 Transmissores

13,8 KV 20,0 1,0 40,0 1,5

380 V 5,8 1,2 17,3 2,1

Tele

com

unic

açõe

s

Centrais de TV

220 V 13,5 3,6 31,7 5,1

Estudios e CTs

13,8 KV 3,0 0,9 9,0 1,1 Linhas Férreas 460 V 22,6 5,6 66,9 8,4

Retificadores

13,8 KV 4,0 1,0 7,0 1,1

Ferro

viár

ia

Centrais de controle 220 V 13,4 1,5 28,3 2,1

Equipamentos de CCTs

13,8 KV 3,0 1,0 5,6 2,0 Shoppings

380 V 13,2 1,6 24,9 1,9 Centrais de ar e Iluminação

13,8 KV 3,5 1,5 6,0 1,8

Com

erci

al

Núcleos de PD 380 V 11,1 1,8 22,5 2,3

Computadores e periféricos

13,8 KV 3,1 1,0 5,4 2,0 Residências classe alta 220 V 9,2 2,3 36,1 3,4

Elevadores e Iluminação

13,8 KV 3,5 1,5 6,0 1,8

Con

dom

inia

l

Salas comerciais 220 V 24,1 4,7 42,9 7,1

Computadores e periféricos






Valores Máximos Tipos de cargas

Setor Ramo de atividade Alimentação

THDI THDV THDI THDV Não lineares

13,8 KV 15,0 8,0 40,0 14,6 Clínicas

220 V 9,5 1,3 17,9 2,2 Iluminação

13,8 KV 4,0 0,5 8,9 0,8

380 V 11,5 2,3 22,7 3,6 Centros

cirúrgicos

13,8 KV 8,0 1,0 14,0 2,0 Hospitais

220 V 13,1 2,4 25,5 3,6 Centros de diagnoses

13,8 KV 4,0 0,5 8,0 0,6 Laboratórios

220 V 11,3 1,9 16,8 3 Equipamentos

eletrônicos

13,8 KV 20,0 1,4 40,0 1,9

Hos

pita

lar

Centros de Diagnose 220 V 11,9 2,1 23,1 3,2

Equipamentos de diagnose

Classe média 220 V 2,5 0,7 5,0 1,1 Residencial

Classe alta 220 V 5,3 1,9 27,1 2,7 Iluminação e

eletrodomésticos

Os dados relacionados nas tabelas acima se referem às várias extratificações (nas chaves gerais de entrada) de diversos autores de medições, em várias empresas e de trabalhos em entidades acadêmicas, ao longo dos últimos 10 anos na região sudeste.

Pode haver alterações para maior, em função do desenvolvimento tecnológico da

automação industrial, equipamentos eletrônicos de telecomunicações e hospitalares, eletrodomésticos, e várias outras cargas, que são a base dos níveis de geração de harmônicos nas instalações. Porém, essas tabelas servem como parâmetro para as análises particulares de cada setor de consumo.

Seria prudente preparar uma tabela que demonstrasse os níveis harmônicos de

diversos equipamentos industriais geradores de distorções harmônicas e de diversos fabricantes, que provavelmente facilitaria para os projetistas na elaboração dos projetos de instalações elétricas industriais, possibilitando uma menor margem de erros dentro do contexto da eficiência produtiva.





Para complementar, temos a tabela a seguir, com os parâmetros gerais das correntes das cargas presentes num edificil comercial.

Quadro das características de equipamentos num edificil comercial

THDI IHDI (%) Carga Operação

RMS Fund Harm % 3ª 5ª 7ª 9ª

Parado 0,25 0,16 0,2 130 88 68 44 24

Imprimindo 3,75 3,74 0,22 6 5 2 2 3 Aparelho de Fax

Enviando 0,25 0,16 0,19 120 87 65 39 18

Relógio Ligado 0,05 0,05 0,02 47 19 5 6 1

PC Pentium Ligado 0,69 0,49 0,48 98 79 51 22 8

PC Macintosh Ligado 1 0,6 0,8 130 90 72 50 32

PC Laptop Ligado 0,16 0,09 0,13 140 92 78 60 40

Monitor 17” Ligado 0,61 0,4 0,46 110 87 61 35 17

Phone Switch Ligado 0,12 0,11 0,04 40 34 18 7 4

Parada 1 0,59 0,81 140 88 74 11 39 Fotocopiadora

Copiando 10,5 10,4 1,76 17 5 13 7 1

Vídeo Cassete Ligado 0,19 0,11 0,16 150 91 77 62 47

Sistema de vídeo Ligado 0,93 0,6 0,71 120 86 65 42 21

Microondas Ligado 9 8,21 3,69 45 43 12 4 2,2

Refrigerador Resfriando 4,46 4,45 0,22 5 4 2 1 0,6

Maq esc elétrica Ligada 0,11 0,1 0,03 33 30 10 7 4

Fluoresc eletrôn Ligada 0,12 0,08 0,09 120 85 64 40 22

Fluoresc PL Ligada 0,13 0,13 0,02 15 3,9 9,2 3,7 3,1

Fluoresc magnet Ligada 0,31 0,31 0,04 13 12 3 2 0,8

UPS Carga PC 7 4,31 5,52 130 89 71 49 27

Parada 0,26 0,16 0,21 130 90 73 52 30 Impressora Laser Imprimindo 0,4 0,27 0,3 110 85 61 34 10





O aumento significativo dos níveis de harmônicos ao longo dos anos, se deve aos seguintes fatores:

- Maior utilização de lâmpadas de descarga no lugar das lâmpadas incândescentes.

- Aumento do volume de aplicação dos controladores de velocidade (ASD) e partida de máquinas e processos, tais como inversores, softstarts, PLCs e outros.

- Aumento da sofisticação e dos níveis de frequência dos clocks de computadores e centros de controles inteligentes dos vários setores.

- Aumento da sofisticação e precisão dos equipamentos de diagnose e controles hospitalares.

- Aumento da sofisticação dos eletrodomésticos em geral. Esta tendência exagerada, generalizada e necessária da sofisticação dos

equipamentos e controles, faz com que o conteúdo harmônico injetado nos sistemas seja cada vez mais elevado, elevando a circulação das correntes harmônicas pelas redes de distribuição, causando uma série de efeitos indesejáveis nos diversos tipos de consumidores, comprometendo cada vez mais a qualidade de energia, gerando influências destacadas a seguir:

- Maior consumo de energia reativa, causando redução no fator de potência e aumento das quedas de tensão nos sistemas e redes de distribuição.

- Aumento do nível de distorções de tensão, transitórios, transientes e intermitências em geral, causando sinistros e queimas em equipamentos dos consumidores e até das concessionárias.

- Aumento dos níveis de ressonância nas redes e sistemas de distribuição. Por isto, cada vez se torna menor os níveis de suportabilidade dos sistemas e redes

de distribuição, causando perdas de equipamentos, de receita para todos (consumidores e concessionárias) e perdas de produção.

A partir de estudos ao longo de todos esses anos de Engenharia Elétrica dentro do

meio acadêmico, com desenvolvimento e soluções matemáticas e abordagens de pesquisas laboratoriais e de campo aplicativo, obteve-se a conceituação dos transientes de Energia Simples, que são aqueles nos quais existe somente uma forma e locação de energia armazenada (magnética ou elétrica). Quando ambas as energias são contidas ou aceitas pelo circuito, um transiente de Energia Dupla ou Multipla pode ser envolvido.

A partir da conceituação, obteve-se a classificação quanto a ocorrência como:

- Transientes de iniciação – onde um circuito originalmente parado é ativado. - Transientes de rebaixamento – nos quais um circuito ativado se torna desativado mais ou menos rapidamente, e alcança um eventual estado estático de corrente e/ou voltagem zero.





- Transientes de transição – quando há uma mudança súbita de um estado estático para outro, sendo ambos energéticos. - Transientes complexos – nos quais um circuito, enquanto ainda em período de transição devido a uma perturbação, é sujeito a mais perturbações; ou nos quais a força perturbante é variável. - Transientes de relaxação – nos quais ocorre ciclicamente uma transição para estados que, quando alcançados, se tornam instáveis.

Existem classificações mais detalhadas relacionadas com a distinção e interconexão

de circuitos nas suas forma simples ou complexas, com parâmetros fixos ou variáveis. O assunto é de grande alcance e complexidade e não lhe pode ser feita justiça em

pequena extensão. Os poucos compêndios existentes, tratam do assunto em no máximo dois capítulos ou como pequenos ganchos de explicação dentro da matéria de análise de circuitos ou de redes.

Com o aprofundamento dos estudos de transientes, distúrbios e harmônicos, caíram

alguns mitos tais como o de que não há transientes em um circuito resistivo, pois tal circuito nunca está isolado dentro de uma instalação devido simplesmente à sua alimentação de tensão e corrente, que já vem composta de transientes, distúrbios e harmônicas de outras áreas, e que influenciam substancialmente nestes circuitos. Tendo em vista que o próprio equipamento resistivo, processa energias elétricas e magnéticas existentes no seu alimentador, bem como as energias advindas ou geradas pelo seu próprio campo elétrico. Portanto, temos também os efeitos das harmônicas nos circuitos resistivos, e tais efeitos são nocivos tanto quanto em qualquer outro tipo de circuito.

As harmônicas são ondas que possuem frequências múltiplas da frequência

fundamental (60Hz) e são classificadas dentro do universo dos transientes. A corrente harmônica pode ser comparada à corrente de curto-circuito. A corrente de curto-circuito flui da fonte que a gera para a fonte de energia e nâo se consome com a impedância do sistema. Já a corrente harmônica flui da fonte que a gera em direção à fonte de energia, porém se consome com a impedância do sistema. Quando há ressonância no sistema, o fluxo de corrente harmônica vai em direção ao par ressonante (Indutância ou capacitância) alterando a característica citada.

Também devemos observar as harmônicas geradas nas sobretensões dos impulsos

atmosféricos e as geradas dos impulsos de manobras. As frequências espúrias e os distúrbios, incluindo os harmônicos, são de amplitude mais alta e periodicidade bem menor nos impulsos atmosféricos, tornando-se até mesmo uma rajada de harmônicos. Já nos impulsos de manobras, temos amplitude menor e periodicidade maior, caracterizando uma permanência bem maior no sistema, com mais chance de provocar sinistros, do que os impulsos atmosféricos que podem causar “acidentes”, em se tratando dos níveis harmônicos gerados.





Para entendermos melhor, este último parágrafo temos como base um item do livro “Transitórios Eletromagnéticos em Sistemas de Potência” do Engº Luiz Cera Zanetta Junior, que explica muito bem e da seguinte maneira resumida no gráfico abaixo.

A forma de onda de uma sobretensão de impulso de manobra tem uma frente de

onda lenta, enquanto a forma de onda de uma sobretensão de impulso atmosférico tem uma frente de onda rápida, onde as frequências presentes nos dois tipos de transitórios tem valores característicos menores para impulsos de manobras e maiores para impulsos atmosféricos. Quando há a incidência destas sobretensões em circuitos com a presença de ressonância, as perdas e os transitórios gerados são maiores, mas tendem a se consumir espontaneamente mais rápido em função da impedância intrínseca.

A análise da forma de onda distorcida é feita através da decomposição da mesma

em formas de ondas senoidais a 50 ou 60HZ (fundamental) e múltiplas da mesma. Essas formas de onda com frequência múltipla da fundamental denominam-se componentes harmônicas ou simplesmente harmônicas.

Tal análise, denominada Análise de Fourier, permite quantificar os níveis de

harmônicos existentes no sistema. Quando diminuímos ou eliminamos os níveis de harmônicos do sistema, estamos diminuindo ou eliminando as distorções de tensão e corrente do sistema. Na realidade, a eliminação total é impossível, mas dentro de parâmetros operacionais aceitáveis, o máximo de diminuição dos níveis de harmônicos, já são suficientes para se ter uma aceitável operacionabilidade do sistema como um todo

Outro método de análise é a Análise de Wavelet, utilizada para a análise das

informações temporais durante a transformação dos sinais para o domínio da frequência. Nos estudos de Qualidade de Energia Elétrica, muitos sinais de interesse, carregam numerosas informações não estacionárias ou transitórias, tais como impulsos, sags e outros. Apesar das técnicas de janelamento de sinal também conhecido como Transformada de Fourier de tempo





reduzido (STFT), que apresentam o sinal em análise em função da frequência e tempo simultâneamente, o método de Wavelet se mostra mais eficaz e seguro.

Até agora, e em qualquer descritivo sobre o assunto de Harmônicos ou

interharmônicos, temos as siglas DFT, FFT, STFT e outras. Para que não haja dúvidas, temos as seguintes definições:

- DFT (Discrete Fourier Transform) é a aplicação numérica da Análise de Fourier. Na prática, o sinal é analisado acima de um período limitado de tempo (Tw), usando um número limitado (M) de amostras do sinal real. O resultado do DFT depende da escolha destes parâmetros, Tw e M. O inverso de Tw é a frequência básica do DFT (fb)

- FFT (Fast Fourier Transform) é um algorítimo especial que admite um pequeno tempo de computação. Isto requer que o número de amostras (M) seja um múltiplo inteiro de 2 (M = 2i). Porém, os modernos processadores digitais de sinal tem tal capacidade, que a complexidade extra numa DFT (tabelas das funções seno e coseno) pode ser mais econômica e flexível do que as frequências bloqueadas das FFTs.

- STFT (Short time Fourier Transform) é um algorítimo que como já foi dito analisa o sinal em função da frequência e tempo simultâneamente.

Outra ferramenta matemática utilizada é a função de Bessel.





5 – CARACTERIZAÇÃO DAS DISTORÇÕES HARMÔNICAS

SEGUNDO O BARGRAPH

Como já foi citado anteriormente, as distorções harmônicas de um sistema são estudadas em forma de bargraph, ou seja decomposição pictográfica em forma de espectro mostrando cada ordem conforme já mostrado e mais uma vez exemplificado na figura abaixo.

A figura acima é uma foto da tela do instrumento analisador de espectro da Fluke, com a medição no ponto descrito, nas instalações de uma rede de TV. Para esta medição, tem-se a respectiva estratificação, com a geração dos gráficos correspondentes como vemos a seguir.





No gráfico anterior, temos o espectro das ordens harmônicas, com as porcentagens de cada ordem existente naquele ponto, os dois cursores setados nas 2 maiores ordens, onde temos a visão de ordens pares de pequena amplitude. Este mesmo gráfico pode ser visto com as ordens harmônicas com suas respectivas frequências, na forma logarítimica, com a amplitude de corrente rms e com a corrente true rms conforme a sequência a seguir.





Portanto, para cada medição, tem-se a possibilidade de gerar 5 gráficos de

estratificações diferentes, dando a possibilidade de fazer as devidas análises e comparações, para se traçar um perfil do ponto medido que pode corresponder à um equipamento, um ramal, alimentador ou alguma proteção. Também tem-se a geração do banco de dados com os valores numéricos básicos originais relativos aos gráficos, conforme mostrado na sequência numérica a seguir. Para nos situarmos, esta primeira parte se refere aos dados do datablock visto no gráfico.





"Title " "Amps" "ID " 1 "Type " "Harmonics" "Date " 01/21/95 "Time " 22:19:08 "X Scale " 6,003000E+01 "X At 0% " 0,000000E+00 "X Resolution " 0,000000E+00 "X Size " 52 "X Unit " "Hz" "X Label " "Frequency" "Y Scale " 0,000000E+00 0,000000E+00 "Y At 50% " 0,000000E+00 0,000000E+00 "Y Resolution " 0,000000E+00 0,000000E+00 "Y Size " 0 "Y Unit " "A" "Degrees" "Y Label " "Amplitude" "Phase" "Description " "Saída do trafo 9 - Fase R"

A seguir temos a base de dados da medição relativa ao gráfico propriamente dito. Estes dados não podem ser mudados, para ser feito uma geração inversa, evitando assim um falseamento de leitura ou de resultados. Esta base de dados, algumas vezes precisa ser consultada, para se saber o valor exato das frequências e das amplitudes de corrente de cada ordem, tendo em vista que cada linha abaixo se refere à uma ordem harmônica, com as respectivas características.

Na 1ª coluna temos a ordem harmônica, na 2ª temos a amplitude de corrente rms e na

3ª coluna temos o angulo de fase respectivo daquela ordem. Os outros dados mostrados nos gráficos são gerados pelo próprio software, que nada mais é o cálculo de porcentagens e referências logaritimicas ou de amplitudes em relação à fundamental.

0,000000E+00 0,000000E+00 0,000000E+00 6,003000E+01 3,011300E+02 0,000000E+00 1,200600E+02 3,509000E-01 6,800000E+01 1,800900E+02 4,965000E+01 -1,690000E+02 2,401200E+02 1,140300E+00 1,230000E+02 3,001500E+02 1,596400E+01 1,180000E+02 3,601800E+02 2,631500E-01 -3,000000E+00 4,202100E+02 8,947000E+00 5,900000E+01 4,802400E+02 4,386000E-01 -1,310000E+02 5,402700E+02 4,561000E+00 -1,700000E+01 6,003000E+02 1,754300E-01 -8,800000E+01 6,603300E+02 5,701000E+00 -1,390000E+02





7,203600E+02 8,771000E-02 7,200000E+01 7,803900E+02 3,947000E+00 1,640000E+02 8,404200E+02 8,771000E-02 1,400000E+01 9,004500E+02 1,666600E+00 6,900000E+01 9,604800E+02 1,754300E-01 -3,700000E+01 1,020510E+03 9,649000E-01 4,900000E+01 1,080540E+03 8,771000E-02 -1,630000E+02 1,140570E+03 2,017500E+00 -6,600000E+01 1,200600E+03 8,771000E-02 -1,200000E+01 1,260630E+03 1,491200E+00 -1,610000E+02 1,320660E+03 2,631500E-01 1,280000E+02 1,380690E+03 1,228000E+00 1,070000E+02 1,440720E+03 2,631500E-01 4,800000E+01 1,500750E+03 5,263000E-01 3,300000E+01 1,560780E+03 1,754300E-01 -7,300000E+01 1,620810E+03 4,386000E-01 -2,500000E+01 1,680840E+03 8,771000E-02 -1,140000E+02 1,740870E+03 2,631500E-01 -1,290000E+02 1,800900E+03 2,631500E-01 1,500000E+02 1,860930E+03 2,631500E-01 1,420000E+02 1,920960E+03 8,771000E-02 -4,000000E+01 1,980990E+03 2,631500E-01 9,600000E+01 2,041020E+03 8,771000E-02 -8,200000E+01 2,101050E+03 8,771000E-02 -4,000000E+00 2,161080E+03 8,771000E-02 -1,600000E+02 2,221110E+03 1,754300E-01 -6,400000E+01 2,281140E+03 8,771000E-02 5,000000E+01 2,341170E+03 8,771000E-02 -1,060000E+02 2,401200E+03 1,754300E-01 1,470000E+02 2,461230E+03 8,771000E-02 -1,620000E+02 2,521260E+03 8,771000E-02 1,200000E+02 2,581290E+03 5,263000E-01 -4,200000E+01 2,641320E+03 1,754300E-01 1,600000E+01 2,701350E+03 2,631500E-01 -4,700000E+01 2,761380E+03 8,771000E-02 -8,800000E+01 2,821410E+03 8,771000E-02 3,300000E+01 2,881440E+03 8,771000E-02 8,900000E+01 2,941470E+03 2,631500E-01 -1,530000E+02 3,001500E+03 1,754300E-01 1,270000E+02 3,061530E+03 8,771000E-02 1,300000E+02





Outro tipo de gráfico que muito auxilia para determinar os níveis sazonais com máximos e mínimos, é o de medição periódica com os parâmetros de THD e os de corrente rms. Podemos tirar um instantâneo durante o periódico de um valor médio predominante, conforme mostram os 3 gráficos a seguir.





Com este tipo de gráfico, podemos conhecer os picos de harmônicos no ponto medido no referido período, e podemos partir para as devidas análises necessárias.

Partindo-se para a análise dos gráficos de barra, cada tipo demonstra uma anomalia no

sistema e já pode nos mostrar o tipo de problema que pode estar acontecendo ou a vir a acontecer dependendo das amplitudes das correntes harmônicas reinantes no mesmo.

Vamos aquí comentar alguns tipos de gráficos em suas características e efeitos reais

que aconteceram nos pontos medidos, conforme a denominação de cada característica. 5.1 – Característica Diatônica negativa:

Quando temos esta característica de bargraph, geralmente o sistema apresenta

problemas com fontes, PLCs, softstart, sistemas de controle em geral. Também pode ocorrer os problemas com comando de controle erradas, ou perda de ordens de controle ou ainda erros em monitorações sem haver a queima de componentes. A queima só existe de acordo com a amplitude de corrente harmônica que a ordem carrega nos níveis de harmônicas de potência. Porém, se o sistema suporta tal desnível, existe ainda o problema com as ordens em PWM, que com um mínimo de amplitude de corrente em suas ordens, podem causar transtorno nos níveis e itens de controle.

No caso da figura abaixo, o setor sofria com queima de fontes e mother boards dos

computadores. Em alguns casos, havia somente os resets indesejáveis de máquinas e o atrazo no scaneamento de controle da rede.





Podemos observar melhor, a partir da estratificação da mesma medição da figura acima, conforme mostrado a seguir.

Na característica do gráfico acima, fica denotado que existe uma amplitude maior na 5ª, 11ª, 17ª, 23ª, 29ª, 35ª, 41ª e 47ª; existindo uma menor amplitude na ordem impar subsequente. Pelas ordens citadas serem de sequência negativa e terem uma maior amplitude de corrente, e sempre existir o carregamento em menor volume nas ordens subsequentes, chamamos de diatônica negativa.

Deve-se ter muito cuidado quando do modelamento deste tipo de circuito, em virtude

das somatórias vetoriais (em módulo e ângulo). Normalmente os softwares fazem a somatória certa, porém o erro é no carregamento dos dados. Disto depende o sucesso de um projeto de filtragem ou de uma simples readequação do sistema.

5.2 – Característica Diatônica positiva:

Inversamente ao explicado no item anterior, neste tipo de característica, existe uma

amplitude maior na segunda ordem da dupla, ou seja, maior carregamento na 7ª, 13ª, 19ª e assim por diante, existindo uma menor amplitude nas ordens anteriores. Pelas ordens citadas serem de sequência positiva e terem uma maior amplitude de corrente, e sempre existir o carregamento em menor volume nas ordens anteriores, chamamos de diatônica positiva.





No caso da figura abaixo, o setor sofria com os erros no sistema automático de correção do fator de potência e havia queima de algumas “latas” de capacitores no estágio final, o que indicava que quando este entrava, colocava o sistema em ressonância.

A seguir temos a estratificação da figura acima.

Observamos que a característica é positiva até a 19ª ordem e daí por diante passa a ter uma característica negativa nas ordens em PWM. Por isto o erro no comportamento de controle do sistema.





5.3 – Característica triatônica:

Esta é uma característica muito comum nos sistema, e comumente encontrada em

secundários de trafos e barramentos de QGBTs e CCMs. Mostramos abaixo duas figuras que demonstram esta característica.

No caso do gráfico acima, o sistema apresentava problemas de aquecimentos em alguns cabos de ramais, queima de motores e lâmpadas.





5.4 – Característica de torre:

Com esta característica, observamos duas ordens impares subsequentes, onde há o

surgimento de uma ordem par intermediária de pequena amplitude, que demonstra a possibilidade da existência de binários resistentes em enrolamentos de trafos à jusante do ponto de medição ou de motores à montante deste, dependendo da direção do fluxo das amplitudes harmônicas do sistema, conforme mostra a figura abaixo e seu gráfico estratificado.





5.5 – Característica espraiada:

Esta característica é denotada pela existência de amplitudes de correntes

harmônicas em todas as ordens, podendo ser somente nas impares ou nas pares também, conforme nos mostra a medição abaixo, que no caso, o sistema apresentava problemas de controle dos PLCs e inversores. No caso abaixo, as amplitudes eram baixas, que não apareciam na medição direta, mas na extratificação ficaram denotadas.





5.6 – Característica de Vale:

Este tipo de característica, geralmente produz problemas de ordens digitais em

sistemas de controle e a queima de componentes ou equipamentos é decorrentes dos níveis de harmônicas de potência existente neste gráfico. Esta configuração é comum em sistemas carregados com PLCs e sistemas de comunicação.

Este tipo de característica também é encontrado em sistemas elétricos com adensamento de computadores e impressoras à laser. Dependendo da configuração do nobreak ou do estabilizador, estes podem ter suas saídas queimadas ou módulos de estabilização queimados.

Um outro local que pode ser encontrado este tipo de característica são as

instalações de Call Centers.

Área de vale





5.7 – Característica de ressonância indutiva:

Com esta característica de gráfico, normalmente temos uma ressonância indutiva,

que pode estar degradando motores ou enrolamentos de trafos ou qualquer outro na parte de potência de transmissão de telecomunicações. A característica marcante é o aparecimento de ordens pares carregando amplitudes de corrente harmônicas razoáveis, que pode ser vizualizado na medição abaixo e no gráfico estratificado correspondente.





5.8 – Característica de ressonância capacitiva:

A característica de ressonância capacitiva, que causa a degradação dos capacitores

no sistema, aparece com componentes DC, que chamamos de ordem par negativa, conforme a medição abaixo e seu respectivo gráfico estratificado.





5.9 – Característica de rampa negativa:

Esta característica denota um problema grave de sobreaquecimento do cabeamento

e do trafo de comando, com saturação do neutro/terra com problemas de queima de equipamentos conectados no secundário do mesmo, além de ordens de comandos erradas e sinistros operacionais. Abaixo temos o gráfico já estratificado da fase.

Abaixo, temos o gráfico já estratificado do center tap do mesmo trafo.





5.10 – Característica de montanha russa:

Esta característica denota um problema grave de funcionamento e ressonância em

banco de capacitores. É a pior condição em que um banco de capacitores pode estar mergulhado, cujas consequências são a degradação do dielétrico do mesmo, alta temperatura, além de potencias de perdas que acabam alterando o comportamento do mesmo no circuito, chegando ao ponto de não haver a correção projetada do FP do sistema. Abaixo temos um exemplo de um gráfico de medição.

Abaixo temos o gráfico estratificado da medição acima, indicando suas predominantes.





Temos ainda, para o mesmo gráfico de medição anterior, uma segunda estratificação com indicação das frequências das ordens e a indicação do valor das ordens quadradas predominantes e da amplitude de corrente de um dos picos das ordens em PWM.

Normalmente, esta característica tem a configuração contrária da característica de

vale, e pode haver uma certa relação entre os dois num mesmo circuito, com sintomas de consequências tais como queima de equipamentos devido as ordens de harmônicos de potência ou desligamentos intempestivos devido as ordens de harmônicos em PWM. Dependendo das amplitudes de correntes das ordens em PWM, estas podem causar ondas refletidas em inversores, UPSs e retificadores.

5.11 – Burst (Rajadas de harmônicos):

Aproveitamos este item para falar sobre as Rajadas de Distorções Harmônicas (RDH), também conhecidas como burst. Este fenômeno consiste do aumento momentâneo (período muito rápido) dos níveis de distorção Harmônica de corrente produzida por uma carga durante o seu funcionamento ou pela entrada em funcionamento.

Nem todo equipamento consegue captar um burst, porem podemos identificá-los

através das medições periódicas em que notamos uma certa linearidade na maior parte da medição em um período e em alguns pontos identificamos picos de THD com valores no mínimo 5x maior do que os demais valores.

Estas rajadas podem ser causadas por motores de grande porte, desbalanceados e

mergulhados em sistemas carregados de harmônicos de corrente. As rajadas podem causar pulsos de corrente que sempre alteram o estado lógico dos sistemas de controle, quando estes coincidem com a passagem pelo zero da onda ou com o pico máximo desta, causando uma somatória vetorial em módulo e ângulo.





As rajadas podem ser do tipo puntuais e esporádicas, onde temos um pulso no gráfico e o próximo só acontecerá vários ciclos de operação depois. As causas podem ser diversas, mas temos que ter a noção do que isto causa no sistema. Vide o exemplo no gráfico abaixo que é relativo a uma medição num banco de capacitores de uma indústria de celulose.

Quando temos dois ou mais pulsos num intervalo curto e depois não aparece mais

nenhum pulso, tambem consideramos um burst, do tipo disparo. Esta configuração aparece muito em máquinas de solda a ponto ou solda tig e mig, conforme mostra o gráfico abaixo.





Quando temos 2 ou 3 pulsos longos num ciclo operacional, consideramos uma característica de arrasto, conforme nos mostra o gráfico abaixo.

Tambem temos uma característica em que logo após um pulso, temos o aparecimento de uma onda refletida que aparece no gráfico como um final de onda. Porém, a variação durante o arrasto demonstra a ocorrência da onda refletida. Vide a indicação no gráfico abaixo, que pertence ao quadro de alimentação de um sistema de transmissão de telefonia celular.





6 – CONSEQUÊNCIAS DAS DISTORÇÕES HARMÔNICAS NOS SISTEMAS ELÉTRICOS

Como já foi dito, em todos os sistemas elétricos existem componentes harmônicas de

tensão e corrente com amplitudes variáveis, que causam efeitos indesejáveis no funcionamento dos sistemas. O grau com que as componentes harmônicas interferem e produzem efeitos no sistema elétrico, depende da susceptibilidade da carga, dos níveis dos parâmetros básicos (tensão, corrente e frequência) vigentes no circuito e das amplitudes dos transientes e transitórios existentes. A seguir temos a análise desses efeitos, onde efeitos sobre significa as consequências a partir das distorções harmônicas e efeitos de significa as causas que acabam gerando ou amplificando os níveis harmônicos.

6.1 – Efeitos sobre os condutores elétricos:

O aumento da resistência e, por conseguinte, das perdas nos condutores dos

sistemas elétricos é devido ao efeito pelicular. O fato já existe na frequência fundamental (60Hz), apesar de aparentemente não ser levado em conta, uma vez que o mesmo já é incorporado às tabelas de condutores. O efeito pelicular é o resultado da indutância própria do condutor, a qual não é uniforme, através da seção reta do condutor.

O centro de um condutor é enlaçado por mais linhas de fluxo magnético do que sua

superfície, sendo assim a indutância do centro maior do que a da superfície, o que faz com que menos corrente se estabeleça no centro. Esta distribuição desigual da corrente faz com que a resistência dos condutores se apresente maior, para frequências maiores que a fundamental, provocando maiores perdas elétricas e sobreaquecimento dos mesmos, podendo ocorrer danos na capa de isolamento dos mesmos.

As áreas de maior aquecimento são as pontas dos cabos que estão conectadas à

terminais de componentes de proteção ou de equipamentos, provocando problemas de dissipação térmica, levando à degradação dos terminais e podendo causar até curto-circuitos, quando estes se soltam de seus terminais.

Para explicar a teoria acima, temos que os condutores elétricos tem 2 grandes

problemas relacionados com harmônicos. - Efeito pelicular (Skin):

O efeito pelicular, restringe a seção de condução real da corrente em função inversa à frequência presente. Portanto, um sistema carregado com harmônicos de corrente, com amplitudes e ordens altas, diminuem sensivelmente a área real de condução, conforme a figura abaixo.





A curva anterior nos mostra a seção transversal eo diâmetro dos condutores que devem ser utilizados para que o efeito pelicular não tenha aumento significativo na resistência do cabo. Quanto maior a frequência no condutor, menor é sua área real de condução e maior é o efeito Joule por motivo de aumento na resistência à condução da corrente. Vide figura abaixo.

Temos estudos de casos em instalações industriais, com circuitos de 70 KW em 460 Volts trifásico, cujos cabos de alimentação estavam extremamente quentes, apesar dos mesmos serem de 95 mm². Porém, com levantamento e medições, foi constatado que havia um nível de 6% na THD de tensão e 76% na THD de corrente.

- Efeito de proximidade:

O efeito de proximidade é causado pela interação dos campos magnéticos produzidos pelos cabos adjacentes ao cabo em estudo. Quanto maior esta interação, maior

Superfície do cabo

Linha imaginária de um sistema composto pelos 60 Hz mais os harmônicos de corrente em altas ordens

Linha imaginária com sistema composto apenas pelos 60 Hz





será a resistência do condutor, além de ser maior o nível de corrente carregada com frequências espúrias no mesmo. Porconseguinte haverá uma diminuição maior da área de condução do mesmo.

Este fato se agrava muito quando temos cargas sensíveis aos distúrbios elétricos e

seus cabos de alimentação estão mergulhados em bandejamentos carregados de cabos de circuitos diversos, geradores de harmônicos e de alta sazonalidade de carga.

Os dois efeitos são cumulativos e provocam perdas elétricas de monta e

superaquecimentos acima do suportado pelo próprio cabo e pelo seu isolamento. Estes dois efeitos, sob frequências altas (acima de 3 KHz) em cabos longos com

ressonâncias excitadas, podem resultar em ondas refletidas ao longo da linha, com sobretensões altíssimas dependendo da impedância existente e do casamento desequilibrado deste dentro do sistema.

Quando este efeito é alto, temos um comprometimento drástico do isolamento do

cabo, principalmente se tivermos pulsos de sobre-tensão e impulsos altos de amplitude de correntes harmônicas de altas ordens de frequências (harmônicas em PWM).

Os pulsos de sobre-tensão resultante de ressonância são inversamente

proporcionais aos níveis de efeito pelicular e ordens harmônicas baixas, devido ao amortecimento apresentado pela variação da resistência do cabo, e podem ser visualizados no gráfico a seguir.





Portanto, num comprimento longo de cabo com bitola maior, temos um menor efeito pelicular e caso tenhamos maior nível de ressonância e maior ordens de harmônicos de corrente, maior será o nível de tensão da onda refletida em função da ressonância. Para a carga na ponta do circuito, isto é fatal, e pode vir a queimar a mesma.

Cabos relativamente novos com isolamento ressecado ou amolecido, normalmente

são consequências deste fato. Também deve-se ficar atento quando obtiver resultados de termografias em que demonstrem um aumento de temperatura ao longo do cabo ou no comprimento de 1 metro junto à conexão do mesmo com o equipamento de proteção.

6.2 – Efeitos sobre os isoladores: A composição das harmônicas com a fundamental pode caracterizar uma distorção

de tensão com valores acima do pico nominal de tensão de um sistema. Tal fato solicita dos isoladores uma resistência de isolamento acima da nominal do mesmo, em regime permanente, o que pode levar o isolamento à fadiga.

Também temos que a presença de componentes harmônicas de corrente de ordens

altas pode minar ao longo do tempo as cadeias do material isolante, terminando por furar o dielétrico deste.

Por isto, deve-se ter o cuidado e a vistoria visual dos vários isoladores, inclusive os

isolamentos dos cabos e suas disposições nos leitos, a fim de se ter o completo controle de curtos circuitos entre os mesmos.





Não só o isolamento de cabos, mas também os diversos tipos de isoladores sofrem com a presença de harmônicos. Os pulsos de harmônicas em PWM, geram pontos de fadigas nos mesmos, que vão se ampliando até haver um rompimento do dielétrico e por conseguinte formando um caminho para a drenagem de uma corrente piloto, que formará o caminho final para a corrente de curto circuito entre a fase e a massa que dá apoio à base do isolador.

Este efeito é comum em placas de circuito impressos que entram em curto e que

estão inseridas em circuitos de alimentação carregados de níveis harmônicos, onde os pulsos das mesmas vão degradando pontos do isolamento até ocorrer a perfuração final e a queima da placa. Portanto, o sinistro ocorre devido à fadiga do isolamento pela composição das harmônicas com a fundamental que caracterizam uma distorção de corrente com valores acima do pico nominal, minando a resistência do meio dielétrico do isolamento.

Estes efeitos variam com o tipo de material isolante. A porcelana é o material que

menos sofre com este efeito, mas não fica descartada a hipótese de fadiga. Em segundo lugar vem o vidro. A seguir temos o celeron, epóxi, baquelite e outros que são mais susceptíveis ao efeito.

Durante o período de perfuração do dielétrico, caso o material isolante tenha lacunas

de ar no molde, podem ocorrer micro chaveamentos, que além de acentuarem o efeito, causam níveis de harmônicos e inter-harmônicos que são imprevisíveis. Isto pode ser observado nos isoladores de cadeia das linhas de transmissão e nos pára-raios de linha.

6.3 – Efeitos de isoladores: De maneira inversa ao item anterior, aqui temos um isolador que sofreu uma

degradação por uma descarga atmosférica ou um curto circuito franco, e que por um motivo ou outro houve uma degradação do isolador, seja com rachaduras, trincas ou fissuras que foram suficientes para provocar um certo chaveamento no sistema entre fase e terra, e que a partir destes, passou a haver uma geração de frequências espúrias, suficientes para interagir ou entrar em ressonância com a carga, que acaba por levar o isolador ao colapso total. Mas durante o período de “chaveamento” produz efeitos nefastos ao sistema e que dificilmente são detectados por ações comuns de manutenção, e só acabam por ser descobertos através do trabalho de pesquisa e mitigação no sistema.

Aqui também, é importante o cuidado com a vistoria visual dos isoladores,

principalmente os de média e alta tensão, a fim de se ter o completo controle de probabilidade de curtos circuitos nos mesmos e por fim a detecção dessa geração de transientes.

Este problema deve ser motivo de rastreamento em isoladores de torres e linha de

transmissão, isoladores de pedestal em subestações e atá em para-raios de linha, que estão mais susceptíveis a este tipo de problema. A análise destes deve ser um item em forma de estudo de caso, além de termos bibliografias excelentes sobre o assunto tais como as do Profº Dr. Luiz Cera Zanetta Júnior.





6.4 – Efeitos sobre os motores de indução: É de nosso conhecimento a existência de perdas nas máquinas elétricas, que

podem ser divididas em perdas no cobre, no ferro e mecânicas. - Perdas no cobre:

São perdas que existem nos circuitos elétricos formados pelos enrolamentos da máquina quando percorridos pela corrente elétrica. Essas perdas são provocadas pelo efeito Joule (R*I²). No caso, o enrolamento da máquina percorrido por uma corrente alternada, sofre o efeito pelicular, já explicado no item 6.1.

Portanto, as perdas no cobre são diretamente proporcionais ao quadrado da

corrente. Se esta corrente for carregada de volume harmônico, o seu valor eficaz será dado pela raiz quadrada da soma dos quadrados dos valores eficazes dos respectivos harmônicos (incluindo a fundamental). Por isto o seu valor eficaz será maior do que se o sistema tivesse uma corrente puramente sinusoidal. Por isto um aumento das perdas no cobre, gerando calor pelo efeito pelicular.

Também temos um aumento da reatância localizada em pontos dos

enrolamentos, em função da alteração da frequência e por conseguinte aumenta o campo magnético próximo ao centro do campo magnético.

- Perdas no ferro:

São as perdas que ocorrem por histerese e por correntes de Faucault devidas à variação da densidade de fluxo no ferro da máquina. A variação do fluxo magnético origina o aparecimento de um campo elétrico no núcleo dos materiais magnéticos. Estes podem formar circuitos fechados, onde são induzidas f.e.m.´s proporcionais à frequência do fluxo magnético indutor.

Estas f.e.m.´s vão dar origem à correntes elétricas (correntes de Faucault),

que ao percorrerem os circuitos fechados, geram perdas por efeito Joule. A energia assim dissipada constitui as perdas por correntes de Faucault.

Quando o campo magnético é gerado por correntes não sinusoidais

(carregadas de harmônicos), o fluxo magnético variável conterá também além do termo fundamental, um conjunto de termos harmônicos.

As f.e.m.´s induzidas no material magnético terão igualmente uma componente

fundamental e um conjunto de termos harmônicos, acontecendo o mesmo com as correntes por estas originadas sobre os circuitos fechados que se formam no material magnético.





A resistência dos referidos circuitos fechados aumenta conforme aumenta a frequência das sucessivas ordens harmônicas.

As perdas por histerese em conjunto com as perdas por corrente de Faucault

representam as perdas no ferro e podem ser calculadas pela expressão:

Phist = khist * ƒ * Βⁿmax

O valor de Βⁿmax diminui conforme aumenta o nível de ordem harmônica,

independente da variação das constantes K.

Desenvolvendo fórmulas e expressões, chegamos à conclusão que para uma

corrente de magnetização de 5ª ordem, por exemplo, tem-se 5 ƒ ciclos de magnetização, mas que provavelmente a energia não devolvida no total é inferior à não devolvida para o termo fundamental, uma vez que o ciclo histerésico terá uma menor área devido ao menor valor da

corrente, e logo menores valores de Hmax e de Βmax. - Perdas mecânicas:

A capacidade de uma determinada máquina suportar as consequências dos níveis harmônicos depende dos seus aspectos construtivos e dos efeitos que estes níveis harmônicos produzem, essencialmente no seu aquecimento extra e em particular nos sobreaquecimentos localizados que em geral se fazem sentir nos rotores das máquinas.

Temos ainda os problemas dos binários harmônicos motores ou de frenagem e

ainda a possibilidade de vários harmônicos distintos criarem binários de oscilação pendular. Estas duas características acima, levam a um desbalanceamento mecânico e a

oscilações indesejáveis, que por conseguinte podem levar à problemas com rolamentos, mancais, acoplamentos e até mesmo à um empeno de eixo num caso muito grave. Atritos de mancais e escovas, desbalanceamento da ventilação, aumentando a temperatura do motor.

Outro fenômeno é a presença de harmônicos no fluxo magnético, produzindo

alterações no acionamento, como componentes de torque que atuam no sentido oposto ao da fundamental, como ocorre com a 5ª, 11ª, 17ª, ... , ou seja todas as de sequência negativa. Isto significa que tanto a 5ª ordem quanto a 7ª induzem à uma 6ª harmônica no rotor, assim como a 11ª ordem quanto a 13ª induzem à uma 12ª harmônica e assim por diante. O mesmo ocorre com outros pares conforme já foi citado e demonstrado na característica diatônica.





O sobreaquecimento que pode ser tolerado, depende do tipo de rotor utilizado. Rotores bobinados são mais seriamente afetados do que os de gaiola. Os de gaiola profunda, por causa do efeito pelicular que leva a condução da corrente para a superfície do condutor do enrolamento em frequências elevadas, produzem maior elevação de temperatura do que os de gaiola convencional.

A ação de binários resistentes originados por harmônicos de sequência

negativa, podem causar o aparecimento de torques oscilatórios com magnitudes proporcionais às das correntes harmônicas devido à interação destas correntes harmônicas com o campo magnético de freqüência fundamental, além de aumento das perdas suplementares no cobre, num ciclo constante e geométrico até ao pico máximo da curva, levando à fadiga não só mecânica, mas também eletromagnética.

Todas estas perdas podem causar também o desbalanceamento do circuito em

função de um maior consumo em uma das fases, como efeito de compensação desses efeitos.

6.5 – Efeitos sobre as máquinas síncronas: As máquinas síncronas, por sua vez, são muito mais sensíveis a tensões distorcidas

do que as máquinas de indução. A presença de tensões distorcidas no estator, induz correntes harmônicas no rotor,

em regime permanente. O rotor que é projetado para suportar correntes alternadas só na partida, fica sujeito a estas correntes harmônicas alternadas, podendo causar danos ao mesmo.

Estas máquinas sofrem pelos mesmos motivos dos motores de indução, onde nelas

temos uma alteração forte no torque e no arrasto da partida, levando à perda de rendimento, de potência e da vida útil. O maior problema se concentra nos enrolamentos amortecedores. O ruído audível neste tipo de motor é maior.

6.6 – Efeitos sobre as máquinas assíncronas: A amplitude e a frequência da tensãoaos terminais dos enrolamentos rotóricos de

uma máquina assíncronadependem idealmente da velocidade de rotação da mesma, tensão de alimentação do estator e da razão entre o nº de espiras do estator (Ns) e do rotor (Nr).

R = Nr Ns Com a máquina parada, a amplitude da tensão do rotor (Vr) é igual à do estator (Vs)

vezes a razão de transformação r. A frequência da tensão do rotor (fVr) é igual à frequência da





tensão do estator (fVs). Neste caso, a máquina funciona como um simples transformador do estator (primário) para o rotor (secundário).

A medida que a velocidade cresce, Vr e fVr vão diminuindo, até que à velocidade de

sincronismo, Vr se anula. A partir da velocidade de sincronismo, Vr e fVr vão aumentando, até que ao dobro

da velocidade de sincronismo, ficam iguais a Vs e fVs. S = ωs - ω ωs

Vr = Vs . ІsІ ƒVr = ƒVs . ІsІ É necessário transformar estas tensões alternadas de amplitude e frequência

variáveis em tensão contínua com o menor ripple possível de tensão na saída e com as correntes consumidas do rotor com um menor conteúdo harmônico possível.

Os harmônicos de corrente no rotor devem ser minimizados de forma a diminuir as

perdas e a minimizar os harmônicos injetados na rede através da corrente do estator da máquina, uma vez que as correntes do rotor são refletidas nas correntes do estator.

Qualquer desbalanceamento ou alteração neste funcionamento, esta máquina sofre

com os níveis harmônicos e passa a injetar harmônicos de corrente na rede. Este fato se torna perigoso quando essas frequências harmônicas são de ordens altas.

6.7 – Efeitos sobre os geradores: Como já foi dito, algumas componentes harmônicas, ou pares de componentes,

podem estimular oscilações mecânicas em sistemas turbina-gerador, tal como no motor-carga, devido a uma potencial excitação de ressonâncias elétricas e mecânicas.

Dependendo do nível de oscilações torcionais dos elementos do rotor, pode-se ter

flexões nas palhetas e uma possível falha de geração de energia, ou da frequência ou até a geração de níveis harmôniocos pelo próprio gerador (turbina). Isto também se aplica em geradores à diesel. Outro fato que ocorre demais nas instalações, é o de o gerador demorar em assumir a carga, em função da variação de frequência, e esta se altera em função do nível alto de harmônicos de corrente e tensão.





6.8– Efeitos sobre os transformadores:

A partir de todos os efeitos explicados até agora, também temos as perdas no cobre,

as perdas no ferro e as perdas mecânicas devido ao nível de harmônicas de corrente ou tensão. Observamos um aumento da reatância subtransitória com a frequência. O surgimento de binários parasitas aumenta as capacitâncias parasitas entre espiras e/ou entre enrolamentos, podendo realizar acoplamentos indesejáveis e eventualmente produzir auto-ressonâncias.

Após pesquisas acadêmicas de várias ordens, a comunidade técnica observou que

com o surgimento dos binários parasitas, temos um aumento das correntes de inrush, para magnetização da máquina, com perdas razoáveis nos enrolamentos amortecedores, indutores e induzidos.

Os harmônicos de sequência zero (Sinfásicos), são aqueles que se somam no

condutor neutro, quando este existe. Quando o trafo possui enrolamentos em triângulo, os harmônicos de sequência zero circulam na malha fechada formada por esse triângulo, provocando aumento das perdas do cobre.

Esta mesma comunidade técnica (Instituto de Física da USP) chegou à uma

comparação acadêmica das perdas magnéticas em aços elétricos com e sem a presença de harmônicos de corrente, utilizando dois métodos, onde um emprega a medida das perdas pela área do diclo e o outro emprega a medida das perdas pela potência média, para um mesmo tipo de material. Esta tabela permeia vários estudos das perdas no ferro de trafos e máquinas, onde estamos desenvolvendo filtros ou melhor, atenuadores para o rebaixamento das frequências espúrias nos entreferros.

Tabela de comparação da medida das perdas magnéticas (pesquisa da IFUSP)

Perdas FeSi – 1,6T / 60Hz Com harmônicos

Sem harmônicos

Método da medida das perdas pela área do ciclo 4,31 3,63

Método da medida das perdas pela potência média 4,41 3,69 Já no trafo com enrolamento secundário em estrela, com neutro acessível, o

condutor neutro será percorrido por uma corrente (desde que existam harmônicos sinfásicos), mesmo estando o sistema equilibrado. Já no caso de sistemas desequilibrados, a situação piora e muito, gerando problemas maiores e de magnitude até fatal.





Com a presença de harmônicos de corrente, o efeito das reatâncias de dispersão fica ampliado, já que seu valor é diretamente proporcional ao quadrado da frequência e da corrente. Com isto temos um aumento das correntes induzidas pelo fluxo disperso.

As harmônicas de potência, ficam nos enrolamentos dos trafos, pois os mesmos

interagem com os campos de transformação e pouco destes é passado do primário para o secundário ou vice versa. Porém, os harmônicos em PWM, que carregam amplitudes de corrente baixas como suas portadoras, passam para o outro lado do circuito e em alguns casos causando estragos razoáveis no funcionamento dos mesmos.

As perdas mecânicas normalmente se refletem em ruído audível. A presença de

harmônicos de corrente de baixa ordem faz com que a máquina produza ruídos mais graves (diferente do ruído de carga ou sobrecarga) e os harmônicos de altas ordens provocam ruídos cada vez mais agudos, de acordo com a frequência média destas harmônicas em PWM. Quanto maior o desequilíbrio de carregamento entre fases, maior o nível de ruído audível tendo casos de níveis acima de 90 db.

O cuidado passa a ser extremo em trafos à óleo, pois além da produção das perdas

mecânicas, tem-se o aumento da temperatura e por conseguinte da degradação do óleo isolante, podendo levar a máquina ao colapso.

Os trafos à seco, encapsulados à vácuo, possuem uma capacidade de atenuação

das correntes harmônicas em ordens mais altas (até à 25ª), devido às características de construção. Este fenômeno já foi observado entre dois trafos de 1000kVA colocados no mesmo circuito (troca de trafos). Agora estamos estudando matematicamente estas causas e efeitos, com simulações e pesquisas de campo.

Os trafos monofásicos, tem seus problemas agravados pelo center tap ligado ao

aterramento, que pode ter um nível de degradação tal que venha influenciar no rendimento do mesmo.

Os TCs de barramento em anel ou janela flutuante podem sofrer por falsa corrente

diferencial causada por ressonância, influenciando na relação de transferência do mesmo e dando um certo erro de análise pelo sistema de medição ou controle e proteção.

Os TPs sofrem pela imprecisão da relação de transformação ocasionada pela

combinação entre as capacitâncias do divisor de potencial e o circuito dos mesmos, que resulta em diversas frequências espúrias.

6.9 – Efeitos sobre capacitores: Para descrever a respeito dos efeitos das harmônicas sobre os capacitores, temos

necessariamente que tecer considerações sobre Fator de Potência relacionado com as distorções harmônicas de corrente e tensão.





A partir do circuito genérico acima, temos a definição do Fator de Potência como

sendo a relação entre a potência ativa e a potência aparente consumidas por uma carga, independentemente das formas que as ondas de tensão e corrente tenham. Os sinais variantes no tempo devem ser periódicos e de mesma frequência. Na expressão abaixo, temos a base de desenvolvimento dos vários modelos.

Num sistema com formas de ondas sinusoidais, a equação acima tem por

desenvolvimento final o cosseno da defasagem entre as ondas de tensão e corrente (φ). Analisando o desenvolvimento da fórmula, temos a expressão a seguir como determinante do Fator de Potência.

O valor médio do produto das senoides nos dá a Potência ativa do sistema. O valor

de pico do sinal da Potência instantânea, é numericamente igual ao da Potência aparente. Com a defasagem nula, temos a Potência instantânea será sempre maior ou igual a zero.

À medida que varia a defasagem até 90º, a Potência instantânea assume valores

médios positivos até à correspondência com a Potência ativa, ou seja, um valor nulo. Fazendo-se os modelamentos de estudo, tem-se:





- Modelo 1: Tensão senoidal e correntes distorcidas: Para este modelo temos a expressão:

Neste caso, a Potência ativa é dada pelo produto da tensão (senoidal) por todas as componentes harmônicas da corrente (não-senoidal). Este produto é nulo para todas as harmônicas exceto para a fundamental, devendo-se ponderar tal produto pelo cosseno da defasagem entre a tensão e a primeira harmônica da corrente. Desta forma, o fator de potência é expresso como a relação entre o valor RMS da componente fundamental da corrente e a corrente RMS de entrada, multiplicado pelo cosseno da defasagem entre a tensão e a primeira harmônica da corrente.

Com o desenvolvimento dos cálculos, podemos notar que se for feito o produto

da onda fundamental por qualquer das harmônicas, o valor médio será nulo, uma vez que se alternarão intervalos positivos e negativos de mesma área. Também durante o desenvolvimento matemático, apresenta variações da corrente e suas composições, com diversas angulações.

A relação entre as correntes é chamada de fator de forma e o termo em

cosseno de Fator de deslocamento.

Portanto chegamos ao valor RMS da corrente em função das componentes harmônicas, como segue abaixo.

Na sequência, temos a definição da Taxa da Distorção Harmônica como mostrado na expressão abaixo.

Seguindo ainda o raciocínio, temos o FP escrito como:





- Modelo 2: Tensão e correntes distorcidas e mesma base de frequência:

Aquí, o cálculo do FP deve seguir a equação citada no início do item, ou seja, é necessário obter o valor médio do produto dos sinais a fim de se conhecer a potência ativa. Num caso genérico, tanto a componente fundamental quanto as harmônicas podem produzir potência, desde que existam as mesmas componentes espectrais na tensão e na corrente, e que sua defasagem não seja 90 graus.

Conforme o desenvolvimento matemático, temos uma discrepância devido ao

valor médio a ser produzido por cada componente harmônica presente tanto na tensão quanto na corrente. Valores médios negativos são possíveis desde que a defasagem entre os sinais seja superior a 90 graus. É o que ocorre, levando a uma potência ativa menor do que aquela que seria produzida se apenas as componentes fundamentais estivessem presentes.

Um sistema elétrico com baixo Fator de Potência e elevada distorção

harmônica nos revela os seguintes pontos importantes: - A máxima potência ativa absorvível da rede é fortemente limitada pelo FP. - As harmônicas de corrente exigem um sobredimensionamento da instalação elétrica e dos transformadores, além de aumentar as perdas (efeito pelicular). - A componente de 3a harmônica da corrente, em sistema trifásico com neutro, pode ser muito maior do que o normal. - O achatamento da onda de tensão, devido ao pico da corrente, além da distorção da forma de onda, pode causar mau-funcionamento de outros equipamentos conectados à mesma rede. - As componentes harmônicas podem excitar ressonâncias no sistema de potência, levando a picos de tensão e de corrente, podendo danificar dispositivos conectados à linha.

As perdas de um sistema, são ditadas pelo nível do FP conforme nos mostra o

gráfico abaixo:





Devido às características de energia dos vários tipos de consumidores e de suas

cargas, podemos dizer que é de suma importância os estudos detalhados da instalação, para se determinar os níveis de harmônicos existentes, o nível de FP existente nos vários setores da instalação, as simulações de carregamentos, correntes de curto-circuito, fluxo de amplitude de correntes harmônicas e por fim o melhor sistema de correção de FP posicionado levando-se em conta, à partir das simulações, a inexistência de ressonâncias o menor nível delas, para que se tenha estabilidade global do sistema e uma economia potencial de energia, com o menor fator de perdas possível.

De acordo com as normas, os capacitores de potência devem atender às seguintes

condições de operação:

- Suportar uma tensão igual à nominal (V=1,0pu). - Admitir uma operação contínua com uma corrente de fase cujo valor eficaz não ultrapasse 131% do valor nominal.

Outra consideração a que se deve ter, é quanto ao posicionamento dos capacitores

para correção do FP. A compensação junto ao primário do trafo, somente a concessionária de energia se

beneficiará junto aos seus sistemas e redes de distribuição, permanecendo as distorções, os intensos fluxos de correntes harmônicas nos barramentos de QGBTs e CCMs e os problemas junto ao interior das instalações e no próprio trafo.

A compensação junto ao secundário do trafo, ainda permanece a vantagem junto à

concessionária de energia incluindo agora o trafo, permanecendo ainda as distorções, os intensos fluxos de correntes harmônicas nos barramentos e os problemas junto ao interior das instalações.

Com a compensação junto a grupos de cargas,nos QGBTs e CCMs, os fluxos de

correntes harmônicas se restringem a trechos menores do sistema, havendo assim a diminuição das distorções e dos problemas no interior das instalações.

Com a compensação diretamente nas cargas, os fluxos de correntes harmônicas

podem ser fatais à estas, além de somatizar no aparecimento de ressonâncias ou ondas refletidas quando for o caso.

Portanto, para qualquer instalação, sempre haverá a necessidade de se realizar um

estudo específico e pormenorizado, para diminuirmos as chances de problemas com os distúrbios citados.

Ainda segundo estudos acadêmicos da UNICAMP, USP e outras universidades,

temos a tabela de economia potencial de energia em função do posicionamento da correção do FP.





Posicionamento do sistema de correção do FP

Primário do Trafo de entrada

Secundário do Trafo de

entrada

Central de

cargasCarga

Perdas totais sem compensação (W) 8148 8148 8148 8148

Perdas totais com compensação (W) 8125 5378 4666 3346

% total das perdas com compensação 13,54 8,96 7,78 5,58

Redução de perdas para carga de 60 kVA (W) 23 2770 3482 4802

% de redução de perdas / 60 kVA 0,04 4,62 5,8 8,0

Portanto, cada caso deve ser devidamente estudado e ponderado em função do

custo benefício do sistema a ser adotado, e da garantia da plena funcionabilidade da instalação e consequentemente da eficiência produtiva do mesmo.

É importante a correção do FP num sistema elétrico, porém não devemos nos

esquecer que quando se está dentro dos limites de corrente fundamental mas com elevado nível harmônico no capacitor, este aumenta a distorção em um sistema e contribui com o fenômeno de ressonância do circuito, aumentando enormemente a distorção, que pode terminar por explodir capacitores e transformadores, uma vez que as proteções não operam adequadamente com a presença de harmônicas no sistema. Este fato ocorre devido a interação entre os capacitores e os trafos de serviço, podendo haver a amplificação das distorções harmônicas enquanto o capacitor não estoura. Esta interação é chamada de ressonância harmônica ou ressonância paralela.

Não podemos esquecer que os problemas se agravam mais ainda com a presença

da corrente de inrush de capacitores e trafos linkados no sistema. Temos que enfatizar que os capacitores não geram harmônicas, mas agravam os

problemas potenciais das mesmas. Na verdade são os que mais sofrem com as mesmas. Sofrem por efeito pelicular nos condutores e placas internas, sofrem com harmônicas em PWM que vão minando o dielétrico entre placas do mesmo, e quando menos se espera, os mesmos entram em curto somente com uma simples corrente de fechamento de circuito, mesmo que este esteja em vazio.

Temos mais informações básicas e esclarecedoras no capítulo 7 (A influência das

harmônicas no Fator de Potência).





6.10 – Efeitos sobre cargas Resistivas: Uma grande parte das cargas dos sistemas são constituídas de resistências

passivas ou pela combinação de arranjos R-L. Como exemplo de cargas desta natureza temos as lâmpadas incandescentes e aquecedores resistivos, onde observamos que para certos níveis de distorções, diminui-se a vida útil destes equipamentos, em função das sobretensões e sobrecorrentes causadas.

Como exemplo de análise de cargas resistivas temos: - Lâmpadas incandescentes:

Estas, quando estão sob o efeito de níveis harmônicos altos, por característica, tendem a absorver parte dos mesmos, principalmente as harmônicas de sequência nula.

Porém, quanto maior o nível de harmônicas em PWM existir no circuito, maior

será a degradação do filamento das lâmpadas em função do efeito pelicular e por conseguinte do efeito joule em cascata, aumentando a luminosidade da mesma, e diminuindo abruptamente a vida útil das mesmas. Com a maior temperatura, há um maior distendimento do filamento até ao ponto de rompimento. Também, enquanto a lâmpada está nesta fase de distendimento, qualquer impulso a mais de tensâo ou corrente, ou qualquer distúrbio neles, causa a queima prematura da mesma.

Por isto, quanto maior o nível harmônico de um sistema, maior é o volume de

queima de lâmpadas. - Lâmpadas fluorescentes:

Estas, quando estão sob o efeito de níveis harmônicos altos, por característica, tendem a absorver parte dos mesmos pelos seus reatores, que acabam entrando em ressonância no sistema. Isto pode causar a queima prematura dos reatores.

Também podemos observar que quanto maior o nível de harmônicas em PWM

existir no circuito, maior será a degradação do filamento das lâmpadas, tendo em vista que as mesmas passam pelo reator e vão causar estragos nos filamentos das lâmpadas, também em função do efeito pelicular e por conseguinte do efeito joule em cascata, aumentando a luminosidade da mesma, e diminuindo abruptamente a vida útil das mesmas. Ainda não conseguimos precisar quem queima primeiro, se a lâmpada ou o reator, mas é fato que sofrem. Este fato serve para as lâmpadas PL também.

- Todas as outras lâmpadas de descarga:

Estas acompanham o mesmo dilema das lâmpadas fluorescentes, sofrendo pelos mesmos princípios citados acima.

- Resistências de aquecimento:

Estas, dependendo da configuração física das mesmas, em material e forma, podem além de sofrer com o efeito pelicular e o efeito Joule, sofrer também com impulsos de





corrente ou pulsos de tensão, que podem causar campos binários em pontos dos enrolamentos resistivos, criando sobretensões nos mesmos e levando àqueles pontos à fadiga e queima.

- Resistências de torque para partida de motores:

Estas, sofrem ainda mais com os campos binários em pontos dos enrolamentos resistivos, criando sobretensões e aumento de temperaturas nos mesmos e levando àqueles pontos à fadiga, distendimento e abertura dos mesmos.

6.11 – Efeitos sobre fusíveis, disjuntores e relés de proteção: Um nível significante de correntes harmônicas nos fusíveis causa aquecimentos

adicionais em seus contatos, levando à alterações na característica Tempo x Corrente dos mesmos. Isto pode ser particularmente significativo para as falhas ocorridas em locais com baixos níveis de corrente de curto-circuito. No caso de disjuntores, podemos ter efeitos indesejáveis resultantes de harmônicas e ressonância no circuito, causando o seu desligamento indesejável, principalmente quando se tem disjuntores com bobinas de mínima e sistemas trip.

Os relés de proteção dependem do fluxo de corrente e geralmente respondem ao

quadrado da corrente ou ao produto das correntes produzido pelas grandezas de entrada. Os relés analógicos de estado sólido respondem aos picos e distorções do sinal de entrada, que podem criar problemas de modificação das características de seus bimetálicos. Já os relés microprocessados, usando filtros digitais para extrair somente a fundamental, e atenuar os níveis harmônicos. Mas dependendo dos níveis de harmônicos em PWM e das ressonâncias formadas com o próprio sistema de seus sensores eletrônicos, pode haver uma resposta errada do relé e por conseguinte uma atuação intempestiva. Apesar de sabermos que as distorções precisam ser severas para que haja um resultado sinistro no funcionamento do relé, cada vez mais, os níveis de distorção harmônicas nos sistemas elétricos estão aumentando e passamos a notar as intempestividades com os relés.

Os relés sofrem com as harmônicas de sequência zero, pois estas causam

operações indevidas das proteções de terra. Os relés de frequência estáticos são susceptíveis de alterações em suas

características na presença de harmônicos, variando sua performance conforme a característica sequencial das harmônicas que predominam no sistema. Os níveis de burst no sistema contribuem muito para isto.

Os relés diferenciais podem sofrer com problemas de falsa resposta em função da

diferença entre as correntes carregadas e as correntes de análise dos mesmos. Este fato se acentua quando os níveis de distorção são acima de 20%.

Os relés eletromecânicos podem ter seus conjugados invertidos com níveis altos de

distorção.





Temos que salientar, que hoje, a maioria dos relés funcionam normalmente com distorções harmônicas de níveis até 15%, salvo casos especiais que devem ser analisados.

6.12 – Efeitos da ressonância: A ressonância é uma característica de todos os circuitos L-C, sendo eles do tipo

série ou paralelo, e é definida pela igualdade das reatâncias capacitivas e indutivas, ou seja: XL = XC.

Este ponto de ressonância é portanto um valor de frequência que garante a

igualdade acima mostrada, podendo ser uma frequência harmônica ou um valor próximo. Porem os efeitos de cada um dos tipos de ressonância citados (Série/Paralelo) são diferentes

No caso da ressonância em paralelo, esta apresenta um elevado valor de

impedância, pela combinação em paralelo da reatância capacitiva com a reatância indutiva, na frequência onde ambas são iguais. Isto pode representar um sério problema quando esta impedância for percorrida por uma corrente, mesmo que pequena, de mesma frequência, fazendo com que se eleve drasticamente as tensões em seus terminais e as correntes harmônicas desta ordem existentes no sistema.

Nos sistemas de potência, a utilização de capacitores para correção de Fator de

Potência pode caracterizar uma ressonância paralela no ponto de instalação a frequências harmônicas que estejam presentes no sistema.

Desta forma, em sistemas onde existem cargas geradoras de harmônicas

significativas, é imprescindível a realização de Estudos Harmônicos para garantir a instalação segura dos bancos de capacitores para correção de Fator de Potência, evitando com isto danos a esses bancos e ao próprio sistema.

Este fenômeno se caracteriza por uma impedância muito baixa para a frequência de

ressonância, podendo então ser utilizada para eliminar ou atenuar as distorções do sistema. Tal situação configura os chamados “Filtros Harmônicos”, que é a solução adotada em sistemas com graves problemas harmônicos.

Mas além dos níveis harmônicos, deve se ter o maior cuidado com os níveis de

ondas refletidas do sistema em função do comprimento da cabeação e seu casamento de impedância.

6.13 – Efeitos sobre equipamentos de medição: Apesar de hoje termos a maioria dos medidores de todos os tipos numa

configuração digital, vamos citar aqui os efeitos nos analógicos e nos digitais.





- Medidores analógicos: Os medidores analógicos são equipamentos projetados para trabalhar em

ambientes puramente senoidais, ou seja, para uma dada frequência de projeto e mínimas distorções nas formas de onda de corrente e tensão, onde os mesmos deverão operar satisfatoriamente e os erros de medição deverão estar dentro da classe de exatidão dos mesmos, previstos em normas técnicas de aprovação de modelos.

Porém, com a crescente evolução da eletrônica embarcada em todos os

setores (industrial, comercial, residencial e todos os outros), o desempenho desses medidores fica alterado, com respostas inexatas, dentro de fatores de erros inaceitáveis perante as normas.

Os dois principais componentes de erro de medição num ambiente carregado de níveis harmônicos altos, são: erros dependentes da frequência, devido à limitada faixa de frequência de operação nos circuitos conversores de entrada do próprio instrumento em sí; e erros devidos à não linearidade que é originado das características não lineares do material do medidor e é dependente da forma de onda das grandezas medidas.

Essa classe de medidores podem apresentar erros significativos, variando

numa ordem de 1 à 2,5% para distorções de atá 30% na THD e chegando até 25% em distorções até 90%.

- Medidores digitais:

Os medidores digitais, são equipamentos eletrônicos capazes de registrar o parâmetro real, independentemente da forma de onda. Portanto, são apropriados para ambientes carregados de harmônicos. Porém, seus pontos de pega de corrente podem ter seus sinais distorcidos por medirem estes quantitativos.

6.14 – Efeitos sobre computadores, periféricos e rede de dados: As harmônicas são um dos disturbios capazes de causar sinistros nestes

equipamentos. Porém é, dentre todos eles, a que tem maior incidência de casos e promoção de falhas. Sabemos que todos esses equipamentos trabalham fazendo referência com o terra, operando à níveis baixos de tensão (± 5V) e níveis de suportabilidade baixíssimos em relação à disturbios. Os distúrbios podem causar:

- Falhas em componentes eletrônicos, - Apagamento de memória (FAT de HDs) ou instruções de programas, - Erros de paridade, - Rebaixamentos na velocidade dos sistemas internos, - Erros de paridade e de scaneamento de rede, - Atuação aleatória e errada dos circuitos de proteção internos, - Reinicializações e desligamentos indesejados, - Queima de periféricos (modens, placas de rede, som e vídeo e outros), - Queima de placa mãe e placas secundárias.





As harmônicas podem penetrar na alimentação do equipamento, por meio de acoplamentos indutivos ou capacitivos e até mesmo pelo aterramento, que passam a ser mais efetivos com o aumento da freqüência, produzindo assim, efeitos em amplitudes de correntes, que passam a ser entendidas pelo sistema funcional como ordens digitais, podendo ocasionar os distúrbios citados, além de reboots e setups, alterar a ordem e velocidade do scaneamento da rede, danificar clusters de disco, queimar saídas seriais e ou paralelas, principalmente se houver impressoras com controles bidirecionais, queimar sistemas SCSI e mother board, e uma gama enorme de periféricos que dependem de uma certa estabilidade da energia.

Como exemplo, temos um fato ocorrido num cliente onde tinhamos um sistema

carregado de harmônicos (68% na THDI) com mais de 5 computadores em rede, servidos por uma impressora matricial e outra a lazer. Toda vez que as impressoras partiam simultaneamente com uma das máquinas plugadas na internet, queimava o modem e o HUB de impressão. Foi descoberto que havia ressonância entre duas máquinas e a impressora a laser. Além de termos um terra saturado com 3 A e 27% de harmônica de corrente na THD. Com a partida das impressoras, era gerado um pulso altíssimo pela laser que passeava pelo terra que era altíssimo para os equipamentos. Também tivemos no histórico, antes da queima, reboots de máquinas e queima de clusters de 2 HDs. Readequação do terra e filtragem do sistema resolveu o problema.

Para melhor visualizarmos o horizonte dos efeitos e causas de distúrbios de energia

em computadores, temos a tabela abaixo:

Distúrbios Efeitos

SAG Outage Impulso2 x nom

Impulso 4 x nom

Surto de

terra THDI Flicker Onda

refletida

Atuação errada de proteção CA Sim Sim Sim Sim Problemas em fontes internas Sim Sim Sim Sim Falha de circuitos internos Sim Sim Sim Ordens operacionais erradas Sim Sim Sim Sim Sim Sim Problemas com disco rígido Sim Sim Sim Travamentos intermitentes Sim Sim Sim Reboots e setups aleatórios Sim Sim Sim Sim Erros de paridade em redes de dados Sim Sim Sim

Cintilação de monitores Sim Sim Baixa velocidade nas redes Sim Sim Sim Queima de periféricos por cabos de sinal Sim Sim Sim Sim

Em ambientes de CPD e núcleos de Processamentos de dados, todos esses

distúrbios são visualizados constantemente no dia a dia, e muitas vezes não se dá a devida importância ao assunto, e a ineficiência produtiva reina sem que haja a percepção do disperdício.





6.15 – Efeitos sobre os Sistemas de telecomunicações:

No hall das telecomunicações, vamos salientar a telefonia móvel, telefonia fixa, rádio

e TV, com alguns efeitos praticamente comuns à esses setores. Os equipamentos de telecomunicações dessas áreas são muito sensíveis à distúrbios de energia elétrica e de aterramento. Sendo na maioria das vezes compostos de sistemas digitais, que processam audio, e utilizam o terra como referência, operando com diversos níveis de tensão, além de serem conectados através de redes internas e externas (transmissão), sofrem por distúrbios de energia e pior ainda, podem transferir alguns sinais espúrios de audio à nível de transmissão, na grande maioria das vezes imperceptíveis ao sentido humano.

Os altos níveis de harmônicos podem causar:

- Alteração de controles de audio e aumento dos níveis de ruído, - Interferência na transmissão de dados, - Falha de componentes eletrônicos, - Baixa relação sinal-ruído (interferência na transmissão de audio ou fonia), - Dessintonia de estações transmissoras, - Perda de sinal de paridade e aumento do scaneamento do sistema, - Distorção das bandas laterais portadoras de sinais, - Aumento intermitente de ruído no trafego, - Mutação na portadora de sinal da base de transferência de dados.

A presença de correntes e tensões harmônicas no sistema de potência e no

aterramento, podem causar estes ruídos espúrios, devido ao acoplamento comum existente entre este e os sistemas diretos de comunicação, através dos campos magnéticos e elétricos existentes. A densidade de equipamentos existente dentro de uma instalação levam à limites cada vez mais tênues da ressonância no sistema, o que normalmente ocorre devido à falta de conhecimento ou preocupação com as características dos projetos de alimentação e distribuição nestas áreas.

No setor da telefonia, temos fatores de ponderação, que demonstram a relação da

resposta do aparelho telefônico, com o acoplamento entre circuitos e a sensibilidade do ouvido humano para várias frequências. Apesar destes fatores demonstrarem os efeitos das harmônicas no ruído telefônico, independente dos parâmetros elétricos do sistema, os mesmos servem de base para indicar a qualidade do sistema, e servem de base para outras análises em outras áreas da telecomunicação.

Muitas vezes, a sobreposição de ruído em áudio e imagem, podem vir de

ressonância e produto de frequências cuja fundamental está baseada nos 180 Hz, que é a frequência reinante nos aterramentos (3ª harmônica), e que passam a ser a base (fundamental) de várias outras frequências espúrias existentes dentro das bandas de operação e transmissão nos setores de telecomunicações. Com amplificações e transmissões inerentes ao setor, estes espúrios se propagam interna e externamente, causando estragos.





No caso da difusão de rádio, tais espúrios podem afetar a qualidade da recepção e alterar o nível de nitidez do sinal, afetando as portadoras no caso de FMs e da perda em dB no caso das AMs. A existencia de níveis harmônicos altos, alteram até a oscilação da frequência de transmissão dependendo da amplitude de corrente dos níveis harmônicos reinantes nos sistemas e do tipo de VFO existente no sistema.

Fatores como o TIF (Telephone Influence Factor) utilizados nos Estados Unidos e o

THFF (Telefone Harmonic Form Factor) utilizados na Europa, tem características semelhantes e dão a medida da intensidade do acoplamento entre o sistema elétrico e o telefônico em função da frequência. É comum a perda de potência de transmissão em função do aumento das perdas por níveis espúrios. E se estes níveis passam para a transmissão, temos alteração no comportamento da antena de transmissão e assim por diante.

Na planilha abaixo, temos os fatores de ponderação no sistema (Ph).

Frequência (Hz)

Valor em (dB)

Valor numérico

Frequência (Hz)

Valor em (dB)

Valor numérico

Frequência (Hz)

Valor em (dB)

Valor numérico

50 - 63,0 0,71 800 0,0 1000 1950 - 2,86 720 60 - 58,0 1,26 850 0,3 1035 2000 - 3,01 708

100 - 41,0 8,91 900 0,6 1072 2050 - 3,12 698 120 - 36,0 15,8 950 0,9 1109 2100 - 3,24 689 150 - 29,0 35,5 1000 1,0 1122 2150 - 3,36 679 180 - 24,4 60,3 1060 0,9 1109 2200 - 3,48 670 200 - 21,0 89,3 1100 0,6 1072 2250 - 3,60 661 240 - 17,0 141 1150 0,3 1035 2300 - 3,72 652 250 - 15,0 178 1200 0,0 1000 2350 - 3,84 643 300 - 10,6 295 1250 - 0,20 977 2400 - 3,96 634 350 - 8,5 376 1300 - 0,40 955 2450 - 4,08 625 360 - 7,9 403 1350 - 0,65 923 2500 - 4,20 617 400 - 6,3 484 1450 - 1,10 881 2550 - 4,33 607 420 - 5,8 513 1500 - 1,30 861 2600 - 4,46 598 450 - 4,7 582 1550 - 1,49 842 2650 - 4,59 590 480 - 4,0 631 1600 - 1,68 824 2700 - 4,73 580 500 - 3,6 661 1650 - 1,86 807 2750 - 4,87 571 550 - 2,7 733 1700 - 2,4 791 2800 - 5,01 562 600 - 2,0 794 1750 - 2,22 775 2850 - 5,15 553 650 - 1,4 851 1800 - 2,39 760 2900 - 5,30 543 700 - 0,9 902 1850 - 2,56 745 2950 - 5,45 534 750 - 0,4 955 1900 - 2,71 732 3000 - 5,60 525





( )AmperesIT ∑=

=n

1hIh)² .Ph .(Kh

O fator de influência TIF, é definido matemáticamente como:

( )puTIF ∑=

=n

1h Uh)².Ph .(Kh

Temos ainda IT definido pela expressão abaixo: Temos que: h = ordem harmônica Uh = Tensão harmônica (pu) Ih = valor eficaz da corrente harmônica de ordem h (A) Ph = fator de ponderação no sistema (planilha anterior) Kh = coeficiente de acoplamento entre a linha de energia e telefônica O parâmetro IT tem relação direta com as correntes harmônicas, resistividade do

solo, densidade dos circuitos telefônicos em interação com os circuitos elétricos, desequilíbrio das fases de alimentação, níveis de ressonâncias, já que existe o acoplamento entre o sistema telefônico e de energia, com variação proporcional à frequência reinante.

Numa análise minuciosa, quando se tratar de harmônicos de potência, devemos ter

o cuidado ao se utilizar este parâmetro, já que o IT dá importância excessiva às harmônicas de ordens altas, e isto pode produzir um erro de interpretação e por conseguinte de distribuição da filtragem. Mas é um fator fundamental em sistema de telecomunicações, tendo em vista o nível de frequência reinantes nos mesmos. Também nos casos da área de engenharia biomédica (hospitalar), em função do universo dos equipamentos existentes, deve-se levar em consideração tal parâmetro.

Sabemos que a composição das harmônicas num sistema carregado depende das

ressonâncias existentes e dos valores eficazes de geração desta, bem como dos PACs de referência para os cálculos. Portanto, o desenvolvimento dos cálculos de TIF e do IT devem ser feitos à partir da pesquisa dos pontos onde a composição das harmônicas é de pior características levando-se em consideração o mesmo PAC.

A média ponderada dos pontos de medição deve ser usada para os níveis

harmônicos de ordem baixa (harmônicas de potência) para que haja consistência de dados. Mas no caso das harmônicas de ordem alta (harmônicas em PWM), deve-se partir para os picos de incidência, onde obtém-se as amplitudes de atuação, independentemente da consistência, já que em frequências altas, qualquer pico somado às mesmas causam problemas no sistema. Esta regra básica de rastreamento está descrita no capítulo 6.





( )pnh ×=

Sem entrar em detalhes e desenvolvimentos profundos deste assunto, onde o

campo é vasto e se estende para outras áreas, merecendo um trabalho mais elaborado extenso nos detalhes e variáveis, que não são poucas, queremos que fique a idéia e que sirva de base para a implementação de novas teses.

6.16 – Efeitos sobre os sistemas de controle de processos (PLCs e outros): Os equipamentos que compõe estes sistemas, são baseados em

microprocessadores e por conseguinte apresentam os mesmos sintomas dos efeitos sobre computadores. Estes sistemas tem sensibilidade afetada pelos distúrbios elétricos cujas varáveis estão relacionadas com o aterramento, características do projeto, velocidade de operação, densidade e interligações entre equipamentos no sistema e configuração da rede de comunicação.

Distúrbios

Efeitos SAG Outage Impulso

2 x nom Impulso 4 x nom

Surto de


refletida

Falha de/em circuitos Sim Sim Sim

Erros de memórias Sim Sim Sim Instabilidade na velocidade do sistema Sim Sim Sim

Falha de SCRs e similares Sim Sim Sim Problemas com fontes de alimentação Sim Sim Sim Sim

Reinicializações de ordens ou blocos de ordens Sim Sim Sim Sim

Travamentos ou blackouts Sim Sim Sim Intempestividade operacional Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim Religamentos inesperados de micro sistemas Sim Sim Sim

6.17 – Efeitos sobre os retificadores e Conversores estáticos de potência:

Estes equipamentos, tem como base de funcionamento, a variação da velocidade

através da tensão alternada ou contínua, controlando a frequência e tensão. Na equação geral abaixo temos:





Onde: - h é a ordem harmônica, - n é qualquer nº inteiro, - p é o nº de pulsos. Uma tabela válida tanto para conversores quanto para retificadores conforme a

forma de onda e o número de pulsos, que determinam as características do espectro harmônico gerado.

Tipo de Número de pulsos Ordem harmônica presente

Retificador de meia onda 1 2, 3, 4, 5, 6, 7 .......

Retificador de onda completa 2 3, 5, 7, 9, ......

Retificador de onda completa trifásico 6 5, 7, 11, 13, 17, 19, ......

Retificador de onda completa trifásico 12 11, 13, 23, 25, 35, 37, ..... Temos como consequência dos níveis harmônicos presentes na alimentação destes

equipamentos os seguintes itens: - Falha em componentes eletrônicos. - Interferência nos programas. - Travamento de certas operações. - Controle e interface digital/analógico com operações erradas. - Realimentação ativada por falsa operação induzida. - Ativação de SCRs de controle fora do tempo previsto devido à amplitude e velocidade dos picos harmônicos. - Em sistemas de Corrente Contínua, podem surgir tensões indesejáveis devido à modulação de pulsos intermitentes (harmônicas em PWM).

Todos os equipamentos desta categoria, são sensíveis ao ponto de comutação ou

de passagem pelo zero da onda senoidal quando do carregamento de níveis harmônicos. No caso de conversores e inversores, pode haver o deslocamento do ponto natural de comutação alterando o desempenho dos mesmos e dependendo do nível deste deslocamento, pode levar à queima do equipamento. Já no caso dos retificadores controlados, pode haver um rebaixamento da tensão de saída ou a piora do fator de potência.

Estes equipamentos, além de sempre serem geradores de harmônicos, também

podem ser afetados pelas harmônicas, caso ocorram ressonâncias que afetem a amplitude de corrente e a freqüência de operação, principalmente quando eles utilizam os cruzamentos com o zero da onda fundamental, conforme já citado anteriormente, para realizar suas operações e ordens funcionais, onde as distorções na forma de onda passam a alterar e inviabilizar seu funcionamento.





6.18 – Efeitos sobre os equipamentos de biomedicina (hospitalares):

Os equipamentos da área biomédica são eletrônicos e em sua maioria utilizados em

aplicações de monitoramento médico de sinais vitais, dosagem de medicamentos, diagnósticos de órgãos ou do corpo inteiro, auxilio efetivo em cirurgias, terapias com sistemas invasivos e até a substituição de órgãos temporariamente.

A evolução e sofisticação de todo o aparato de equipamentos biomédicos, bem

como as instalações e sistemas hospitalares coloca este setor de consumo de energia numa situação muito delicada frente aos distúrbios de energia. Os desafios para a estabilização do sistema elétrico hospitalar são cada vez maiores, exigindo um nível de pesquisa e engenharia de solução mais refinado e específico.

Por ser uma área de ultra responsabilidade, já que está diretamente ligado ao

mantenimento da vida, não se pode ter erros e falhas por mínimas que sejam. Temos como consequência dos níveis harmônicos presentes na alimentação destes

equipamentos os seguintes itens: - Interferências nas medições e análises. - operações erradas ou imprecisas. - Sobreposição de sinais em sistemas que estejam ligados ao coração (60 `230 batidas por minuto, com 110 mV de média de pulso cardíaco) o que levaria a um falseamento de leitura ou de sobre impulso elétrico para um ressuscitador cardíaco. - As ondas celebrais estão na faixa de 3 à 100Hz, que qualquer impulso com frequência próxima pode alterar o funcionamento normal de um eletroencefalograma. - A perda de referência nas lâminas de varredura de uma tomografia computadorizada ou de um falseamento de resultado (sombras) em uma ressonância.

Distúrbios

Efeitos SAG Outage Impulso

2 x nom Impulso4 x nom

Surto de


refletida

Falha de/em circuitos Sim Sim Sim Erros medições Sim Sim Sim Sim Sim Travamento no processo de diagnósticos Sim Sim Sim Sim

Problemas com fontes de alimentação Sim Sim Sim Sim

Reinicializações de diagnósticos inesperadas Sim Sim Sim Sim Sim Sim

Cintilação do visores de monitoramento Sim

Religamentos inesperados Sim Sim Sim





7 – A INFLUÊNCIA DAS HARMÔNICAS NO FATOR DE POTÊNCIA Sabemos que a corrente elétrica total que circula numa carga qualquer é resultante da

soma vetorial de duas componentes de corrente elétrica. Uma componente que é denominada de corrente ativa e a outra que é denominada de corrente reativa. A soma vetorial da corrente ativa e da corrente reativa é denominada de corrente aparente.

Também sabemos que o resultado da multiplicação da corrente pela tensão é

denominada de potência. Logo, o produto da corrente ativa numa carga pela tensão a que está submetida esta carga resulta na potência ativa da carga e o produto da corrente reativa numa carga pela tensão a que está submetida esta carga resulta na potência reativa da carga e, a soma vetorial da potência ativa e da potência reativa de uma carga resulta na potência aparente da carga.

Sabemos ainda, que o resultado da multiplicação da potência pelo tempo é denominada

de energia. Sendo assim, o produto da potência ativa de uma carga por um intervalo de tempo t resulta na energia ativa da carga e, o produto da potência reativa de uma carga pelo mesmo intervalo de tempo t resulta na energia reativa da carga e, a soma vetorial da energia ativa e da energia reativa de uma carga, se podemos dizer assim, resulta na energia aparente da carga.

Vetorialmente, a potência reativa está defasada (adiantada ou atrasada) de 90º em

relação à potência ativa.





Se a carga consome energia reativa, diz-se que a energia reativa consumida está 90º atrasada em relação à energia ativa. No sentido anti-horário (ao contrário dos ponteiros do relógio) a curva da potência ativa atinge pontos de máximos e de mínimos 90º na frente da curva da potência reativa, ou seja, a curva da potência reativa está 90º atrasada em relação à curva da potência ativa.

Se a carga fornece energia reativa, diz-se que a energia reativa fornecida está 90º

adiantada em relação à energia ativa. No sentido anti-horário (ao contrário dos ponteiros do relógio) a curva da potência ativa atinge pontos de máximos e de mínimos 90º após a curva da potência reativa, ou seja, a curva da potência reativa está 90º adiantada em relação à curva da potência ativa.

Fisicamente, qualquer equipamento que transforme energia elétrica recebida em outra

forma de energia (térmica, luminosa, mecânica, etc) sem necessitar de uma "energia" para efetuar a transformação é um equipamento consumidor de energia ativa. Qualquer equipamento que, ao contrário, precise de uma "energia" para efetuar a transformação é um equipamento consumidor de energia ativa e de energia reativa.

Em geral, a maioria das cargas de uma instalaçào elétrica são indutivas, ou seja, como

vimos, são consumidoras de energia reativa. Elas consomem energia reativa porque precisam de um campo eletromagnético para

funcionarem, por exemplo, ela é a responsável pela magnetização dos enrolamentos de motores, transformadores, reatores, etc que são equipamentos que necessitam de uma "energia magnetizante" para transformar parte da energia recebida em trabalho util, ou seja, em energia consumida transformada. Esta parcela de energia trocada entre o gerador e o receptor, que não é propriamente consumida como energia, é que é a energia reativa.

Numa instalação elétrica normalmente teremos envolvidas então a Energia ativa, que

realiza o trabalho propriamente dito, gerando calor, iluminação, movimento, etc e a Energia reativa, que manterá o campo eletromagnético. A soma destas duas energias, como já vimos,





resulta na energia aparente ou energia total da instalação elétrica.A energia reativa poderá ser indutiva ou capacitiva.Ela será indutiva quando a instalação elétrica a requisitar da fonte de suprimento de energia elétrica (caso das cargas indutivas), neste caso ela é tida como negativa. Ela será capacitiva quando a instalação elétrica a fornecer a fonte de suprimento de energia elétrica (caso das cargas capacitivas), neste caso ela é tida como positiva.

Como já vimos, cabe lembrar que a energia reativa indutiva impões atrazo na corrente em

relação a tensão, já as cargas capacitivas que geram energia reativa capacitiva impõe adiantamento na corrente em relação a tensão.

Esta é a razão de utilizarmos capacitores para corrigir o baixo fator de potência causado

pelas cargas indutivas na maioria das instalações elétricas. Para efetuar a medição da energia ativa, as concessionárias utilizam medidores de energia ativa (quilowatímetros).

Como definição temos:

- As cargas que consomem energia reativa são denominadas de cargas indutivas. - As cargas que fornecem energia reativa são denominadas de cargas capacitivas. - As cargas que não consomem e nem fornecem energia reativa são chamadas de

cargas resistivas. - As ressonância cuja amplitude de corrente está adiantada da tensão, chamamos

de ressonância capacitiva. - As ressonância cuja amplitude de corrente está atrasada da tensão, chamamos de

ressonância indutiva. Como exemplo de cargas que consomem energia reativa temos:

- Transformadores, - Motores de indução, - Reatores

Como exemplo de cargas que fornecem energia reativa temos:

- Capacitores, - Motores síncronos, - Condensadores síncronos

Afora a incidência da multa pela concessionária, o baixo fator de potência causa sérios

problemas às instalações elétricas, tanto do consumidor quanto da concessionária, como: - Sobrecargas nos cabos e transformadores; - Crescimento da queda de tensão; - Redução do nível de iluminamento; - Perdas de energia; - Diminuição da vida útil dos equipamentos; - Riscos de queima de equipamentos por problemas de isolamentos elétricos; - Aumento dos problemas com distorções harmônicas na instalação.





O Fator de Potência em um sistema senoidal puro (sem a presença de distorções harmônicas) como já vimos, é a expressão do cosseno do ângulo formado entre os fasores da potência aparente fornecida à carga, e a potência ativa que é efetivamente transformada em trabalho. O triângulo das potências representa os elementos principais que compõe o fator de potência, conforme mostra abaixo:

A Potência reativa indutiva QL e a Potência reativa capacitiva QC tem sinais opostos, e

quando somadas, são diminuídas uma da outra. Quando se instalam capacitores junto a um sistema, à medida que aumentamos a carga capacitiva, a potência reativa é reduzida, com isto o ângulo φ é reduzido, resultando num fator de potência maior.

Quando temos um sistema composto com cargas não lineares geradoras de distorções

harmônicas, o triângulo das potências sofre uma alteração, onde temos uma terceira dimensão, provocada pelos Vas necessários para sustentar a distorção do sinal da frequência fundamental e por conseguinte, é o que sustenta o nível de ressonância.

Para uma melhor visualização, temos a figura abaixo:





Sabemos que: P (t) = u (t) . i (t)

∑∞

=

+=1

00 cos...n

nnn IUIUP φ

logo: P = Uo . Io + U1 . I1 . cosφ1 + U2 . I2 . cosφ2 + ....... E portanto:

eficazeficaz UIIUIUPotênciadeFator

×+××+××

=L222111 coscos φφ

O Fator de Potência é o cosφ, apenas para uma senoide pura. Num sistema com cargas

geradoras de distorções harmônicas, temos a descrição de dois tipos de Fator de Potência:

- Fator de Potência Real:

Este leva em consideração os ângulos de fase de cada harmônica e a potência reativa necessária para produzi-las, sendo este, o valor que deve ser efetivamente corrigido.

- Fator de Potência de deslocamento:

Este leva em consideração apenas a defasagem para a frequência fundamental. Quando não temos distorções harmônicas, é igual ao Fator de Potência Real. Seu valor é sempre mais elevado que o Fator de Potência Real.

Quando os níveis de distorções harmônicas são altos ou além disto pulsantes, a tarefa de

correção do Fator de Potência é mais complexa. Muitas vezes não basta acrescentar capacitores na linha do sistema, sem que haja um estudo casado dos níveis harmônicos e do fator de potência em todo o sistema elétrico em questão. Às vezes, a colocação de um banco de capacitores pode trazer transtornos maiores do que a multa, tendo em vista que o mesmo pode não corrigir o FP real, podendo adicionar ressonâncias ou acentuar as já existentes, tornando a operacionabilidade do sistema insustentável, ficando mais caro devido à baixa eficiência produtiva.





Se tomarmos como exemplo um ramal industrial cuja carga alimentada tem as seguintes

características:

Dados

Item Valor Unidade Descrição Relação

1 100 kW Potência Ativa P

2 61,96 kVAr Potência Reativa Q

3 117,64 kVA Potência Aparente S

4 0,85 disp Cos φ FP

5 0,79 True Fator de Potência FPr

6 63,4 % Distorção Harmônica de corrente THDI

7 8,93 VA Dist DVA Observamos que pelo método convencional, bastava um capacitor de 29 kVAr para a

correção. Porém, com a distorção harmônica existente, devemos optar por um banco automático de 2 estágios, com um total de 45 kVAr. Observamos ainda que o Fator de Potência Real está muito abaixo do Cos φ, e que o nível de distorção harmônica do sistema é muito alto.

RESSONÂNCIA Por uma questão estratégica, decidimos descrever mais sobre o assunto justamente

neste item, por acharmos que é muito pertinente e na maioria das vezes o fenômeno ocorre ou se acentua quando da colocação de capacitores para correção do Fator de Potência do sistema.

Como vinhamos enfatizando ao longo deste trabalho, é necessário a consideração do

estudo do problema potencial de ocorrência de ressonância harmônica em virtude das condições das distorções harmônicas no sistema.

Como regra básica, temos que com componentes ideais nos circuitos, a reatância indutiva

tem seu aumento diretamente relacionado com o aumento da frequência e a reatância capacitiva é inversamente proporcional com o aumento desta. Portanto, nas condições ideais, na frequência de ressonância de um circuito indutivo-capacitivo (LC), temos que a reatância capacitiva se iguala à reatância indutiva.





Num circuito fechado e carregado, temos duas formas de ressonância a serem consideradas:

- Ressonância em série:

Nesta, a impedância na frequência de ressonância se reduz somente à resistência do circuito. No caso em que os componentes da impedância tem seus valores baixos, as correntes sob a frequência de excitação são grandes. Nas figuras abaixo, temos o circuito relativo, com os respectivos componentes da impedância, e seu gráfico característico de impedância x frequência.

Na prática, a ressonância é limitada pela fonte. Se considerarmos que a capacidade

de potência da fonte de harmônicas, geralmente é bem menor que a capacidade de potência do banco de capacitores, o fluxo de correntes harmônicas fica dentro de limites toleráveis. Caso haja a geração de fluxo de correntes harmônicas vindas da fonte de energia, na faixa da frequência de ressonância, pode ocasionar problemas sérios. O circuito em ressonância teria um circuito em série sintonizado formado pelo banco de capacitor e o transformador abaixador, perante a fonte de energia.

- Ressonância em paralelo:

Aqui, também a reatância capacitiva se iguala à reatância indutiva na frequência existente. Porém, a impedância em paralelo é bem diferente. Na frequência de ressonância, a impedância é muito grande, e quando passa a ser excitada por uma fonte com esta frequência, haverá um fluxo de uma alta amplitude de corrente da indutância para a capacitância, embora a fonte que a gerou seja pequena.

Z





Na prática, quando a indutância da fonte de energia ressona com o banco de capacitores

na frequência de excitação das fontes de harmônicas do sistema, dizemos que houve uma ressonância paralela no mesmo. E nesta condição, as harmônicas são amplificadas pela condição de ressonância existente e são somente limitadas pelo amortecimento do circuito paralelo. Portanto, podemos ter um excessivo fluxo de corrente harmônica e/ou o aparecimento de sobretensões harmônicas, onde pode se agravar com o aparecimento de ondas refletidas caso haja uma falta de casamento de impedância do sistema em função da cabeação. Isto é comum em circuitos de motores alimentados por softstarts e inversores com ramais extensos. E no caso dos softstarts e inversores, ainda temos uma agravante se o aterramento estiver saturado com frequências espúrias e impulsos altos de corrente.

Se analisarmos o caso de um sistema, especificamente em um alimentador de

barramento, para o qual a grandeza constante é a Potência Aparente, já que ela define a capacidade térmica e de condução do cabeamento, temos que a análise fasorial deve ser feita conforme a combinação de fasores relativos a cada componente harmônica, já que a tensão e a corrente tem ondas não senoidais. Lembrando que nos cálculos, não devemos esquecer do módulo e ângulo das grandezas fundamentais e harmônicas.

Para um baixo fator de potência num sistema carregado de distorções harmônicas,

grande parte da capacidade de condução de corrente do cabeamento está sendo utilizado para transmitir uma corrente que não produzirá trabalho na carga alimentada, além de termos uma parte desta mesma corrente se perdendo em perda joulica na própria cabeação em função do efeito pelicular.

Se na análise encontrarmos um nível razoável de ordens altas, com amplitudes

consideráveis de corrente, num cabeamento extenso, podemos ter binários no campo elétrico ao longo do mesmo que vão produzir picos de ondas refletidas, diretamente proporcionais aos picos de amplitudes de corrente harmônicas, que vão causar pontos minados no isolamento e pontos quentes em suas conexões das extremidades. Cabos blindados tendem a sofre menos com este efeito. Sob ressonância, os efeitos ficam aumentados em todos os aspectos.

Z





BANCO DE CAPACITORES Por tudo que já foi dito, quando temos distorções harmônicas no sistema com correção do

Fator de Potência, temos a imposição do rastreamento, pesquisa das fontes geradoras dessas distorções e análise das ressonâncias principalmente com o banco de capacitores.

Tendo uma instalação em operação, é necessário medir todos os barramentos, ramais,

cargas importantes e “nichos” de cargas conforme a definição baseada na experiência do pesquisador. Portanto, essa experiência é que dita o sucesso da implementação da “SOLUÇÃO”. Para que se tenha uma visão antecipada de tal implementação, é necessário utilizar-se de medições completas (com todos os parâmetros elétricos), aliados aos diagramas unifilares atualizados e compostos das respectivas distâncias dos cabeamentos e devidamente simulados em softwares específicos e confiáveis.

Com isto, tendemos a chegar em valores mais próximos da realidade, onde todas as

tentativas e erros não causam custo de implementação física já que a simulação está no campo computacional.

No caso de projetos novos, deve-se utilizar a mesma visão, porém, os dados de

medições serão substituídos pelos dados de fabricantes dos equipamentos e capacitores. Partindo-se do presuposto que esses dados são confiáveis, e que para nossa simulação passam a ser reais.

Normalmente temos após a implementação do projeto simulado como um todo, a

adequação e ajuste à realidade da infraestrutura elétrica com carregamento. As diferenças entre os resultados práticos e os simulados do projeto, dependem do quão os dados fornecidos pelos fabricantes de equipamentos são reais ou simples propagandas comerciais. È claro que as grandes marcas prezam pelo bom nome e pela fidelidade do mercado, onde não precisamos citar nomes para quem já está mergulhado neste universo.

Mas não bastam somente as “receitas de bolo” em medições, estratificações e

diagramas. É necessário o feling e a experiência do profissional para realizar as diversas simulações de configurações para que se consiga a melhor configuração de circuitos e posicionamento de cargas e banco de capacitores perante os barramentos, para que se obtenha:

- o menor nível de harmônicos no sistema; - o menor fluxo de correntes harmônicas na barra e por conseguinte a menor potência de harmônicos e de perda no sistema; - casamento orientado de geradores e receptores de harmônicos perante a barra de distribuição; - o máximo rebaixamento de bursts no sistema, principalmente os de altas ordens; - a atenuação ou eliminação das ressonâncias; - o maior rebaixamento dos níveis e picos de pulsos e impulsos no terra; - o melhor ajuste dos bancos de capacitores; - a melhor adequação da infraestrutura ao tratamento do Fator de Potência.





Especificamente no caso de banco de capacitores, sofrendo com distorções harmônicas

no sistema, podem ser tomadas algumas ações de solução prática que serão citadas como estudo de casos implementados segundo os itens abaixo:

- Método de alteração da especificação dos capacitores: Tomando o caso que aconteceu em dada Indústria Metalúrgica, em SP, tem-se a

seguinte descrição do sistema. Instalação composta basicamente por motores acionados por sistemas eletrônicos, robots de solda, máquinas de solda à ponto, prensas controladas por CLPs, ou seja, a maioria dos equipamentos tem um nível razoável de eletrônica embarcada, com a agravante de 50% serem monofásicos.

O sistema elétrico da referida indústria em análise possui dois transformadores de 1

MVA, 13,8 /0,44KV, operando em cabines separadas com cargas devidamente orientadas e sistema automático de correção do fator de potência para cada um.

Iremos analisar as subestações em separado, em função das características das cargas

de cada uma, conforme segue abaixo: - SE Ι: A carga desta subestação é composta exclusivamente de prensas controladas por

sistemas eletrônicos, sistemas de iluminação com lâmpadas vapor de sódio, equipamentos de escritório e laboratório de qualidade, balança de pesagem, sistemas de apoio (central telefônica, central de combate à incêndio e outros de pequena potência).

Foram realizadas medições no QGBT, disjuntor e barramento geral, disjuntor do sistema

de correção do Fator de Potência e foi constatado uma corrente média de carga de 1.320 A, e fator de potência médio de 0,93, conforme a atuação da carga e do sistema de capacitores.

A distorção da tensão na THD era de 4,3%, com a predominante de 5ª ordem. A

distorção da corrente na THD era de 45,9%, também com a predominante de 5ª ordem. Devido aos níveis harmônicos estarem acima dos limites, é que foi observado problemas

como queima de capacitores, mal funcionamento de sistemas eletrônicos de controle e de alguns equipamentos de informática do escritório e do laboratório de qualidade. O banco automático de capacitores, com 270 KVAr, composto de capacitores de 15, 30 e 50 KVAr, passou a sofrer perdas periódicas, após a instalação de 2 prensas de 800 Ton. Foram observados estufamento de algumas “latas” (caixa), aquecimento excessivo e em alguns casos vazamento de óleo isolante de algumas unidades. Também foi observado a perda de programação do PLC de uma das prensas de 800 Ton., chegando a ocorrer a perda de dados até duas vezes por dia.





Tambem foi observado o aquecimento do banco de capacitores, cuja temperatura na carcaça era de 47ºC, e portanto seu interior chegava facilmente aos 54ºC, o que é fatal para o mesmo.

O banco automático em questão era composto de 8 estágios, sendo 3 capacitores de

50, 3 de 30 e 2 de 15 Kvar. A medição em um capacitor de 30 KVAr, 440 Volts e - SE ΙΙ: A carga desta subestação é composta exclusivamente de máquinas de solda à ponto,

máquinas de solda MIG e TIG, equipamentos de ferramentaria, sistema robotizado alimentado por busway exclusivo, sistema de ar comprimido e arrefecimento de água, sistema eletrônico de micro medição e sistemas de iluminação com lâmpadas vapor de sódio.

Foram realizadas medições no QGBT, disjuntor e barramento geral, disjuntor do sistema

de correção do Fator de Potência e foi constatado uma corrente média de carga de 1.722 A, e fator de potência variando de 0,89 à 0,94, conforme a atuação da carga e do sistema de capacitores.





8 – O ESTUDO DAS HARMÔNICAS DE UM SISTEMA O estudo de harmônicas se aplica à fase de projeto de uma instalação nova ou à uma

instalação já em operação. Um estudo completo é composto das seguintes etapas:

- Identificação dos pontos geradores e receptores do sistema. - Pesquisa das características elétricas de cada carga. - Medição dos parâmetros elétricos de cada ponto identificado e pesquisado. - Estratificação dos parâmetros medidos de cada ponto. - Análise da estratificação e das características dos gráficos de cada ponto. - Simulação teórica do sistema com as características elétricas, dados medidos e carregamentos pertinentes. - Fluxogramação e diagramação das correntes harmônicas e dos níveis de onda refletida. - Mitigação para cada ponto, alimentador ou ramal do sistema em questão. - Projeto do sistema de filtragem aplicável ao sistema. - Projeto de cada filtro a ser aplicado para cada ponto ou ramal ou alimentador. - Simulação teórica de cada filtro no sistema carregado.

Os sistemas elétricos, sejam em projetos novos ou em operação, sempre tem condições em que há a necessidade da elaboração de um estudo de harmônicas. Abaixo temos algumas das condições mais encontradas:

- Bancos de capacitores em sistemas com densidade de conversores, ou geradores de harmônicos de médio e grande porte. - Histórico de baixa eficiência produtiva, por problemas relacionados com transitórios e principalmente com harmônicas. - Presença de ressonâncias em pontos diversos do sistema elétrico. - Expansão aleatória de instalações elétricas sem haver um planejamento e uma programação de autosustentabilidade. - Um alto desbalanceamento do sistema somado à sazonalidade de cargas que produzam efeito de chaveamento e atracação. - Presença de transformadores sub e sobre carregados, com desequilíbrios em relação ao terra/neutro. - Geradores com problemas de assunção de carga. - Queima excessiva de inversores, motores, equipamentos eletrônicos de controle e monitoração, lâmpadas e fontes em geral.

Como ponto de partida no estudo de harmônicas num sistema elétrico, temos que

conhecer o ponto de ressonância do mesmo, sendo necessário conhecer também a capacidade de curto-circuito do PAC ou do ponto de aplicação do banco de capacitores.

Portanto, temos a equação a seguir:





Hr = MVAcMVAcc

Onde: - Hr é o ponto de ressonância em pu da frequência fundamental. - MVAcc é a capacidade de curto-circuito do alimentador ou ramal do sistema. - MVAc é a capacidade em MVAc do banco de capacitores no local a ser

considerado. Como ponto de partida, esta equação auxilia na determinação da ordem da frequência de

ressonância em relação ao espectro harmônico, determinando assim a probabilidade de ocorrência de problemas.

A simulação teórica, nos dá um modelo matemático, que pode ser alimentado pelos

dados de medição e pelas características do sistema em operação, ou simplesmente pode ser alimentado com dados teóricos de catálogo dos equipamentos, cujos resultados podem se afastar muito da realidade, em função das adversidades reais da carga no sistema. Normalmente os resultados e o modelo matemático implemental, apresentam a solução ou no mínimo identifica o problema com suas causas e consequentes “vítimas”.

Para a realização de um estudo de harmônicas, são necessários os seguintes itens:

- Diagrama unifilar geral do sistema elétrico. - Disposição física dos alimentadores e ramais na barra geral do sistema. - Valor de curto-circuito e a relação X / R do sistema da concessionária. Se possível o espectro de tensões e correntes harmônicas do sistema da concessionária no PAC externo à instalação em estudo. - Sazonalidade operacional da subestação da concessionária, alimentadora do sistema em questão. - Reatâncias e resistências das linhas condutoras de corrente do sistema. - As características de ligação, reatâncias percentuais, potência nominal, potência eficaz e potencia reativa do sistema e dos trafos do mesmo. - As características elétricas e operacionais das máquinas rotativas. - As características elétricas dos bancos de capacitores e reatores. - As características elétricas dos conversores existentes.





- Características operacionais da planta industrial em questão. - Carregamentos do sistema de aterramento. - Configuração do sistema de aterramento e seu histórico de descargas atmosféricas, curtos-circuitos e cargas monofásicas utilizando o mesmo. - Maior atenção com sistemas que estejam próximos ou que abrigam fornos a arco, ressonâncias magnéticas, geradores de frequência industriais, tomografias, raios X, inversores de grande porte e retificadores para linhas ferroviárias.

Na fase de investigação, deve-se pesquisar o volume de paradas e sinistros, e categorizar

em dois fatores do ponto de vista produtivo: -Distorções Harmônicas stressantes:

Quando a distorção harmônica é de curta duração e intermitente e está caracterizada pela ausência de equipamentos destruídos, e por atrasos também de curta duração na retomada de produção, com pouca perda de matéria prima. Porém este tipo de evento, causa stress na infraestrutura, minando suas condições operacionais e ao final de um período produtivo, minaram também os resultados operacionais.

-Distorções Harmônicas fatais:

Quando a distorção harmônica é de longa duração e presente em todas as etapas do processo e está caracterizada pela destruição de equipamentos e componentes, e por atrasos longos na retomada de produção, com perda razoável de matéria prima. Este tipo de evento, causa sinistros e até acidentes na infraestrutura, zerando as condições operacionais e ao final de um período produtivo, os resultados operacionais foram catastróficos.

Nos dois fatores acima, temos interrupções não planejadas, dotadas das devidas

características de perda de produção, degradação da qualidade de energia e disfunção do sistema elétrico e de controle.

De posse de todos os dados citados, começamos a simulação teórica para gerarmos um

projeto de readequação do sistema, quer seja por implementação de um sistema de filtragem ou pela simples readequação física dos alimentadores e ramais. As preocupações com os níveis de ondas refletidas, também geram ações de readequação à estas.





9 – IDENTIFICAÇÃO, PESQUISA E MITIGAÇÃO DAS HARMÔNICAS NUM SISTEMA

É usual dentro do meio industrial, resolver problemas à partir de seu aparecimento

importunante nos resultados operacionais e produtivos. Por motivos voltados ao item econômico, as empresas só investem em serviços desta natureza quando os sinistros e intempestividades passam a desenvolver perdas de produção sensíveis ao faturamento final delas. Porém, até sentir as citadas perdas, já se perdeu muito dinheiro, e muitas vezes já se está na fase de degradação ou na fase terminal, que denota as paradas operacionais não programadas e que provocam uma maçante perda econômica levando-se em consideração a perda de matéria prima, perda em mão de obra, lucros cessantes, gastos prematuros com equipamentos e peças de reposição, perdas de energia, perdas de qualidade na produção, perdas de posição no mercado, perdas de credibilidade de produtos e muito mais perdas que se possam imaginar e que gastaríamos folhas e folhas falando delas. A explicação mais detalhada destas perdas está descrita nos capítulos 15 e 16 deste trabalho, e que nos dá a idéia direta da influência das mesmas no universo total das perdas.

Pra se entender o intuito deste capítulo, onde sempre encontramos discussões sobre

soluções de alta disponibilidade e confiabilidade, devemos conhecer os seguintes conceitos: - Falha: Uma falha acontece no universo físico, ou seja, no nível mais baixo do hardware ou na estrutura do sistema. Podemos citar como exemplo uma flutuação da fonte de alimentação e a interferência eletromagnética. - Erro: Um erro normalmente é originário de uma falha, e é a representação da falha no universo informacional. Um computador trabalha com bits, cada um podendo conter 0 ou 1. Uma falha pode fazer com que um ou mais bits troque de valor inesperadamente, o que certamente afetará o funcionamento normal do mesmo, e isto é um Erro. - Defeito: A informação errônea, se não for percebida e tratada, poderá gerar o defeito. O sistema simplesmente trava, ou mostra uma mensagem de erro, ou ainda perde os dados do usuário sem maiores avisos. - Failover: O processo no qual uma máquina assume os serviços de outra, quando esta última apresenta falha, é chamado de failover. Este pode ser automático ou manual, sendo o automático o que normalmente se espera de uma solução de alta disponibilidade e em alguns casos não crítico, no qual o sistema suporta um tempo maior até a recuperação do serviço, temos o failover manual. Lembrando-se sempre que além do tempo entre a falha e a sua detecção, existe também o tempo entre a detecção e o reestabelecimento do serviço.





- Failback: Ao ser percebida a falha no sistema, além do failover é necessário que se tenha a manutenção no equipamento que falhou. Ao ser recuperado de uma falha, este equipamento será recolocado em serviço, e então se tem a opção de realizar o processo inverso do failover, que se chama failback. Então, o failback é o processo de retorno de um determinado serviço ou operação de um sistema ou equipamento para seu sistema ou equipamento de origem. Também pode ser automático ou manual. - Missão: Quando se calcula a disponibilidade de um sistema, é importante que se observe o conceito de missão. Missão de um sistema é o período de tempo no qual ele deve desempenhar suas funções sem interrupções. Podemos citar como exemplo um supermercado, que funcione das 8hs às 22hs, e não pode ter seu sistema fora do ar durante este período. Se o sistema vier a apresentar defeitos fora deste período, não atrapalham em nada o andamento correto do sistema quando o mesmo é necessário. Mas se funcionasse 24 hs, claro que atrapalha, pois o mesmo passa a ter uma missão contínua.

Portanto, uma falha no universo físico pode causar um erro no universo informacional, que por sua vez pode causar um defeito percebido no universo do usuário do sistema. A partir do defeito, um sistema sobressalente assume o principal, acontecendo o failover. Assim que o sistema principal reassume o processo, temos o failback. A missão é o tempo de execução do processo e não deve ser interrompido.

É importante identificarmos estes conceitos dentro do universo de pesquisa, para que não

se interrompa o processo produtivo, para que se determine as características dele, para localizar o tempo de ocorrencia das falhas e associá-las com os distúrbios além de identificar a periodicidade dos mesmos.

No universo industrial, já identificamos que os problemas começam a partir da concepção

do projeto de instalação elétrica que por cultura não leva em consideração a simulação dos níveis harmônicos nos alimentadores, ramais e cargas consumidoras, o que nos leva a defrontação com instalações totalmente degradadas e até em estados inoperantes, levando-se em consideração os tempos operacionais projetados, e com rendimento abaixo do 50% destes valores projetados.

É normal nos depararmos com casos de edificações novas, modernas, com investimentos

tecnológicos de última geração, mas com rendimentos e tempos operacionais baixíssimos, sem explicações de projetistas e construtores, que satisfaçam os “PORQUES?”. Também é comum a troca de equipamentos de qualquer natureza sob a alegação de que o mesmo não é bom ou não se adequam, ao passo que na realidade o equipamento é de boa qualidade e de excelente performance teórica, mas que naquela situação e características do sistema ao qual está imerso, eles não produzem o suficiente.

Se trabalharmos com a filosofia de mitigação teórica e prática de harmônicos desde a

concepção do projeto até a finalização com a pesquisa dos níveis harmônicos após o start up





da instalação, temos grandes possibilidades de ter sucesso na redução destes níveis e no enquadramento da instalação como um todo, em um nível de rendimento operacional próximo do projetado, com probabilidade muito baixa de sinistros. Os riscos de intermitências são reduzidos a valores baixíssimos que nos levam ao sucesso final do trabalho. O custo benefício desta filosofia é incalculável, mas já pode ser observado nas diversas comparações práticas entre as instalações lançadas no parque de consumidores.

Existe a indústria recém inaugurada e que não consegue fazer com que certa máquina

produza conforme o rendimento de catálogo do fabricante e a outra com a mesma máquina que produza mais próxima deste.

Existe ainda o prédio recém inaugurado com equipamentos eletrônicos sofisticados e que

à medida que vai-se instalando suas cargas, os problemas começam a aparecer de uma maneira evidente e fatal para sua operacionabilidade.

Existe também o hospital cuja área de laboratório e de CPD não estão funcionando à

contento, e a turma de manutenção ou construção não consegue identificar a causa, mirando-se em fatores e causas erradas, que levam os mesmos à soluções inócuas, tais como trocar de equipamento, adicionar componentes de proteção ou tomar ações de defesa inertes.

Como já foi dito, existe dois tipos de filosofia, sendo uma aplicada na fase de projeto e a

outra em plantas já instaladas. Os projetos devem ser concebidos voltados à luz da presença de harmônicos, levando-se como base as simulações teóricas destes níveis, e as tomadas de solução em relação dos seus PACs e posicionamentos das cargas em relação aos mesmos. Já nas instalações existentes, devem ser rastreadas, pesquisadas e simuladas com dados reais existente dentro dos níveis apresentados, cuja mitigação vai depender da experiência do profissional familiarizado com este universo.

Tanto na fase de projeto quanto na de adequação corretiva, temos a seguinte linha de

atuação: 9.1 – Identificação dos circuitos geradores e receptores:

Planejar e preparar a inspeção da instalação em operação ou do projeto da nova

instalação a ser instalada, é uma das premissas para um bom trabalho na Engenharia de soluções. Esta fase se inicia com a análise do diagrama unifilar geral e completo da instalação ou do projeto, com a determinação dos geradores e receptores de harmônicos em relação ao PAC dentro do circuito carregado. O trabalho começa a partir do ramal de alimentação da concessionária, passando pelos trafos e indo de encontro às cargas, não esquecendo das linhas e proteções existentes no meio deste caminho.

Partindo para a análise em função da frequência, relacionamos os circuitos

geradores de harmônicos como sendo os circuitos oscilantes (geração de diversas frequências múltiplas da frequência fundamental) e os circuitos receptores como sendo os circuitos sintonizantes (consumidores do todo ou parte das frequências múltiplas da frequência





fundamental geradas). Isto tudo dentro do universo das ressonâncias existentes. Também devemos observar os circuitos amplificadores ou dobradores das frequências harmônicas dentro do sistema.

Partindo-se da premissa de que o profissional tem experiência no assunto e que

conhece dos níveis harmônicos dos equipamentos presentes na instalação, deve o mesmo fazer a vistoria física na instalação e a detecção de características físicas falhas, perante os conceitos aqui apresentados. As características físicas da instalação estão relacionadas com os seguintes itens:

- Posicionamento dos bancos de capacitores de correção do fator de potência e dos problemas de queima e estufamento das “latas”. - Identificação visual dos possíveis ramais que possam estar ressonando dentro do sistema. - Identificação de sobreaquecimentos nos cabos elétricos e nas chaves e disjuntores. - Conferência de nobreaks e retificadores no sistema. - Posicionamento dos inversores, PLCs, sofstarts, conversores de frequência em geral e dos demais geradores de harmônicos dentro do circuito carregado. - Conferência das cargas que estão próximas eletricamente ou no entorno dos geradores de frequência do sistema. - Especial observação de trafos,TPs e TCs. - Verificação de blindagens de equipamentos eletrônicos, principalmente os ligados às telecomunicações e sistemas hospitalares. - Compressores de ar e sistemas de ar condicionado devem ser observados quanto aos seus históricos de problemas.

9.2 – Pesquisa dos parâmetros dos circuitos geradores e receptores: Identificado todos os circuitos e devidamente caracterizados com seus dados

teóricos, deve-se partir para a pesquisa dos parâmetros vigentes em cada alimentador, ramal e equipamento através das medições instantâneas e periódicas (ver detalhes no capítulo 7 a seguir). Através das medições é que se tem a dimensão da degradação do sistema.

A pesquisa deve levar em conta os equipamentos de maior geração de harmônicos

por característica e o questionário feito anteriormente em cima dos distúrbios operacionais e ocorrências históricas no sistema junto aos profissionais de manutenção e operação,. Quando estamos na fase de projeto de uma instalação nova, a pesquisa é feita perante um questionário específico respondido pelo cliente dono do empreendimento e pelas diversas simulações teóricas realizadas, para se chegar à uma configuração de circuito e de componentes viável para a instalação.

Os questionários devem ser claros e objetivos, por cada equipamento de maior

geração de harmônicos e que estejam sofrendo por sinistros no sistema, apresentando um baixo rendimento devido às paradas constantes.





9.3 – Mitigação dos problemas dos circuitos geradores e receptores:

Durante a fase de pesquisa teórica nas simulações, tem-se as mitigações no

sistema, para se chegar a um sistema compatível. Já a mitigação de uma instalação antiga, depende de um anteprojeto baseado em simulação e dados de medição. Normalmente se chega a resultados satisfatórios e com rendimentos bons do sistema de filtragem a ser aplicado.

Identificado todos os circuitos e devidamente caracterizados com seus dados

teóricos e práticos, deve-se simular todos com os carregamentos e características teórica e práticas da energia, para se determinar as ações a serem adotadas. Nesta fase, é necessário experiência e conhecimento sobre o assunto, para que aliado aos resultados da simulação, tenhamos sucesso na mitigação.

As ações de mitigação tem maior sucesso quanto maior for a parametrização da

realidade da energia nas simulações para determinação do sistema de filtragem a ser aplicado ou da readequação dos circuitos do sistema em questão.

Dentre as várias ações de mitigação podemos citar:

- Limitar as perturbações geradas através de filtros para que os circuitos e equipamentos possam absorver ou conviver com os níveis reinantes. - Evitar os acoplamentos e ressonâncias, afastando os circuitos ressonantes entre si, intercalando entre eles os circuitos consumidores de harmônicos. - Rebaixar os níveis ao longo dos alimentadores, ramais e cargas, para uma estabilidade geral do sistema. - Readequar o posicionamento dos circuitos intercalando os circuitos oscilantes e receptores,, levando-se em consideração a impedância harmônica do sistema e tomando-se o cuidado com ondas refletidas no mesmo. - Readequar o aterramento de dispersão de frequências espúrias das carcaças de equipamentos, separando o ponto de dispersão diretamente na malha de aterramento de massas. - Providenciar um ponto exclusivo de dispersão para o sistema de filtragem na malha de aterramento equipotencializada do sistema.





10 – MEDIÇÃO, ESTRATIFICAÇÃO E ANÁLISE DAS HARMÔNICAS NUM SISTEMA

Esta trilogia é a base fundamental de um estudo de harmônicas de um sistema. Com a

medição, temos a constatação dos níveis reinantes na instalação e a amplitude e direção do fluxo harmônico no sistema. Com a estratificação, temos os gráficos, a base de dados e a autenticação dos parâmetros reais do sistema. E finalmente com a análise, temos o alinhamento das idéias de ações de mitigação, geralmente dentro de um contexto de readequação do sistema ou parte dele, podendo ser aplicado a um projeto novo ou a um sistema já em operação.

Portanto, temos as conceituações segundo a trilogia de base a seguir: 10.1 – Medição dos parâmetros elétricos:

Esta fase é essencial para a identificação das componentes harmônicas presentes no sistema elétrico, bem como todos os transitórios e parâmetros intrínsecos da energia elétrica, para que se possa traçar o perfil do sistema. Mas para garantir a fidelidade das medições, os instrumentos devem estar devidamente calibrados e certificados, já que a continuidade do trabalho termina na emissão de um laudo ou relatório da situação do sistema e que o mesmo fará parte do histórico da instalação elétrica em questão.

Deve-se medir todos os pontos principais e críticos do sistema para se ter os dados

necessários para a estratificação e para a simulação teórica e modelagem matemática, que vai permitir as tomadas de decisão de ações de readequação no caso de sistemas em operação. Também serve de histórico para o acompanhamento do sistema, em sua evolução operacional.

Queremos salientar que não basta medir somente tensão e corrente, mas sim todos

os parâmetros da energia, com medições instantâneas e periódicas, em todas os alimentadores e ramais dos QGBTs e CCMs, e das cargas geradoras de harmônicos presentes nos subsistemas.

A quantidade de pontos e de medições por pontos deve ser de acordo com a

evolução dos trabalhos e da necessidade de se reafirmar ou determinar algumas características inter-relacionais entre os diversos circuitos, para se determinar a influência entre os mesmos e a necessidade de rebaixamento de sobrecorrentes e até sobretensões para proporcionar a estabilização dos níveis e qualidade de tensão e corrente.

As medições devem ser realizadas através de instrumentos capazes de medir

grandezas elétricas com composição harmônica, reproduzindo com fidelidade tensões e correntes em toda a faixa de frequências de interesse.

O levantamento de dados, a medição propriamente dita, deve ser composto por:





- Tensão entre fases, fase e neutro e neutro e terra; - Corrente nas fases, neutro e terra; - Potências (ativa, aparente e reativa) trifásicas do sistema; - Potências (ativa, aparente e reativa) monofásicas das fases e neutro; - Harmônicos de tensão e corrente das fases, neutro e terra; - Fator de potência e cos φ; - Flicker; - Frequência; - Fatores de crista de tensão e corrente; - Impedância e capacitância do sistema e subsistemas; - Fator de carga das fases; - Ângulos de fase; - Pulsos e impulsos nas fases, neutro e terra; - Resistividade do solo, da malha de terra e do sistema de aterramento.

Devem ser realizadas as medições de harmônicos nos alimentadores de cada

barramento referente a cada trafo, com o banco de capacitores nos estágios possíveis, conforme a seguinte ordem:

- Sem capacitores, - 25 % do banco inserido, - 50 % do banco inserido, - 75 % do banco inserido, - 100 % do banco inserido.

Também devem ser realizadas as medições de harmônicos nos ramais dos

inversores de frequência e outras cargas geradoras de harmônicos, conforme a seguinte ordem de carregamento:

- stand by, - 25 % da velocidade, - 50 % da velocidade, - 75 % da velocidade, - 100 % da velocidade.

Na presença de ressonâncias, deve-se pesquisar e identificar os circuitos

ressonantes, fazendo as devidas simulações com medições dos dois circuitos ligados, um e depois outro desligado e os dois desligados.

As simulações práticas de carga são de extrema importância para a determinação

da geração e do fluxo de transitórios, principalmente de correntes harmônicas no sistema. A amplitude e direção desses fluxos é que determinam o carregamento de dados e informações nas simulações teóricas em softwares específicos.





10.2 – Estratificação dos parâmetros elétricos:

A estratificação é uma fase composta da geração de gráficos e dados em função do

tempo e da frequência, amplitudes e valores unitários, para dar embasamento às análises e tomadas de decisão que virão a seguir.

Na estratificação de medições instantâneas e periódicas são usados cálculos diretos

e estatísticos, segundo modelamentos matemáticos pré-definidos, cujos resultados vão proporcionar uma análise mais real e abrangente do sistema.

A estratificação deve ser realizada na seguinte ordem:

- Nível de corrente e tensão das fases R, S e T; - Fator de crista (picos) de tensão e corrente das fases; - Curva da evolução da freqüência fundamental; - Registro da flutuação das fases R, S e T; - Níveis médios e de pico de harmônicos de tensão e corrente na THD (%) das fases, neutro e terra; - Gráficos das potências de harmônicos, com indicação do fator K das fases; - Potências monofásicas das fases R, S e T, com gráficos individuais; - Potência trifásica do sistema de 2 fases, com gráficos individuais; - Nível de tensão existente entre terra e neutro; - Nível de corrente harmônica do terra; - Medição do nível de harmônicos de tensão entre as fases e o terra; - Impedância e capacitância média do circuito; - Fator K médio do sistema; - Curva de comportamento, relacionada com a sazonalidade de carga e com o ciclo operacional.

O trabalho de estratificação dos dados da medição é composto por:

- Geração do conjunto de gráficos de cada medição e ponto de análise. - Geração de parâmetros de cada conjunto de medição, conforme a influência e o nível de harmônicas de cada um. - Geração de gráficos e dados das potências de perda. - Geração de gráficos e dados dos trafos existentes no sistema. - Geração dos gráficos e dados da resistividade da malha de terra, em função da dispersão de freqüências harmônicas e da amplitude de corrente de suas componentes. - Geração dos gráficos e dados específicos dos pontos sinistrados no sistema levando-se em consideração a sazonalidade de carga e de operação. - Determinação da frequência de corte do sistema e ou dos subsistemas existentes.





10.3 – Análise de todos os parâmetros elétricos:

Este item é composto por análise, estudo, modelagem e simulação teórica, com o intuito de se visualizar os efeitos das contribuições harmônicas e outros transitórios num sistema onde estão inseridas cargas não lineares em tensão e corrente.

Através da modelagem das impedâncias e reatâncias do sistema, em função da

frequência, determina-se os pontos de maior suscetibilidade à ressonância e juntando-se o trabalho de simulação computacional, onde pode se inserir a sazonalidade de carregamento e operacional, tem se uma maior proximidade da realidade. Quanto maior o número de parâmetros carregados nas simulações, mais próximo do real será o resultado e maior probabilidade de acerto nas soluções.

Deve-se também observar as características denotadas da instalação quanto ao

comportamento indutivo ou capacitivo durante os períodos operacionais, tendo em vista a mudança das amplitudes transitórias e por conseguinte dos seus efeitos e sinistros.

Quanto maior o conhecimento do sistema como um todo, bem como de todos os

seus componentes ativos ou passivos (em relação ao sistema), melhor será o resultado nos modelos equivalentes, em relação à todas as faixas de frequência de interesse.

Também nesta fase, deve se gerar o Fator de Cancelamento Harmônico (HCF), que

por melhor que seja, nunca vai proporcionar a anulação das amplitudes harmônicas num sistema, mas proporcionará o rebaixamento à níveis aceitáveis pelo sistema e dentro de um contesto de estabilidade operacional exigente.

Através da análise e simulação, pode-se saber não só os níveis harmônicos atuais

reinantes no sistema elétrico em estudo, mas também como este se comportaria com novas situações ou de expansões e até de readequações, permitindo uma configuração mais adequada à nova realidade planejada.

As simulações de penetração de harmônicas deve ser feita no domínio do tempo e

da frequência. A determinação dos fluxos e direcionamentos das correntes harmônicas, bem como do Fluxo das Potências Harmônicas, indicam o maior volume das potências de perda de um sistema.

A validação das simulações e modelamentos adotados para cada instalação

depende do sucesso dos resultados obtidos nas mitigações implementadas e consequentemente nos resultados operacionais obtidos na produção. Portanto, é normal durante um trabalho desta envergadura, se modificar os modelos ou métodos adotados em função da melhoria do sistema e dos resultados obtidos.

No capitulo 11, tratamos exclusivamente das simulações, denotando os melhores

simuladores disponíveis no mercado, com seus respectivos conceitos e aplicações.





Num trabalho de análise e de simulação teórica, deve-se sempre levar em consideração os dados das duas tabelas a seguir:

Efeitos das distorções harmônicas Equipamento / Sistemas Efeitos observados

Transformadores Sobreaquecimento, se o fator K do sistema é alto (superior a 2,7) e sua carga é superior a 90% da nominal.

Capacitores Os capacitores (de correção de fator de potência e de iluminação, por exemplo) se queimam quando a corrente neles é maior do que 1,3 vezes a sua corrente devido a alta ressonância.

Motores de indução Sobreaquecimento e vibrações excessivas, se a o nível de harmônicas de corrente é superior a 10% na THD.

Cabos Sobreaquecimento, se o valor efetivo da corrente (medido com equipamento “true-rms”) é superior à capacidade de corrente do cabo, alem da fadiga do isolamento.

Equipamentos e Sistemas de computação e controle

Perdas de dados e arquivos, além de danos em alguns componentes eletrônicos devido a que a tensão máxima é superior à nominal ou ao fato de que existe um diferencial de freqüência e corrente harmônica em seus sistemas digitais, podendo provocar problemas com a rede de comunicação.

Sistemas de aterramento Quando presente nos cabos de aterramento, há a degradação do sistema de aterramento com saturação do mesmo, impedindo assim a dispersão.

Medidas de melhoramentos de instalações elétricas contaminadas por harmônicas Equipamento ou instalação Projeto ou melhoramento

Circuitos

- Dimensionamento dos condutores considerando as harmônicas. - Diminuição das correntes pelo neutro através de um melhor balanceamento de cargas. - Diminuição das correntes harmônicas através de filtros e transformadores de isolação quando for o caso. - Quadros e circuitos separados para equipamentos sensíveis (EES). - Instalação do Sistema de Proteção e Filtragem conforme a corrente do sistema e do consumo total da instalação. - Aterramentos Adequados à dispersão de frequências espúrias, bem como equipotencializações das malhas existentes no sistema.

Capacitores - Substituição por capacitores anti-ressonantes. - Instalação do Sistema de Proteção e Filtragem numa configuração de acordo com a característica do sistema de correção reativa.

Equipamentos poluidores

- Melhoramento dos equipamentos (exigência aos fabricantes de fornecer filtros de linha específicos). - Instalação de um Filtro de Linha específico para cada equipamento e outro para seu circuito de comando quando for o caso.





11 – SIMULAÇÕES Hoje em dia, cada vez mais se faz necessária a utilização da simulação de sistemas, visto

que esta traz alguns benefícios importantes, como por exemplo, a redução do tempo de implementação de soluções e a redução do custo desta, uma vez que a implementação física do sistema só se dará mediante ao resultado satisfatório da simulação. Isso ocorre pois o custo da implementação de um protótipo demanda um investimento inicial alto e, sem a utilização da simulação, muitos mais protótipos teriam que ser implementados a fim de se chegar a um resultado satisfatório.

A ferramenta mais usada no CAD analógico sem dúvida é a simulação (a nível de

dispositivo ou comportamental), e tem como objetivo verificar a funcionalidade de um circuito sem a necessidade de construí-lo.

Existem vários tipos de simulação e estas se realizam através de softwares específicos.

Os softwares mais comuns são os de simulação de circuitos, porém existem desde simuladores de placa de circuito impresso, até os que possibilitam a simulação de quaisquer tipos de sistemas, desde que possam ser modelados matematicamente através da teoria do controle moderno.

11.1 – SIMULADORES:

Dentre os simuladores conhecidos, podemos citar os que são os mais usados em engenharia, pois demonstram ser uma ferramenta poderosa na realização de projetos, tais como, o MATLAB com SIMULINK, o ORCAD, que á uma versão atualizada do clássico PSpice e temos ainda o software nacional PQF 7.0. Esses trez simuladores são utilizados em larga escala tanto nas universidades quanto nas empresas de tecnologia ao redor do mundo. São ferramentas básicas para qualquer trabalho de estratificação, análise e implementação de sistemas. A seguir temos a descrição de algums softwares de simulação usados nos trabalhos de análise de sistemas, e busca de soluções para os problemas existentes.

11.1.1 – MATLAB:

O Matlab com Simulink é um programa que fornece uma linguagem de alto nível e um ambiente interativo para o desenvolvimento de algoritmos, visualização de dados e computação numérica. Trata-se de um simulador de uso geral, pois através dele pode-se simular qualquer tipo de sistema. Pode, também, ser usado em uma grande gama de aplicações como processamento de sinais e imagem, projeto de controle, modelagem, análise financeira e biologia computacional. Ferramentas adicionais, disponíveis separadamente, possibilitam ao Matlab resolver problemas particulares em diversas áreas de aplicações.





- Características:

- Linguagem de alto nível para computação técnica; - Ambiente de desenvolvimento para códigos, arquivos e dados - Ferramentas interativas para projeto e resolução de problemas; - Funções matemáticas de álgebra linear, estatística, análise de Fourier, filtragem e integração numérica; - Funções Bi e Tridimensionais para visualização de dados; - Ferramentas para a construção de interfaces gráficas personalizadas; - Integração com aplicações e linguagens como, C++, Fortran e Excel.

A linguagem do Matlab suporta operações vetoriais e matriciais, fundamentais para a

solução de problemas científicos e de engenharia. Isso possibilita o desenvolvimento e a execução rápidos. Com ele pode-se eliminar a necessidade de laços e, com apenas uma linha de comando, pode-se substituir, por exemplo, várias linhas de programação de C ou C++.

Para a solução rápida de matrizes e vetores, o Matlab usa bibliotecas otimizadas,

proporcionando uma maior velocidade na resolução de problemas. - Ferramentas de desenvolvimento:

- Matlab Editor: possui características de depuração, como breakpoints e execução passo a passo; - M-Lint Code Checker: analisa as linhas de comando e recomenda mudanças para otimização de performance;





Além disso, com o uso do Matlab podemos realizar a análise de dados de fontes e

banco de dados externos, através do processamento, visualização e análise numérica. Possui também ferramentas interativas para análise, como:

- Interpolação numérica; - Correlação; - Análise de Fourier; - Estatística; - Análise Matricial, entre outras.

A resposta gráfica do Matlab é de excelente qualidade, para qualquer simulação

implementada. Temos um exemplo na figura a seguir. Através dessas características, denotamos que o Matlab é uma ferramenta de

simulação e análise poderosa, que permite que quaisquer sistemas sejam modelados e simulados através de um simples diagrama de blocos aonde se implementam funções de transferência.

Desde que um sistema possa ser modelado matematicamente, pode ser utilizado o

Matlab para seu estudo.

- Simulink:

O Simulink é um dos componentes mais importantes do Matlab. Responsável pelas simulações, é facilmente utilizável e versátil, pois sua interface simples se limita a uma janela aonde são inseridos os componentes.





Os sistemas a serem modelados no simulink são implementados através de

diagramas de blocos, com os nós somadores, multiplicadores e os laços de realimentação (positiva ou negativa).

Qualquer sistema pode ser implementado, desde que sua função de transferência

seja conhecida.

Interface Simulink

A resposta da simulação pode ser obtida graficamente ou em forma de tabela, que

pode ser facilmente manipulada utilizando-se o Microsoft Excel.

11.1.2 – ORCAD:

O Orcad é uma suíte de aplicativos de uso mais específico em eletroeletrônica que permite o projeto e simulação de sistemas eletrônicos, além de permitir a criação do layout final do projeto de placas de circuitos eletrônicos. Possui ferramentas que possibilitam a simulação, desenho de esquemático, criação de componentes, criação automática da placa do circuito e até mesmo a criação de fontes de sinal personalizadas para aplicação nas simulações.

Derivado do famoso software de simulação de circuitos eletrônicos PSpice, o Orcad

é a versão mais completa e abrangente pois possui todos os recursos necessários à realização virtual de um projeto de circuitos eletrônicos. Possui vários tipos de simulação que varia desde circuitos DC e AC, até circuitos digitais. Possibilita ainda o estudo e análise dos mesmos no domínio do tempo (análise transitória) e no domínio da freqüência (diagramas de Bode). Os componentes da suíte Orcad estão descritos abaixo:

- Capture CIS: O Capture CIS integra uma aplicação de desenho de esquemáticos com um utilitário

de informação de componentes (CIS), que possibilita, através das características elétricas, automaticamente selecionar o componente desejado.





Sua interface (mostrada acima) é composta por uma janela onde temos as informações com o nome do projeto e recursos utilizados (Gerenciador de Projeto). Esta janela possibilita o total gerenciamento de informações e características do projeto em desenvolvimento. Possui outra que denominamos de editor de esquemático, onde são implementados os circuitos para simulação propriamente dita, e ainda conta com uma terceira janela denominada Property Editor, onde podemos alterar as propriedades dos componentes utilizados no projeto.

- O Gerenciador de Projetos: O Gerenciador de Projeto organiza e simplifica os vários tipos de dados gerados no

processo de projeto. Através de um diagrama de árvore, muito parecido com o gerenciador de arquivos do Windows, facilita a estrutura de navegação por todos os arquivos do projeto, inclusive aqueles gerados pelos resultados da simulação. Este também é usado para coletar e organizar todo os recursos que você precisa para seu projeto. Estes recursos incluem pastas e páginas esquemáticas, bibliotecas de componentes, componentes, arquivos VHDL, e relatórios de produção, assim como listas de materiais e netlists.

O projeto não contém todos os recursos, ele simplesmente serve como atalho para

os vários arquivos que este utiliza. O arquivo de projeto é salvo com a extensão OPJ, que é um arquivo ASCII e pode

ser aberto em qualquer editor de texto. Abaixo temos a tela do Gerenciador de Projetos.





- O Editor de Esquemático: O Editor de Esquemático é usado para exibir e editar as páginas de esquemáticos.

Através dele pode-se colocar e eliminar componentes, fios, barramentos, e desenhar gráficos. Possui ainda uma caixa de ferramentas que permite desenhar e inserir tudo o que seja necessário para se criar um esquemático. Pode-se imprimir tanto dessa janela quanto da janela do gerenciador de projeto. Temos a seguir a figura do Editor de Esquemático.





- O Editor de Componentes: Esta ferramenta é utilizada para criar e editar componentes. Através dele pode-se

criar e modificar componentes e símbolos e depois armazená-los em uma biblioteca existente ou em uma nova. Pode-se também criar e editar fontes e símbolos de terra, e ainda títulos de blocos.

Através das ferramentas “elétricas”, pode-se adicionar os pinos de conexão que

serão utilizados na montagem do circuito. O Editor de Componentes mostra o pacote todo. Isso ocorre quando, fisicamente

temos um circuito que contém mais de um componente, mais comum em circuitos lógicos integrados, como por exemplo um CI 74AC00 (porta lógica NAND com 2 entradas), que possui 2 portas por CI. Temos a seguir a figura do Editor de Componentes.

- Orcad Layout Plus: Baseado numa planilha eletrônica, o Orcad Layout Plus possibilita fácil acesso às

regras de construção de placas de circuito impresso. Um poderoso floorplanning e um avançado sistema de posicionamento de componentes proporcionam total controle sobre o processo. O roteamento auto-interativo é ideal para projetos manuais.

O DRC (Design Rules Checking) facilmente avalia o circuito de modo a determinar

os melhores caminhos para as trilhas, evitando o cruzamento, além disso, o sistema de apoio ao “Cobre Inteligente” permite que sejam implementados circuitos com múltiplas tensões.

Possibilita total integração com o Capture CIS, permitindo que, a partir de um

esquemático, facilmente pode-se obter o layout da sua placa de circuito impresso. Além disso, qualquer alteração feita no esquemático pode ser facilmente passada ao Orcad Layout.





As características do Orcad Layout Plus são:

- Tamanho de placa de 68x68 polegadas; - 30 níveis (layers); - 16 níveis de trilhas; - 8.000 componentes por placa; - 10.000 nós por placa; - 32.000 conexões por placa; - 16.000 conexões por nó; - 8.000 componentes diferentes por placa; - 3.200 pinos por componente; - 250 tipos diferentes de rotas.

Temos a seguir a figura do Orcad Layout Plus.

- Pspice A/D: O Pspice A/D é um programa de simulação que modela o comportamento de

circuitos analógicos ou de característica mista, ou seja, analógico-digitais. Parte integrante da suíte Orcad, esse programa é utilizado em conjunto com o

Capture CIS para simular e analisar o comportamento do circuito implementado no editor de





esquemático e, com isso, possibilita o refinamento do mesmo antes que se proceda à implementação de um protótipo.

O PSpice possibilita análises básicas e avançadas, dentre elas:

- Análises AC, DC e transitórias, permitindo que se teste a resposta do circuito para diferentes entradas; - Análises paramétricas, Monte Carlo e Análises de Sensibilidade / Pior Caso, permitindo que se verifique o comportamento do circuito com a variação dos parâmetros. - Análise de Fourier, possibilita que sejam estudados os parâmetros de influências de correntes e tensões harmônicas no circuito. - Análise Térmica, possibilita o estudo do funcionamento do circuito mediante uma temperatura específica, com essa análise pode-se testar o range de funcionabilidade do mesmo.

Temos a seguir a figura do Pspice A/D.

O PSpice conta também com o PROBE, que é um aplicativo que possibilita o estudo

dos resultados da simulação através da geração de formas de onda e gráficos, após a simulação ser realizada. Podem-se visualizar as formas de onda de qualquer ponto do circuito





mediante a seleção correta das variáveis, ou através dos marcadores de tensão, corrente, magnitude e ângulo de fase, disponíveis na janela do Capture CIS.

O Probe possibilita, em uma única janela, a inserção de gráficos de várias variáveis,

possibilitando a análise simultânea de diversos pontos do circuito, além de permitir a inserção de ondas de sinais combinados, ou seja, podem-se realizar operações entre essas variáveis de forma que a resposta seja combinada. Por exemplo, se temos uma forma de onda de corrente no ponto A e outra no ponto B, podemos adicionar as duas e o gráfico final seria a soma das 2 correntes.

Temos a seguir a figura da resposta gráfica através do Probe.

- O Editor de Estímulos: O editor de estímulos é um utilitário que permite “setar” e testar as entradas de

forma de onda para análise transitória. Pode-se, com ele, criar e editar fontes de tensão e corrente para o circuito. Os “prompts” de menu guiam o usuário fazendo com que este forneça os parâmetros necessários, como tempo de subida e descida do estímulo, entre outros.





O programa produz um arquivo contendo os estímulos com suas especificações transitórias. Estes estímulos são definidos conforme o simulador determina usando V para fontes de tensão e I para fontes de corrente. Estas fontes são automaticamente parametrizadas conforme a criação do estímulo

Temos a seguir a figura do Editor de Estímulos.

11.1.3 – PQF 7.0:

O PQF 7.0 é um software para analisar a qualidade da energia elétrica (Power Quality) e resolver circuitos elétricos em regime permanente, visando proporcionar uma ferramenta computacional simples, dinâmica e de uso diário na operação do sistema elétrico.

Este software realiza estudos de fluxo de carga, fluxo harmônico, calcula perdas

elétricas etc. Para tanto é necessário a implementação de um sistema ou circuito elétrico, composto basicamente de uma fonte de tensão (Concessionária) e uma ou mais cargas conectadas a esta fonte, diretamente ou através de elementos série como cabos e transformadores. No tocante às cargas, estas podem ser lineares ou não-lineares, sendo que as não-lineares são caracterizadas por uma tensão não proporcional à corrente, proporcionando formas de onda não-senoidais ou distorcidas, tanto para corrente quanto para a tensão. Estas formas de onda podem ser decompostas em várias senóides com freqüências múltiplas à freqüência fundamental, conhecidas como “harmônicas”. Entre as cargas não-





lineares encontram-se os fornos de indução, fornos a arco, conversores de freqüência, retificadores, No-breaks, lâmpadas fluorescentes, fontes chaveadas e equipamentos eletrônicos em geral.

Enfoca os seguintes itens:

- Cálculo do fator de potência e sua correção; - Alocação de banco de capacitores em ambientes com sinais senoidais e aqueles contendo harmônicos; - Cálculo das potências Ativa, Reativa e Aparente; - Fluxo de carga; - Fluxo harmônico,determinando os níveis de tensão e correntes harmônicas; - Análise da suportabilidade de equipamentos que operem sob a presença de harmônicos; - Aplicação de normas ABNT para a avaliação do impacto dos harmônicos sobre capacitores; - Análise de circuitos elétricos em regime permanente; - Tarifação de consumo Horo-Sazonal; - Verificação dos níveis de tensão do sistema elétrico; - Cálculo das perdas elétricas com e sem harmônicos; - Projeto de Filtros Harmônicos.

A entrada de dados é bastante simples, visando a montagem de uma rede elétrica

sem dificuldades. Os dados de entrada assim como os resultados são comuns ao dia-a-dia dos engenheiros e técnicos, ou seja, utiliza-se unidades em volts, watts, W , evitando a conversão para o sistema por unidade (pu). O Software permite uma maior interação entre usuário/máquina uma vez que utiliza o ambiente Windows.





As saídas são apresentadas de forma gráfica em telas, contendo os resultados de tensão, corrente e potência total, harmônica e fundamental; limite operacional de transformadores, motores e capacitores em função do conteúdo harmônico; indicação de elevação ou queda da tensão acima dos limites aceitáveis (Sobretensão e subtensão); fator de potência e perdas.





Adicionalmente tem-se os resultados relativos à tarifação horo-sazonal (consumo de

energia), conforme as tarifas convencional, azul e verde. O programa emite relatórios dos resultados obtidos que podem ser impressos, e

fornece gráficos em formas diversas como gráfico de barras, pizza, forma de onda da tensão e corrente, etc.

Sem dúvida é a melhor ferramenta nacional para o trabalho de pesquisa, simulação

e análise, tornando a tarefa mais simplificada e segura.

11.2 – SIMULAÇÕES DE CIRCUITOS:

As simulações têm por finalidade implementar um circuito virtualmente, de maneira que possa ser analisado e modificado infinitamente sem que seja necessária a produção de um protótipo físico.

Têm por objetivo também, elucidar ao projetista todas as características de

funcionamento do circuito simulado, tais como polarização, ganho, freqüências de corte, região de operação, níveis de corrente e tensão, entre outros, ou seja, todos os parâmetros que se consideram importantes no projeto do mesmo.





11.2.1 – Características:

Existem diversos tipos de simulações a se considerar quando se deseja estudar um circuito. Dentre esses tipos característicos, alguns parâmetros específicos merecem destaque.

Podemos dividir os circuitos eletrônicos em três categorias como:

- Circuitos Analógicos: podemos destacar os amplificadores (classe, A, B, AB, C e operacionais), filtros passivos, e outros. - Circuitos Digitais: neste temos os circuitos lógicos combinacionais, flip-flops, contadores, e outros. - Circuitos de Sinal Misto: temos os conversores A/D e D/A, placas de aquisição de dados, entre outros

Para cada tipo de circuito realiza-se a simulação de maneira diferente e com

parâmetros diferentes que devem ser observados. 11.2.1.1 - Simulação de Circuitos Analógicos

Nessa categoria de circuitos encontram-se os circuitos cuja entrada e saída são analógicas, ou seja, circuitos que trabalham com sinais contínuos, ou seja, sinais que variam continuamente no tempo, dentro de uma faixa de valores, por exemplo, a amplitude do sinal de saída no alto-falante de um rádio pode assumir qualquer valor entre zero e o seu limite máximo. Os equipamentos de reprodução e gravação de fitas magnéticas são outros exemplos comuns de sistemas analógicos.

Realizando a simulação desse tipo de circuito necessita-se do estudo de

alguns parâmetros importantes como por exemplo, relação entre entrada e saída (função de transferência), tanto para tensão como para corrente, defasamento angular, no caso de circuitos senoidais, ganho em dB, entre outros.

Para que isso ocorra, algumas características de simulação devem ser

utilizadas como no caso das análises AC e DC. 11.2.1.1.1 - Análise DC

Em se tratando de análise DC temos 4 características que podem ser determinadas através do simulador:

- Varredura DC (DC Sweep):





A varredura DC permite ao usuário saber o efeito de cada fonte sobre o circuito todo. Isso é possível pois o simulador utiliza-se do teorema da superposição onde o efeito de cada fonte sobre a saída ou sobre um determinado componente pode ser calculado eliminando qualquer outra fonte do circuito.

Para que isso seja possível, deve-se determinar qual a fonte que se queira

utilizar e qual variável de saída a ser estudada, permitindo que o programa faça todo o resto automaticamente.

- Ponto de Polarização (Bias point): O ponto de polarização é calculado automaticamente independentemente da

sua solicitação pelo usuário. Trata-se de um ponto determinado aonde o circuito opera e é calculado, no

caso de circuitos amplificadores por exemplo, quando o mesmo está alimentado apenas por fontes DC, ou seja, os sinais de entrada do circuito estão desligados.

Um exemplo clássico é o circuito amplificador classe A, cuja análise do ponto

de polarização determina se o transistor está operando na região linear ou se o mesmo está operando nas regiões de corte ou saturação.

- Análise de Pequenos Sinais (Small-signal DC transfer): A análise de pequenos sinais é a ferramenta que possibilita o cálculo do ganho

DC de um circuito. Isso é possível pois o simulador, nesse caso, calcula a função de transferência e as impedâncias de entrada e saída do sistema.

Todo esse processo se deve ao fato do simulador utilizar-se das técnicas de

análises de pequenos sinais (modelo π, π-híbrido, βre) linearizando o circuito em torno do ponto de polarização.

- Sensibilidade DC (DC Sensitivity):

Essa análise determina a sensibilidade de uma tensão em um nó determinado para cada parâmetro dos dispositivos nele conectados. Da mesma forma que no caso anterior, a análise de sensibilidade é feita linearizando o circuito em torno do ponto de polarização.

11.2.1.1.2 - Análise AC

Nesta categoria de análise encontramos dois tipos importantes:





- Varredura AC (AC Sweep): A varredura AC, na verdade, trata-se da análise de resposta em freqüência. Nesta situação, o simulador dá como resultado uma curva com a varredura em

freqüência do sinal de entrada, ou seja, utilizando-se de uma fonte AC na entrada do circuito, o simulador calcula a resposta do mesmo para cada valor de freqüência entre os valores inicial e final, determinados pelo usuário. A curva de saída tanto pode ser de tensão quanto de corrente.

Para circuitos ressonantes e filtros (ativos ou passivos) esta, talvez, seja a

análise de maior importância pois é através dela que se determina a freqüência de ressonância (circuitos ressonantes) e as freqüências de corte (filtros), além de obter-se também a largura de banda de circuitos (bandwidth).

Uma outra grandeza importante obtida nessa análise é o defasamento angular

que pode ser expresso entre duas tensões, duas correntes ou entre tensão e corrente. O defasamento angular é dado em graus.

Pode-se também determinar o diagrama de Bode para tal circuito.

- Análise de Ruído (Noise Analysis):

A Análise de Ruído permite que se calcule a contribuição de cada componente do circuito (resistor, semicondutor, etc.) através dos nós especificados pelo usuário. Também calcula os ruídos equivalentes de entrada e saída do sistema.

Em relação aos semicondutores (diodos, transistores, etc.) o simulador ainda

calcula individualmente cada tipo de ruído presente no componente, ou seja, pode calcular os ruídos térmicos, de disparo e de chaveamento (flicker).

11.2.1.1.3 - Análise Transitória

Uma das categorias mais importantes de análise, a análise transitória permite efetivamente que se analise a resposta do circuito em relação ao sinal de entrada, ou seja, ela nos dá a forma de onda de saída do circuito simulado em relação ao sinal de entrada.

Temos aqui dois tipos de análises básicas:

Análise no domínio do tempo:





A análise no domínio do tempo nos permite calcular a resposta do circuito simulado, em relação ao sinal de entrada, de um tempo inicial a um tempo final. Geralmente usamos o tempo inicial zero, mas isso não seria uma regra.

Parâmetros da Análise Transitória

Na seleção de parâmetros, além dos tempos inicial e final podemos também

determinar o intervalo de tempo no qual o simulador vai documentar os cálculos no arquivo de saída da simulação. Dessa maneira, se solicitamos um tempo inicial zero (TIME = 0) e um tempo final (Run to time = 1000 ns) e um passo de 20 ns, a cada 20 ns o simulador escreve a resposta nesse ponto no arquivo de saída.

Durante a simulação, o PSpice mantém um passo interno (diferente daquele

que é escrito no arquivo de saída) auto-ajustável, dessa forma, além de manter a precisão, os passos desnecessários são eliminados, como por exemplo num circuito que exibe na sua resposta um longo período de inatividade.

Para evitar qualquer tipo de problema e para que o simulador não perca

nenhum dado importante, o passo máximo pode ser definido pelo usuário, fazendo com que o PSpice não ultrapasse aquele passo máximo definido e não perca nenhum ponto importante a ser calculado na simulação.

Análise de Fourier: A análise de Fourier é habilitada através das opções do arquivo de saída da

simulação. Através dessa análise, o simulador calcula as componentes de Fourier da variável escolhida pelo usuário.





Além da componente DC o simulador calcula mais noventa ordens harmônicas automaticamente, porém mais ordens podem ser solicitadas.

Os parâmetros de configuração são a freqüência fundamental, ordens

harmônicas e a variável de estudo. Determinando-se a variável de estudo, o simulador escreve no arquivo de saída, em forma de tabela, as componentes de Fourier.

Parâmetros da Análise de Fourier

Um outro aspecto dessa análise é o espectrograma, ou seja, o espectro das

formas de onda de saída, que são apresentados na janela do Probe. Toda a análise se baseia na transformada rápida de Fourier (FFT).

Espectrograma com Pspice





11.2.1.2 - Simulação de Circuitos Digitais

Resulta da combinação de dispositivos desenvolvidos para manipular quantidades físicas ou informações que são representadas na forma digital; isto é, tal sistema só pode manipular valores discretos. Na sua grande maioria, estes dispositivos são eletrônicos, mas também podem ser mecânicos, magnéticos ou pneumáticos. As calculadoras e computadores digitais, os relógios digitais, os controladores de sinais de tráfego e as máquinas de escrever são exemplos familiares de sistemas digitais.

Os circuitos digitais resultam da combinação de dispositivos desenvolvidos

para manipular quantidades físicas ou informações que são representadas na forma digital; isto é, tais sistemas só podem manipular valores discretos. Na sua grande maioria, estes dispositivos são eletrônicos, mas também podem ser mecânicos, magnéticos ou pneumáticos. As calculadoras e computadores digitais, os relógios digitais, os controladores de sinais de tráfego e as máquinas de escrever são exemplos familiares de sistemas digitais.

Em relação aos circuitos digitais, nem o nível de corrente nem o nível de

tensão são muito importantes apenas a resposta. Geralmente esses níveis são parametrizados para obtermos algo do tipo zero/um ou ligado/desligado. Dessa maneira, temos um intervalo de tensão que é considerado “zero” e outro que é considerado “um”.

Esses sistemas mais comumente utilizam a barreira dos 5 volts para o que é

ligado e desligado, com uma determinada tolerância, porém esse valor vem caindo assustadoramente, o que demanda uma precisão muito maior dos circuitos hoje em dia. Para intervalos entre 0 e 1,2 volts a saída é considerada nível lógico zero e para intervalos entre 3,5 e 5 volts, a mesma é considerada nível lógico 1.

Entre os circuitos digitais clássicos, podemos citar as portas lógicas (AND, OR,

NOT, XOR, NAND, etc.), contadores, somadores, multiplexadores, etc. Quando se simula esse tipo de circuito, obtemos a resposta através de 2

maneiras: ou como um trem de pulsos, ou como a “tabela da verdade”, que expressa a saída do mesmo para cada situação possível na entrada.

Os circuitos digitais geralmente são simulados um “clock” em sua entrada, de

forma que a cada pulso deste temos uma mudança de estado na saída, e se esses pulsos forem continuados então teremos a resposta como um trem de pulsos.

11.2.1.3 - Simulação de Circuitos de Sinal Mixto

Circuitos de sinal misto são aqueles que incorporam tanto características de circuitos analógicos, quanto de circuitos digitais. Estes, em algum momento trabalham com os dois tipos de sinal.





Como exemplos de circuito de sinal misto podemos citar os conversores A/D (analógico-digital) e os conversores D/A (digital analógico).

Em relação à simulação desses circuitos, podemos empregar as técnicas

descritas anteriormente tanto para circuitos analógicos quanto para circuitos digitais, ou seja, todas as análises podem ser empregadas.





12 – INSTRUMENTAÇÃO Monitorar os distúrbios de energia é uma medida racional para caracterizar o

desempenho de sistemas elétricos ou caracterizar os problemas específicos num sistema. No final, esta caracterização se resume em estabelecer índices e critérios de identificação dos distúrbios.

O estabelecimento de uma base de dados e por conseguinte de um histórico dos

distúrbios, requer uma instrumentação de medição compatível para cada tipo de distúrbio, com calibrações em níveis aceitáveis e confiáveis do ponto de vista físico e profissional.

Para se determinar o instrumento a ser usado, é preciso saber o que vai medir, porque,

como, quanto, onde e quando; conforme mostrado abaixo:

- O que? Está relacionado com o tipo de grandeza, sua magnitude e periodicidade.

- Porque?

Está relacionado com a finalidade da medição. Se a mesma é para rastreamento de problemas, simples monitoração, estudos analíticos e específicos.

- Como?

Está relacionado com as condições físicas do local, e com o tipo de grandeza existente (níveis de tensão e corrente).

- Quanto?

Está relacionado com o tempo de medição (instântanea ou periódica).

- Onde? Está relacionado com os pontos de retirada de sinal ou de pega de valor

(tensão e corrente).

- Quando? Está relacionado com o horário da medição em função do carregamento do

sistema. Portanto, antes de se iniciar a medição, é necessário inspecionar o local e as condições

físicas para o trabalho. Se inteirar da sazonalidade operacional do sistema para traçar um cronograma de serviços. Durante os trabalhos, deve-se estar preparado para as eventualidade e ocorrências de sinistros, estando sempre alerta para os comportamentos adversos do sistema, que ficam evidenciados na medição.





Apesar da rápida e alta evolução tecnológica da eletrônica embarcada em equipamentos e sistemas elétricos, observamos que os instrumentos de medição tem evoluído de forma similar com velocidade altas e medidas eficientes e confiáveis.

A área de instrumentos elétricos de monitoramento apresenta constantes desafios e está

revestida de grande importância para a solução de cada caso dos problemas de qualidade de energia num sistema elétrico.

A instrumentação para a execução dos trabalhos de levantamento e medição para um

trabalho completo de elaboração do Estudo Técnico de harmônicos e transitórios de um sistema deve ser a seguinte:

- Terrômetro de 4 pontas para resistência da malha terra, com geração síncrona de

média freqüência (ex.: 1470 Hz), com corrente de saída de no máximo 50 mA, escala máxima de 20 MΩ e 200 Vac, resolução 0,01 Ω e 0,1 V e precisão 1% para resistência e 2% em tensão.

- Terrômetro microprocessado de 3 pontas para resistência das equipotencializações

no solo e resistividade do solo, com geração síncrona de baixa freqüência (ex.: 270 Hz), com corrente de saída de no máximo 20 mA, escala máxima de 20 KΩ e 200 Vac, resolução 0,01 Ω e 0,1 V e precisão 1% para resistência e tensão.

- Terrômetro de 3 pontas para resistência da malha de terra interligada e em

operação, com geração fixa por cristal de alta freqüência (ex.: 25 KHz), escala máxima de 200 Ω, resolução 0,01 Ω e precisão 2% para resistência.

- Microhmímetro microprocessado, para resistência de contato de barramentos e

conexões de cabos, com medição a 4 fios, com corrente de saída de 1 mA a 100 A, escala de 200 µΩ e máxima de 200 Ω, resolução 0,1 µΩ e precisão de 0,50% para resistência.

- Analisador de espectro de energia monofásico e trifásico, para amplitudes de

correntes harmônicas no aterramento, com medições de harmônicos até no mínimo a 51ª ordem, definição da freqüência fundamental a partir de 25 Hz, amplitudes de corrente e tensão até 1250 KA e 750 V e oscilografação até 20 MHz.

- Registrador e analisador de energia microprocessado para harmônicos,

interharmônicos, perturbações, correntes de curto circuito, flicker e transitórios de corrente e tensão do sistema de aterramento para análise dos distúrbios do mesmo.

- Megôhmetro eletrônico para medição da impedância da malha de aterramento,

com tensões de prova de 5, 10, 15 e 20 KV, escala até 4 GΩ, estabilidade de medição de 1% e precisão 2 %.

- Megôhmetro microprocessado para testar a interligação entre malhas de terra, com

tensões de prova de 500 V até 5 KV com intervalos de 500V, escala até 4 TΩ, estabilidade de medição de 1% e precisão 5 %.





Todos os equipamentos devem estar devidamente calibrados e certificados, com prazos

de validade vigentes, para que não haja suspeita de erros acima do permitido pela norma. Todos equipamentos devem efetuar as medições garantindo a operacionabilidade do

setor e a integridade dos equipamentos.





13 – ATERRAMENTO ESPECÍFICO APLICADO Este capítulo não tem a pretensão de dissertar sobre o assunto e nem legislar dentro do

universo abrangente da matéria, onde já existem profissionais de renome com publicações específicas e de valiosa dimensão dentro do contexto técnico e acadêmico, que inclusive serviram de base para este trabalho.

Tem-se notícia através do Arquiteto romano Vitruvio em sua obra De Architectura, que os

romanos, antes de edificar suas casas ou suas cidades, deixavam um rebanho de ovelhas pastarem sobre o referido terreno, para em seguida examinar suas víceras, especialmente o fígado. O fato é real e tem fundamento científico, tendo em vista que a terra imersa em um vasto campo de radiação natural, indispensável para o desenvolvimento da vida, produz também radiações nocivas, que em excesso podem afetar o funcionamento do fígado, cuja função é filtrar o sangue, e é a primeira barreira que o corpo impõe às radiações telúricas. Portanto tem-se aí as primeiras pesquisas rudimentares e involuntárias de solo.

Os estudos acadêmicos sobre aterramentos vem sendo desenvolvidos desde o início do

século por engenheiros de pesquisa, onde a base dos mesmos são os fenômenos impulsivos, propagação de ondas, geração e absorção de transitórios, fluxos de corrente, referências de sinal, dispersão e propagação de ondas impulsivas e senoidais ou não senoidais (frequências industriais e de telecomunicações). A partir de 1934, com Bewley, passando por trabalhos de Rudenberg (1945) com estudos específicos em alta frequência. Em 1995, Visacro apresentou discussões sobre os aspectos fundamentais com relação à Compatibilidade Eletromagnética baseado em aterramentos em baixas frequências e altas frequências, onde foi determinado que as correntes capacitivas no solo são desprezadas para baixas frequências e muito significativas para as altas frequências.

O comportamento dos sistemas de aterramento perante as frequências industriais e de

telecomunicações é um assunto de vasto campo de pesquisa e discussões técnicas, que geram muitas teorias e simulações, que em sua maioria já foram comprovadas na prática perante o universo de variáveis existentes no solo e nos materiais da malha.

Apesar das normas da ABNT, das concessionárias e das instituições técnicas

internacionais, que provêem as condições mínimas para o aterramento de sistemas, muitas vezes é necessário ir além dos requisitos mínimos destas normas para se obter a estabilidade e funcionabilidade regular de sistemas. O aterramento inadequado responde por 40% dos problemas existentes numa planta industrial. Esses problemas são onerosos e estão relacionados com danos físicos, tempos de parada e todos os outros que serão citados nos capítulos adiante.

Junto com a evolução das tecnologias de automação industrial, vieram as necessidades

de um sistema de aterramento adequado e especifico para cada caso em função de se manter a estabilidade e confiabilidade do sistema além da função de proteção que qualquer sistema





exige. Sabe-se que existem variações de tensão, freqüência, níveis de harmônicos de corrente e tensão, descargas atmosféricas, surtos por curto circuitos, ruídos com uma variada gama de frequência, além da alteração dos níveis de referência para os equipamentos eletrônicos.

Hoje, somado a estas necessidades citadas, temos ainda a imposição dos sistemas de

automação em obter garantia de referência e de dispersão de freqüências espúrias geradas pelos próprios sistemas de controle e pelos sistemas eletrônicos em geral. Portanto, um sistema de aterramento deve ser preparado para dispersar correntes de massa, freqüências espúrias, dispersar os surtos de curtos circuitos e descargas atmosféricas, além de rebaixar os níveis de corrente por eletricidade estática (quando for o caso), garantindo uma melhor estabilização da operação de um sistema elétrico.

Qualquer equipamento com eletrônica embarcada de alta tecnologia que se comunica

com outros equipamentos ou com o sistema ou com a malha de automação, necessita de uma tensão de referência “zero” e de criticidade muito baixa, para que tenha sua operação dentro dos padrões apropriados segundo normas e referências dos fabricantes dos mesmos.

Variação da Diferença de Potencial, correntes altas na malha de terra, capacitância de

solo e saturação da malha de terra, causam o RUÍDO DE MODO COMUM. Com a presença de ruídos e correntes parasitas na malha, tem-se um fluxo perigoso de corrente nos cabos de aterramento de equipamentos e sistemas, contendo harmônicos e transitórios, podendo causar acoplamentos resistivos ou capacitivos, em uma intensidade tal que possa queimar os mesmos ou causar sinistros de monta irradiado em toda a planta conforme a intensidade dessas correntes no terra. Também deve-se levar em conta as correntes telúricas normais do solo e correntes capacitivas intrínsecas dos tipos de solo, que podem carregar um nível de frequência perigoso.

Quando existe uma diferença de potencial entre o terra ao qual a fonte de energia faz

referência e o terra ao qual o equipamento faz referência, temos a grande possibilidade de geração de RUÍDO DE MODO COMUM. Sempre há um acoplamento resistivo ou capacitivo entre os circuitos internos de um equipamento e seu aterramento. Quando existe uma circulação de corrente entre a carcaça do equipamento e o aterramento da fonte de alimentação deste, temos a geração de uma diferença de potencial que não é bem vinda ao sistema.

Caso a diferença de potencial e a corrente residual no terra não tenha variação ou seja,

são permanentes e seus ranges são mínimos, é muito dificil haver geração de ruídos, e a referência “zero” dos equipamentos passam a ter um módulo a partir desses valores existentes, e os equipamentos se adequam com aquele zero referencial. A alteração para o estado “um”, se dá a partir desses mesmos valores. Portanto, podemos considerar que em módulo, uma corrente de 180 mA e uma tenção de 150 mV, é razoável para o funcionamento da maioria dos equipamentos eletrônicos que usam a referência zero. Claro que estes valores vem diminuindo a cada ano, com a evolução da eletrônica embarcada industrial. O maior problema são os distúrbios que estes “terras” podem ter ou sofrer, em função de suas características intrínsecas.





CLF

π21

=

Portanto, o ruído de modo comum altera a referência de sinal para qualquer controle eletrônico dependendo da intensidade, amplitude e frequência que este carrega. Para sistemas de potência antigos, operando com um nível de 3 Volts e 250 mA de ruído, não temos sinistros, já que estes muitas vezes equivalem à 1% dos parâmetros da energia de alimentação. Porém, este mesmo nível em referência à fonte de alimentação de um equipamento eletrônico de controle industrial moderno, pode equivaler à 30 ou 40% dos parâmetros de energia dos circuitos internos deste. Neste caso, podemos ter sinistros de queima ou de modificação de sinal ou resposta, alterando a operação deste.

Para a adequação dos equipamentos eletrônicos quanto ao aterramento, utiliza-se o

aterramento de todos eles através de uma Malha de Terra de Referência (MTR), para diminuir ou até eliminar os ruídos de alta frequência proveniente dos acoplamentos capacitivos do sistema. A construção de uma MTR, deve sempre levar em conta o comprimento médio de onda das frequências reinantes no sistema de terra, procurando evitar meshs da malha menores do que 1/10 do comprimento dessas ondas, onde teremos a dispersão ou consumo na própria malha dos ruídos.

Muitas vezes, para se conseguir níveis aceitáveis nos aterramentos, é necessário além de

uma malha adequada, a instalação de atenuadores de pulsos e impulsos, devidamente calculados, para se manter a integridade dos sinais de referência, principalmente em se tratando de sensores e pickups, sendo que os mesmos não podem interferir no sinal matriz. É prudente realizar medições de capacitância de solo, para se determinar a corrente capacitiva do solo e entre a malha e o solo, bem como as diferenças de potencial intrínsecas do solo, para que os atenuadores sejam calculados devidamente, levando-se em conta os parâmetros intrínsecos do solo e da malha inserida neste.

Falando em capacitância de solo, K. T. Morgan, da Universidade da Florida, escreveu um

artigo onde cita que a frequência de oscilação é proporcional à capacitância do solo, implicando no acréscimo de capacitância de maneira que também haja o acréscimo na frequência de oscilação, mas que não é o caso, tendo em vista que o decréscimo de frequência com o acréscimo de capacitância é uma relação não linear como demonstrada pela fórmula abaixo regendo a resposta de frequência ressonante (F) de um circuito ajustado.

A indutância e capacitância são L (H) e C (F) respectivamente. Esta resposta não linear é

muito sensível para materiais com valores de baixa capacitância, isto é, baixa permissividade. A partir daí, temos todo o desenvolvimento do cálculo e a caracterização de métodos de monitoração, que torna mais fácil o desenvolvimento de modelos próximos do ideal em relação aos diversos tipos de solos e suas composições, facilitando a prevenção na elaboração de projetos de aterramentos mais adequados aos seus fins. Portanto, o levantamento da capacitância do solo vem a determinar uma série de fatores importantes para os aterramentos.





( ) malhaAaR /4/ πρ=

( )dLL

aRh /4ln2πρ

=

heq RKR =

fCD 20/=

Para o cálculo prévio à instalação de um aterramento temos a aplicação das fórmulas básicas a seguir:

- Resistência de uma haste:

Onde: Rh - Resistência da haste (Ω) ρa - Resistividade do solo (Ωm) L - Comprimento da haste (m) d - Diâmetro da haste (m)

- Resistência equivalente à associação de hastes em paralelo:

Onde: Req - Resistência equivalente (Ω) Rh - Resistência da haste (Ω) K - Fator de redução

- Resistência da malha de aterramento:

Onde: R - Resistência da malha (Ω) ρa - Resistividade do solo (Ωm) A - Área da malha (m²)

- Determinação do mesh da malha:

Onde: D – Janela da malha (m) C - Velocidade da luz (300.000.000 m/s) f - Frequência (Hz)





Na construção de uma malha de aterramento cujo mesh seja muito menor que o comprimento da onda da maior frequência interferente, não existirão diferenças de potencial relevantes entre dois pontos quaisquer da malha. Portanto, a malha de aterramento de referência deve ser projetada segundo este critério e terá um plano de referência sem perturbações tanto para frequências baixas quanto para altas frequências na faixa de mega e giga Hertz.

Recapitulando o que foi dito, temos a seguinte premissa básica e geral:

1/10 comprimento da menor onda < Mesh << comprimento de onda da maior

frequência interferente

Também deve-se levar em conta as correntes telúricas normais do solo e correntes

capacitivas intrínsecas dos tipos de solo, como já foi dito. Além do tipo de solo, temos a variação das características físicas do mesmo tais como: - Umidade:

A variação da resistividade em função da umidade é uma relação direta e é visualizada no gráfico abaixo.





Como exemplo prático desta relação temos a tabela estratificada de um solo arenos como segue.

Índice de umidade % por peso Resistividade (Ω.m)

0 10.000.000 2,5 1.500 5 430 10 185 15 105 20 63 30 42

Já está mais do que comprovado a variação da atuação das malhas de aterramento

segundo o período ambiental de chuvas e secas, variando assim a capacidade de dispersão da malha e por conseguinte todos os parâmetros do sistema qua são dependentes desta, principalmente as referências de sinais de terra.

- Temperatura:

A variação da resistividade em função da temperatura é uma relação direta e é visualizada no gráfico abaixo.

Com o aumento ou diminuição da temperatura, temos uma maior ou menor concentração no estado molecular do solo, tornando-se mais seco ou úmido, dificultando ou melhorando a condução da corrente de disperção da malha e elevando a resistividade desta. Segue neste mesmo caminho a dispersão de frequências espúrias de um sistema, ficando comprovado a variação da atuação das malhas de aterramento segundo o meio ambiente.





- Salinidade:

A variação da resistividade em função da salinidade (concentração de sais) também é uma relação direta e é visualizada no gráfico abaixo.

Com a variação da concentração de sais no solo, temos os solos com maior ou menor capacidade de drenagem e fluxo de corrente e portanto uma maior dispersão da malha, variando também a resistividade desta. Segue neste mesmo caminho a dispersão de frequências espúrias de um sistema. Também fica comprovado a variação da atuação das malhas de aterramento segundo o meio ambiente, tomando-se como exemplo a comparação das malhas em solos perto do litoral e com as malhas em solos áridos do interior.

- Compactação do solo:

A variação da resistividade em função da compactação do solo também é uma relação direta e é visualizada no gráfico abaixo.





A compactação do solo influi diretamente na resistividade da malha, onde temos a maior ou menor capacidade de drenagem e fluxo de corrente e portanto uma maior dispersão da malha, variando também a resistividade desta. Basta observar a dificuldade de dispersão em solos rochosos ou simplesmente em rochas compactas, que exigem configurações muito mais caras para a implantação das malhas de aterramento.

- Capacitância do solo:

O método de medição da capacitância do solo é largamente empregado na determinação dos níveis de umidade, condutividade e agregação do mesmo. Tomando carona no mesmo príncípio, podemos determinar a direção do fluxo de correntes telúricas, a frequência intrínseca do solo e finalmente a capacidade de dissipação de frequências espúrias numa malha inserida no mesmo. Também podemos determinar estatisticamente a quantidade de cristais, o tipo de meio (sólido, ar e água) das lacunas, que está relacionado com a compactação, umidade. Para entendermos esta disposição, temos a figura abaixo onde observamos uma representação exagerada de uma amostra microscópica de uma lâmina de solo argiloso com o nível de umidade mais alta.





Conforme o Prof. Dr. Antonio C. O. Braga, da UNESP de Rio Claro, o solo pode ser considerado como sendo um agregado com estruturas de sólidos (cristais, minerais, grãos, etc), liquidos e lacunas de ar ou gases, como mostrado acima, na qual sua resistividade, capacitância, diferença de potencial, condutividade e outras características, são influenciados pelos seguintes fatores:

- resistividade dos minerais e componentes que formam a parte sólida do solo; - resistividade dos líquidos e gases que preenchem seus poros ou lacunas; - nível de umidade do solo; - nível da porosidade (lacuna) e tipo de gases que a preenche; - textura da parte sólida e a forma e distribuição de seus poros; - os caminhos condutivos de corrente em função dos processos elétricos que

ocorrem no contato dos líquidos e gases contidos nos poros com a parte sólida composta de minerais e cristais.

Ainda falando da condutividade através do solo, como já foi citado, temos dois tipos:

- condutividade eletrônica que deve-se ao transporte de eletrons na matriz da parte sólida, sendo a sua resistividade e sua capacitância governadas pela agregação dos minerais e cristais e o grau de impurezas. Este tipo, de mecanismo é o que interessa aos estudos aplicados à Engenharia Elétrica. Aquí, podemos estudar a dissipação de frequências, campos magnéticos e condutividade, além dos dois itens já citados. - condutividade iônica que deve-se ao deslocamento dos íons existentes nos líquidos contidos nos poros de uma massa do solo, sedimentos inconsolidados ou fissuras deste solo. Este tipo, de mecanismo é o que interessa aos estudos aplicados à Hidrogeologia, Geologia e também à Engenharia Elétrica. Aquí, podemos estudar as diferenças de potencial, os fluxos de correntes telúricas, o direcionamento destas e a dissipação de campos elétricos.

Observando os estudos de vários autores em suas aplicações de Polarização induzida

(método baseado na medição das variações de voltagem ou frequência) em teses de Hidrogeologia, temos algumas conclusões muito relevantes em nossas aplicações de Engenharia Elétrica, que são:

- em arenitos ou aluviões saturados com água, a ddp é baixa quando temos camadas distintas em que uma delas contem argila, porém a drenagem de corrente é melhor e a reestruturação do solo mais rápida; - em areia quartzosa pura saturada com água, a ddp é maior e a drenagem de corrente é pior; - a drenagem de corrente num solo argiloso depende da quantidade e da composição da água e a determinação da direção do fluxo da corrente vai depender do fluxo deste veio d’água formado no solo; - a argila pura apresenta baixa resistividade e maior poder de drenagem; - as camadas arenosas apresentam alta resistividade e menor poder de drenagem; - as camadas siltosas apresentam menor poder de drenagem e resistividade intermediária.





- a presença de material orgânico em decomposição, acaba formando pequenas pilhas eletrolíticas, que almentam a ddp intrínseca do solo, e a possibilidade de fluxos de corrente indesejáveis.

- Corrosão em sistemas de aterramento:

A corrosão é um processo natural e cotidiano. Podemos dizer que é a volta do metal ao seu estado primitivo, antes de ser purificado. Sabemos que os átomos são constituídos por um equilíbrio de cargas negativas (elétrons) e positivas (íons). Os metais tem a tendência de perder elétrons, transformando-se em íons.Ao submergirmos um metal em um eletrólito, que no caso do aterramento é o solo, espontaneamente os íons positivos entram em solução, com uma consequente circulação de uma corrente elétrica, chamada corrente galvânica. Com isto, temos a destruição eletroquímica do metal, chamada de corrosão úmida.

A corrosão é portanto a destruição ou degradação do metal devido a reação com o

meio que o envolve. Esta destruição eletroquímica deve-se às seguintes causas:

- Por heterogeneidade de metais que deve-se à submersão do metal num eletrólito, onde este toma um potencial em relação ao meio que o envolve. A partir destes potenciais, temos abaixo a tabela de potenciais naturais baseada no potencial do hidrogênio.

METAL POTENCIAL (Volts) Sódio - 2,71 Magnésio - 2,34 Alumínio - 1,67 Zinco - 0,76 Ferro - 0,44 Níquel - 0,25 Chumbo - 0,12 Hidrogênio 0,00 Cobre + 0,34 Prata + 0,80 Ouro + 1,20 Platina + 1,68





A medida que descemos na tabela, temos a tendência de que quanto mais negativo o potencial do metal, mais facilmente seu íon entrar em solução. A platina não entra em solução, ou seja não se corroe. Portanto, a tendência do metal em se corroer decresce à medida que é mais positivo seu potencial natural. Conforme a tabela acima, a ddp entre o Ferro e o Cobre é de 0,78 Volts. Temos neste caso o cobre normalmente como anodo e o ferro como catodo. - Por heterogeneidade de eletrólitos que deve-se ao fato do meio (solo) formar-se por zonas anódicas e catódicas naturalmente. Estas zonas podem ser diferenciadas quanto ao seu estado de formação (diferença de eletrólito), seu estado de concentração (diferença de concentração de eletrólito) e seu estado de oxigenação (diferença de concentração de oxigênio).

- Por ação de correntes dispersas que deve-se ao fato de haver a ação de correntes dispersas sobre um sistema de aterramento. Estas correntes podem ser originadas em sistemas de tração elétrica, subestações retificadoras, usinas de tratamento eletrolítico e outros. Na zona em que a corrente elétrica entra na malha de terra, teremos a zona catódica, que não vai se corroer. No ponto em que a corrente elétrica abandona a malha, temos uma zona anódica, corroendo-se violentamente.

A proteção de um sistema de aterramento depende do contexto em que ele está

inserido dentro do meio ambiental da instalação. Qualquer forma de proteção catódica, é baseado na neutralização das correntes elétricas que circulam entre as estruturas, seja por sistema passivo (GEM) ou sistema ativo (Proteção catódica por corrente impressa).

- Proteção Catódica por corrente impressa:

Segundo os especialistas da área, por sua eficiência e maior longevidade, o método de proteção catódica por corrente impressa é o mais indicado para grandes estruturas, principalmente em tubulações enterradas e tanques de armazenamento de plantas industriais.

Os sistemas de proteção catódica por corrente impressa nos libera da voltagem

direcionada limitada dos anodos galvânicos. Uma tensão de corrente contínua oriunda de fonte externa é "impressa" no circuito entre a estrutura protegida e os anodos. A fonte de energia mais comum é o retificador de proteção catódica ou fonte de energia de CC.

Este equipamento simplesmente converte corrente elétrica alternada (de um sistema

de distribuição de eletricidade) para uma corrente elétrica contínua de baixa voltagem. A tensão de saída da unidade pode ser ajustada. Retificadores de proteção catódica estão disponíveis em diversas capacidades de saída, desde um ampère até centenas de ampères. Sistemas de corrente impressa (Vide figura a seguir) são inerentemente mais complexos do que os sitemas galvânicos e, tipicamente, requerem mais manutenção.





Um fator importante para um levantamento elétrico desse sistema, é a agressividade do solo em função de sua resistividade elétrica, que quanto mais baixas forem as resistividades elétricas medidas mais facilmente funcionarão as micro e macro pilhas de corrosão, sempre presentes nas superfícies de aço e ferro fundido enterradas, devido à variação da composição química, presença de inclusões não metálicas e tensões internas diferentes, causadas pelos processos de fabricação, conformação e soldagem dos tubos em questão, de onde temos a tabela a seguir:

Resistividade Elétrica Agressividade

Até 10 Ω.m alta

10 Ω.m a 50 Ω.m Média

50 Ω.m a 200 Ω.m Baixa

Acima 200 Ω.m Muito baixa





A partir da tabela acima, temos as seguintes observações:

- Os solos só podem ser considerados não agressivos quando apresentam resistividades elétricas bastante uniformes e superiores a 200.000 Ω.cm. - Mesmo em solos de altíssima resistividade elétrica, acima de 200.000Ω.cm, pode haver corrosão severa em tubulações metálicas enterradas, devido à ocorrência de outros fatores importantes, como, por exemplo, a presença de correntes de fuga e a existência de pares bi-metálicos causados por sistemas de aterramento elétrico. Dessa maneira, diagnósticos de ausência de corrosão não podem ser feitos apenas com os valores medidos das resistividades elétricas do solo. - Em solos com resistividade elétrica variável, o que é comum de ocorrer, o grau de corrosão é sempre mais acentuado, devido à presença das conhecidas macro-pilhas de corrosão ou pilhas de resistividade elétrica diferencial.

Um outro fator de suma importância dentro da questão de vigilância elétrica do

sistema, é a influência dos potenciais tubo-solo, que devem ser medidos com voltímetros eletrônicos de alta sensibilidade e alta impedância. Os valores dos potenciais tubo-solo podem ser interpretados da seguinte maneira:

- Valores da ordem de -0,50V a -0,60V, fixos e sem flutuações, significam os potenciais naturais de corrosão do aço ou do ferro fundido enterrados. - Valores da ordem de -0,20V, fixos e sem flutuações, significam o potencial natural do cobre enterrado, material usado nos sistemas de aterramento elétrico. - Valores entre -0,20V e -0,50V, muito comuns de ocorrer em plantas industriais, podem significar a presença de corrosão galvânica, causada pelo par galvânico aço/cobre, devido às ligações elétricas diretas (caso dos tanques, que são aterrados eletricamente mediante ligação direta com a malha de aterramento) ou indiretas (caso das tubulações, que são ligadas indiretamente à malha de aterramento, através dos motores das bombas e outros equipamentos elétricos aterrados ou através de ligações com os próprios tanques). - Valores iguais ou mais negativos que -0,70V podem significar que os tanques ou as tubulações estão recebendo corrente de uma fonte externa de corrente contínua, que pode ser um sistema de proteção catódica ou um sistema de aterramento elétrico construído com anodos galvânicos de zinco, solução algumas vezes adotadas, especialmente em tanques, com o objetivo de evitar a corrosão galvânica causada pelo par aço/cobre. Eletrodutos galvanizados enterrados, principalmente quando novos, costumam apresentar potenciais





dessa ordem ou até mais negativos, devido à influência do zinco usado no processo de galvanização. - Potenciais flutuantes, com a ocorrência de valores positivos ou menos negativos que -0,20V, significam a ocorrência de correntes de fuga, com corrosão eletrolítica grave, forçada, causada pela influência de uma ou mais fontes externas de corrente contínua, tais como proximidade com estrada de ferro eletrificada (trem ou metrô), operação de máquinas de solda ou proximidade com um sistema de proteção catódica de outra instalação. - Potenciais iguais ou mais negativos que -0,85V significam que as tubulações ou tanques que operam nessas condições estão protegidos catodicamente, e portanto livres de qualquer tipo de corrosão. Essa condição pode ser conseguida, em todos os pontos dos tanques ou das tubulações, mediante a instalação de um sistema de proteção catódica.

Os valores acima podem variar até 35% do seu valor em função do tipo de solo em

que o sistema está mergulhado, e das interferências existentes no entorno. Portanto, cada solo tem sua característica, que podemos chamar de complexa e dinâmica

e são muito relevantes os parâmetros naturais que influenciam nos cálculos de uma malha e na sua estratificação, além da configuração e da aplicabilidade desta. Portanto qualquer característica, natural ou ambiental, deve ser levada em conta e uniformizada em estudos comparativos.

Não podemos esquecer dos níveis isoceraúnicos do lugar, pois com eles temos a noção

das probabilidades de saturação e desruptura elétrica do solo, onde as simulações nos dão condição de uma análise física mais próxima do real, apesar de muitos pesquisadores desprezarem as características e efeitos relacionados com a desruptura.

Um fato que não deve ser esquecido é a utilização de refletômetros (TDR), que medem a

capacidade de um solo em transmitir pulsos ou ondas eletromagnéticas de alta frequência, e os medidores de capacitância (FDR), que medem a capacitância do solo usando ondas de rádio-frequência. Estes equipamentos tem um range de precisão de +1 e -2% e são de suma importância nos estudos de solo, e devem ser usados com cuidado para não causar sinistros nas instalações em operação, principalmente as plantas de combustíveis e os sistemas de telecomunicações. O primeiro tem eletrônica mais complexa, é mais caro e nos dois temos a leitura dos dados em forma de gráficos e devem ser devidamente interpretados por profissional experiente.

Para cada função de malha temos uma configuração mais adequada e de melhor

rendimento, conforme os vários estudos de autores e pesquisadores de grande relevância no assunto. O rendimento de uma malha sempre está relacionado à todos os fatores citados aquí,





além dos níveis de surto, periodicidade e ddp constante na malha, além da interrelação entre esta e o solo em que está inserida.

Perguntas como Interligar ou não as malhas de terra, aterrar ou não nas estruturas dos

prédios, tensão de passo e toque de um sistema, malhas de aterramentos específicos e muitas outras, devem ser satisfeitas com estudos particulares e completos para cada caso e situação, obedecendo às normas e principalmente à necessidade que o sistema elétrico impõe, além do fator segurança operacional do sistema.

A equipotencialização deve ser feita preferencialmente no solo com cabos nus

interligando as malhas, de no mínimo 35 mm² ou de acordo com o cálculo a ser executado conforme a característica da planta. O aterramento específico para EES, sistemas de filtragem e outros devem ser equipotencializados na malha geral e seus cabos de escoamento devem ser conectados diretamente nas malhas específicas através de solda exotérmica.

Outro fato de grande relevância são os aterramentos de sistemas de comunicações

seriais como RS 232, os quais são extremamente sensíveis à ruídos, já que os mesmos utilizam o terra como referência para os sinais de transmissão (TX) e recepção (RX). Caso haja diferenças de potenciais entre os terras, a comunicação poderá ser violada, havendo a quebra ou a alteração de sinal. Isto ocorre quando o terra utilizado como referência não está dentro dos padrões de suportabilidade do sistema de comunicação, servindo como antena receptora de EMI. Isto significa que o mau aterramento é uma entrada livre para que os ruídos elétricos entrem no sistema e causem problemas operacionais e mau funcionamento de equipamentos e componentes.

Outro fato que temos observado em nossos atendimentos à sinistros em instalações de

clientes, são varistores que estão com uma certa degradação em seus componentes e acabam emitindo ruídos carregados uma ordem de frequência, que acabam interferindo no funcionamento dos EES. A partir do momento que um varistor sofreu um impacto, este tende a ter um processo interno de chaveamentos aleatórios e intermitentes que provocam um certo nível de harmônicos de corrente com altas ordens, que vão se espalhar pelo terra ou pela instalação conforme o sinal desta corrente. Com isto, temos também as interferências em equipamentos ultra sensíveis, tais como os da área Hospitalar, Telecomunicações e CPDs.

Isto se agrava, se houver um descasamento de impedância do sistema, gerando uma

certa onda refletida, podendo vir a queimar componentes destes sistemas. Normas como a NEC (National Electric Code) permitem e regem os aterramentos

específicos ou separados, e que frequentemente são confundidos. Um aterramento específico é composto por um condutor isolado, devidamente calculado, a partir de uma “barra ônibus”, que recebe os cabos dos equipamentos a serem aterrados, seguindo direto para a malha enterrada e equipotencializada com a malha geral, normalmente em anel, ou a um ponto de dispersão (eletrodo que compõe a malha geral). A visualização disto está na figura abaixo, editada na matéria da Automation Today nº 12 da Rockwell Automation:





Uma estrutura de aterramento para os sistemas citados podem ter a configuração

conforme a figura abaixo, em forma de diagrama unifilar, onde vemos um exemplo que pode ser perfeitamente adaptável ao tipo de industria e de necessidade que o sistema elétrico imponha. Cabines com alimentação acima de 25 KV, devem ter seu aterramento separado por motivos de segurança, salvo em casos excepcionais de intermitências.





Em todos os sistemas elétricos existem malhas de terra que se estiverem degradadas

podem causar efeitos indesejáveis no funcionamento dos sistemas. Esses efeitos podem ser os seguintes:

EFEITOS DE ORDEM DE PROTEÇÃO:

Podem manter energizado os equipamentos que estiverem ligados ao aterramento e num sinistro com curto circuito não proteger o operador e o equipamento, além de aumento das perdas nos motores, provocando maiores perdas elétricas e superaquecimento dos mesmos, podendo ocorrer danos na capa de isolamento e fadiga prematura de rolamentos. Também temos os problemas graves de choques elétricos levando a instalação à uma condição insegura.

EFEITOS DE NÃO DISPERSÃO DE FREQUÊNCIAS:

Com o sistema degradado, o sistema de filtragem, ou as carcaças de inversores e equipamentos que operam com altas frequências, podem causar problemas operacionais e aumentar os níveis de harmônicos nestes pontos, alterando seus comportamentos operacionais.

EFEITOS DE MENOR DRENAGEM DE SURTOS:

Pode haver um menor poder de dispersão das correntes de massa no caso de surtos por Descargas Atmosféricas, curto circuitos e outros sinistros, que podem manter por mais tempo um valor de carregamento de tensão ou corrente no sistema, levando o mesmo a queimar seus componentes.

EFEITOS DE NÃO EQUIPOTENCIALIZAÇÃO:

A não equipotencialização de malhas, pode ocasionar falha de sistemas de controles, queima de motores alimentados por inversores e softstart ou deles próprios, causando transtornos operacionais e contribuindo para a diminuição da eficiência produtiva da Fábrica.

EFEITOS SOBRE TRANSFORMADORES:

Pode manter o neutro do trafo carregado com correntes as vezes acima do normal fazendo disparar os sistemas de proteção. Nos trafos com enrolamento em estrela, temos a adição das componentes harmônicas no cálculo das perdas no ferro e por conseguinte na diminuição do rendimento deste.





EFEITOS SOBRE CAPACITORES:

Quando se está dentro dos limites de corrente fundamental mas com elevado nível de corrente no aterramento, este passa a ter uma menor vida útil quando a sua ligação depende do terra.

EFEITOS SOBRE APARELHOS DE MEDIÇÃO:

Os instrumentos de medição são afetados de maneira a falsear suas leituras e controles, provocando erros de medição e controle quando for o caso.

EFEITOS SOBRE COMPUTADORES E SISTEMAS DE CONTROLE:

Dependendo do nível de corrente existente, pode alterar os níveis de referencia do sistema eletrônico destes equipamentos e alterar seus sistemas funcionais, chegando a queimar modens e placas de rede, queimar saídas seriais e ou paralelas e as linhas de rede do sistema.

EFEITOS SOBRE OS PLCs E INVERSORES DE FREQUÊNCIA:

Pode causar correntes indesejáveis nos cabos entre o inversor e o motor, com níveis capacitivos altas podendo queimar um deles ou alterar o nível de funcionamento normal dos mesmos.

EFEITOS DE LOOP NO SISTEMA:

O retorno de correntes indesejáveis ao sistema, através de um circuito fechado pelo terra, altera de uma maneira perigosa a funcionabilidade de um sistema ou equipamento, pois na maioria das vezes não se identifica ou visualiza o tal “loop” e por conseguinte não se consegue determinar a causa dos problemas.

EFEITOS SOBRE A BLINDAGEM DE CABOS:

Os cabos com suas blindagens aterradas em suas duas extremidades, pode haver a circulação de uma corrente de equalização em função de uma diferença de potencial entre os mesmos, causando ruído e ressonâncias de pequena ordem no sistema, que são suficientes para causar problemas de monta. Porém, podemos ter circulação de correntes indesejadas em blindagens aterradas em uma só extremidade, devido ao efeito capacitivo com outros cabos, dentro de uma mesma bandeja.





EFEITOS SOBRE OS EQUIPAMENTOS DE PROTEÇÃO:

Pode causar erros nos equipamentos de monitoração e proteção de sistemas elétricos causando desligamentos erráticos e intempestivos. No caso de sistemas eletrônicos a causa é o falseamento da referência que estes fazem com o terra.

EFEITOS SOBRE OS EQUIPAMENTOS HOSPITALARES:

Pode causar erros em resultados de diagnósticos ou criar sérios problemas em equipamentos de manutenção vital de um paciente. Também pode causar problemas diretamente nos pacientes dependendo do nível de frequência e da amplitude de corrente que este sinal carrega.

EFEITOS SOBRE OS SENSORES:

Pode Causar sobreposição nas amplitudes de corrente dos sinais ou nos amplificadores destes, causando erros destes mesmos sinais ou chegando a queimá-los.

EFEITOS SOBRE OS EQUIPAMENTOS DE COMUNICAÇÃO:

Os sistemas de comunicação e controle, podem dar respostas não desejadas ou comandos não desejados pelo sistema. Também pode haver o aparecimento de interferências nos sinais de transmissão.

EFEITOS DE ANTENA RECEPTORA:

Uma malha de terra mal calculada e desequilibrada perante as frequências, pode se tornar uma antena de recepção de frequências aleatórias e involuntáriamente sintonizadas, gerando campos e correntes indesejáveis, podendo ser a causa de todos os efeitos citados acima, com maior particularidade com aqueles relacionados com sistemas eletrônicos de controle, sinalização e comunicação. É o caso daquela CCC de uma certa empresa de telefonia celular, cujos equipamentos de proteção da cabine de entrada ressonavam com os pulsos e impulsos do aterramento de uma subestação retificadora do Metrô distante fisicamente 900 m, cujo solo tinha a característica de um veio dágua subterrâneo que formava um canal direto para o espraiamento das frequências despejadas pela retificação. Sendo assim, toda vez (diariamente às 5 e 17 hs) que colocavam mais carros para atender os horários de pico do metrô, a subestação despejava correntes e frequências no terra que era sistematicamente irradiados pelo solo, sendo que tal canal, levava parte destes para a sintonia dos equipamentos eletrônicos da CCC. A empresa sofreu com este problema porque simplesmente não foi feito um levantamento de solo adequado em que o passo de medição da capacitância de solo era de suma importância para o projeto.





EFEITOS DE ANTENA TRANSMISSORA:

Da mesma maneira que o item anterior em seu exemplo, uma malha de terra mal calcula e desequilibrada perante as frequências, pode se tornar uma antena de transmissão de frequências aleatórias que podem ser involuntáriamente sintonizadas por outros componentes ou sistemas, gerando campos e correntes indesejáveis, tambem podendo ser a causa de todos os efeitos citados anteriormente, onde neste caso, a malha de aterramento da subestação retificadora do Metrô é a “antena irradiante” das frequências espúrias em relação aos sistemas vizinhos.

EFEITOS SOBRE OS SISTEMAS DE PROTEÇÃO CATÓDICA:

Qualquer malha de aterramento inserida numa região com sistema de proteção catódica de estruturas metálicas, fere as características primárias deste, passando a interagir com o mesmo. Deve-se ter o cuidado em se readequar os parâmetros do sistema de proteção catódica, quanto ao número de eletrodos, o nível de corrente impresso nestes, o reposicionamento dos eletrodos para readequação das linhas de fluxo da corrente galvânica e outros parâmetros que podem ser relevantes de acordo com o sistema e o meio ambiente.

EFEITOS SOBRE O SOLO:

Qualquer malha de aterramento mal calculada e inadequada, quando submetida à grandes amplitudes de correntes, seja por descargas atmosféricas ou curto-circuitos, podem gerar no solo os efeitos de saturação deste, onde temos a alteração da capacidade de dispersão das correntes e frequências espúrias pela malha. Também podemos ter o efeito de disruptura do solo em torno das hastes ou na região interna da malha em geral, criando pontos de chaveamento na malha e gerando correntes aleatórias que vão de encontro aos equipamentos pendurados nesta.

Quando se fala, portanto, em aterramento adequado e eficiente, estamos falando em assegurar a maior proteção possível a todos os equipamentos, garantir o seu funcionamento regular, evitando perdas de produção, aumento dos custos de manutenção, reposição desnecessária de equipamentos e componentes e principalmente, no caso de filtragem, garantir um mínimo de frequência espúria no sistema e um importante fator que é a melhora da eficiência produtiva da planta industrial.





Efeitos de uma malha de aterramento no sistema Equipamento /

Sistemas Efeitos observados

Transformadores Garantir a estabilização do neutro e a drenagem das correntes parasitas e frequências espúrias dos mesmos.

Capacitores Os capacitores (para FP e iluminação, por exemplo) ligados em neutros ou terras não estabilizados podem queimar com mais facilidade e suas vidas úteis diminuem sensivelmente.

Equipamentos de Medição Altera ou falseia as leituras e provoca erros nos controles que dependem destas.

Motores de indução Permanência de correntes parasitas em suas carcaças e queima por curto circuito.

Proteção de sistemas elétricos

Altera a referência que estes fazem com o terra, causando intermitências e desligamentos indesejáveis.

Equipamentos de telecomunicações

Altera a referência que estes fazem com o terra, causando intermitências e desligamentos indesejáveis.

Equipamentos hospitalares em geral

Altera o resultado de análise e podem produzir efeitos devastadores pelo mesmo motivo do item anterior, ou pode causar algum mal em equipamentos ligados diretamente ao corpo humano, tais como eletrocardiogramas, equipamentos de diálise e outros.

Cabos Geração de correntes parasitas nas blindagens dos mesmos podendo levar à queima de equipamentos.

Sensores Altera os sinais podendo levar à queima dos mesmos, devido à sobreposição nas amplitudes de corrente ou injeção de frequências espúrias indesejáveis.

Equipamentos e Sistemas de computação e controle

Queima de componentes e módulos, contribuição para a perda de dados e arquivos, além de danos nos sistemas de comunicação.

Sistemas de aterramento não equipotencializados

Degradação do sistema de aterramento com saturação do mesmo impedindo a dispersão das correntes e geração de potenciais nocivos aos sistemas eletrônicos.

Sistemas de Proteção Catódica por corrente impressa

Alteração da operacionabilidade do sistema com sintomas de início de corrosão nas estruturas a serem protegidas alterando a característica dos níveis de correntes injetadas pelo sistema, quando da insersão de uma malha de terra próxima a este.





A tabela abaixo aponta algumas ações para minimizar esses efeitos:

Medidas de melhoramentos das malhas de aterramento

Equipamento / instalação Projeto ou melhoramento

Circuitos

- Dimensionamento dos condutores considerando as cargas do sistema. - Criação de barramentos para concentração de correntes segundo suas áreas de criação. - Melhoria da impedância e aumento da dispersão através de medições, cálculos e simulações. - Instalação de cabos de equipotencialização pelo solo e medidas de contenção das correntes telúricas e correntes capacitivas do solo.

Malhas

- Instalação de hastes adequadas em profundidade e quantidade segundo cálculos e projeto específico. - Instalação de malhas adequadas aos fins conforme diagrama anterior e com características adequadas ao sistema.

Equipamentos poluidores

- Melhoramento da dispersão dos equipamentos e suas carcaças ou partes específicas de acordo com a exigência dos fabricantes dos mesmos. - Instalação de malha específica para dispersão de correntes do sistema de filtragem conforme diagrama anterior .

À luz do que foi exposto, temos as seguintes conclusões:

- Os terrenos não são elétricamente iguais. - Num mesmo terreno, cada sistema de eletrodos de aterramento, dá origem à diferentes resistências. - Não existe uma única solução para todos os problemas de aterramento, onde cada situação é particular e portanto se deve assumir suas características.

Os parâmetros que incidem no valor de um aterramento são:

- A natureza geoelétrica do solo. - A forma geométrica dos eletrodos de aterramento. - A área e superfície de contato implícita no aterramento. - As características do entorno da instalação.





14 – AÇÕES CORRETIVAS E PREVENTIVAS EM EQUIPAMENTOS E COMPONENTES DE SISTEMAS

No capítulo 6, descrevemos sobre os efeitos das distorções harmônicas nos sistemas

elétricos (equipamentos e componentes). Aqui, vamos descrever as ações corretivas e preventivas em equipamentos e componentes dos sistemas elétricos que estão sob a ação de níveis de harmônicas indesejáveis. Vamos descrever os subitens na mesma ordem do capítulo 6, para ficar fácil algumas comparações e deduções.

14.1 – Condutores elétricos:

Os condutores elétricos denotam problemas na instalação quando estão sobrecarregados pelo excesso de carga ou de componentes harmônicas de 3ª ordem, resultando num aumento de temperatura (perda Joulica), degradando sua capa de isolamento podendo levar à um curto circuito, degradação de terminais ou no mínimo à uma queda de tensão na carga.

Na tabela abaixo, temos os problemas e algumas ações corretivas ou preventivas a

serem implementadas.

Ações corretivas e preventivas

Problema Causa Ação

Excesso de carga Readequação da distribuição de cargas e das bitolas do circuito.

Desequilíbrio de carga Checkagem das cargas indutivas e suas partidas, com readequação do circuito.

Harmônicos de corrente e de tensão, principalmente os de 3ª ordem.

Levantamento dos níveis de harmônicos e projeto de filtragem compatível com a característica do circuito e readequação dos ramais de distribuição no barramento principal.

Má conexão dos terminais Checkagem e reaperto de todas as conexôes.

Aquecimento excessivo de cabos

Baixo fator de potência

Levantamento dos níveis reativos do sistema e comparação com o levantamento de harmônicos para a elaboração do projeto e implantação de correção do Fator de Potência

Transientes, transitórios, impulsos e pulsos observados no sistema

EMI no caminhamento de cabos e ou mal contato das conexões

Checkagem de todos os cabos ao longo do caminhamento e terminais, com a readequação da composição física dos mesmos.





14.2 – Isoladores:

Os isoladores de uma maneira geral dão indícios de que estão com problemas na instalação quando estão sobrecarregados pelo excesso de carga ou de componentes harmônicas de 3ª ordem, resultando num aumento de temperatura (perda Joulica), degradando sua capa de isolamento podendo levar à um curto circuito, degradação de terminais ou no mínimo à uma queda de tensão na carga. Temos nesta categoria os isoladores de epóxi, baquelite, termoplástico, porcelana e outros que são normalmente utilizados nos sistemas de baixa tensão. Já nos sistemas de alta e média tensão, temos os isoladores de epóxi, vidro e porcelana.

Na tabela abaixo, temos os problemas e algumas ações corretivas ou preventivas a

serem implementadas.

Ações corretivas e preventivas

Problema Causa Ação

Excesso de carga Readequação da distribuição de cargas e das bitolas do circuito nos barramentos que estão isolados dos quadros.

Desequilíbrio de carga Checkagem das cargas indutivas e suas partidas, com readequação do circuito.

Harmônicos de corrente e de tensão, principalmente os de 3ª ordem.

Levantamento dos níveis de harmônicos e projeto de filtragem compatível com a característica do circuito.

Aquecimento excessivo

Má conexão dos terminais de fixação dos barramentos e seus isoladores

Checkagem e reaperto de todas as conexôes.

EMI no caminhamento de cabos e no quadro ou mal contato das conexões

Checkagem de todos os cabos ao longo do caminhamento e terminais, com a readequação da composição física dos mesmos. Transientes, transitórios,

impulsos e pulsos observados no sistema

Degradação física dos isoladores

Checkagem de todos os isoladores através de medições e inspeção visual

14.3 – Inversores de frequência: O restante deste capítulo está em desenvolvimento.





15 – ANÁLISE E AÇÕES CONTRA OS DISTÚRBIOS ELÉTRICOS A análise de vários estudos acadêmicos e particulares leva-nos a uma média brasileira

bem considerável e que está demonstrada no gráfico em pizza abaixo.

Tensões transitórias

32,54%

Disturbios por Harmônicos

49,63%

Interrupções de energia

1,80%

Variações de tensão12,23%

Descargas atmosféricas

3,80%

Dados retirados de trabalhos desenvolvidos na UFRJ – Centro Tecnológico Observamos que de todos os problemas de energia encontrados em uma planta

industrial, praticamente a metade é devido às distorções harmônicas. Sabemos que a maioria dos distúrbios e transitórios causam sinistros numa planta

industrial, e que geralmente podem ter seu agravamento com a ineficiência da malha de aterramento e com sistemas desbalanceados e saturados.

Hoje, podemos afirmar que a estabilidade de uma planta industrial depende de seu

aterramento e de seu rebaixamento dos níveis harmônicos e outros transitórios à níveis que sejam aceitáveis pelos sistemas elétricos.





Os sistemas das instalações industriais devem ser analisados quanto às suas intempestividades, transitórios e níveis harmônicos, incluindo uma análise do aterramento.

Temos como conseqüência dos níveis de harmônicos e transitórios os seguintes itens de

ações a serem tomadas:

- O nível operacional das cargas elétricas resulta na redução ou aumento da solicitação de potência e conseqüentemente no aumento das potências de perda.

- As possibilidades de racionalização das disposições físicas dos circuitos da

instalação, resultam num arranjo com circuitos menores, mais eficientes e com menor nível harmônico, resultando na redução das perdas na ordem de 15%.

- O posicionamento correto das cargas nos barramentos dos quadros elétricos nos

centros de carga pode melhorar os níveis de harmônicos do sistema, evitar quedas de tensão, diminuir as potências de perda e garantir o máximo de aproveitamento da potencia disponibilizada no barramento do CCM.

- Evitar o sobrecarregamento instantâneo dos Trafos, com correntes simultâneas de

partida de máquinas de grande porte, que geram perdas e baixo fator de potência, diminuição precoce da vida útil e geração de harmônicos diversos.

- Evitar o subcarregamento dos Trafos (abaixo de 50%), pois os níveis harmônicos

gerados pelo entreferro do trafo e as consideráveis perdas no cobre e no ferro, acarretam picos de correntes harmônicas altas e por conseguinte intermitências e sinistros de monta nas cargas alimentadas pelos mesmos.

- Também o sobrecarregamento constante dos Trafos acarretam um saturamento a

nível de frequência espúria no entreferro e nos bobinados, causando o aparecimento de binários resistentes originados por harmônicos de sequência negativa, que causam o aparecimento de campos oscilatórios com magnitudes proporcionais às das correntes harmônicas reinantes devido à interação destas correntes harmônicas com o campo magnético de freqüência fundamental, além de aumento das perdas suplementares no cobre, num ciclo constante e geométrico até ao pico máximo da curva, levando à saturação prematura do bobinado, degradação dos cabos deste bobinado, fadiga da estrutura mecânica com vibrações indesejáveis e por conseguinte o aumento drástico do nível de ruído do mesmo. Com tudo isto, temos finalmente e principalmente o rebaixamento da vida útil deste trafo de até pela metade, levando-se em conta que um trafo à óleo de 1000 KVA tem o custo aproximado de R$ 25.000,00.

- Considerar a possibilidade de transferência de cargas entre CCM’s e até mesmo

entre transformadores de modo a otimizar os carregamentos médios de cada um deles, bem como minimizar as perdas e níveis harmônicos nos barramentos de Baixa Tensão.





- O aumento significativo dos níveis de harmônicos de corrente no sistema devido ao baixo nível de dispersão da malha de terra em relação às frequências espúrias presentes nos equipamentos tais como inversores, transformadores, motores, UPS e outros, que utilizam o aterramento para dispersar tais correntes presentes em suas carcaças e núcleos.

- As intermitências e sinistros ocorridos em baixa tensão, podem ser atenuados a

valores absorvíveis pelo sistema e até mesmo eliminados. Já os de média tensão são em sua maioria devidos ao aterramento (ou a falta de equipotencialização) de alguns componentes.

- Também com o aterramento saturado, temos um aumento das intermitências do

sistema e que tem a situação agravada com a presença de níveis altos de harmônicos de corrente.

- Caso os cabos de interligação das malhas individuais estejam rompidos, o sistema

pode apresentar sintomas de intermitencia, presença de ddp, correntes e capacitâncias parasitas do solo e outros problemas que começarão a produzir sinistros operacionais.

- A queima de motores alimentados por inversores e controladores de velocidade, em

função de sobretensôes por onda refletida, deve ser minimizado com atenuadores específicos, já que não há possibilidade de se diminuir a distância do cabo entre os mesmos.

- Com os dados e considerações até aqui citados, deve-se traçar um histórico de

queimas de máquinas e paradas intempestivas do sistema, para os parâmetros de comparação futura entre a situação antes da solução e depois.

- A revisão das curvas de proteção se faz necessária levando-se em conta os niveis

harmônicos depois da filtragem, os níveis de sobretensão refletida depois da filtragem e as referências pelo nível de aterramento após as ações tomadas.

- Também é necessário a revisão dos parâmetros dos controles operacionais nos

sistemas, tendo em vista que após a filtragem, e com a consequente qualificação da energia e dos sinais, deve-se readequar os inversores, PLCs, softstarts e outros controles, pois estarão imersos num universo elétrico mais adequado e menos prejudicial à “saúde” dos mesmos e do sistema como um todo, acarretando um menor consumo de energia e um realinhamento da vida útil dos equipamentos.





16 – PERDA ECONÔMICA EM FUNÇÃO DOS DISTÚRBIOS

ELÉTRICOS: Num passado recente, o item Qualidade da Energia Elétrica não era tão importante,

porque a maioria das instalações não necessitava de um fornecimento de energia de alta qualidade, já que seus processos e equipamentos não eram tão sensíveis aos distúrbios elétricos. Também temos o fato que o insumo energia não era um aporte tão alto nos custos de produção e portanto o aumento tarifário não implicava em aumento ou redução muito expressiva dos lucros.

Atualmente, esta questão é um fator de extrema relevância, e até mesmo de

sobrevivência em alguns casos, onde a deterioração da Qualidade pode provocar ineficiências operacionais e econômicas com significativas perdas para o consumidor.

A revista Busines Week (de 8 de Abril de 1991), informava que a "poluição" elétrica

estava custando cerca de US$ 26 bilhões por ano em danos e atitudes preventivas, só no EEUU. As recentes revistas especializadas do setor de toda a parte do mundo, enfocam as perdas anuais por volta de US$ 65 bilhões no EEUU, US$ 21 bilhões na Alemanha, US$ 11 bilhões na Bélgica e no Brasil estima-se uma perda de US$ 89 bilhões. E a "poluição" está aumentando, tendo em vista que mais de 75% da energia elétrica esteja circulando por cargas não-lineares. E que a maioria destas cargas são do tipo eletrônica de potência.

Como já dissemos, diante de um mercado globalizado crescentemente competitivo, o

assunto da Qualidade de Energia tem se tornado de fundamental importância no cenário econômico nacional, uma vez que os modernos processos industriais produtivos podem sofrer interrupções de diversas amplitudes, implicando em significativas perdas econômicas. E também porque a sensibilidade dos equipamentos aos distúrbios elétricos tem aumentado assutadoramente. Por outro lado a desregulamentação do setor elétrico em relação à tal realidade, leva o sistema macro (de distribuição) e micro (de consumo) ao caminho do caos que certamente vai influenciar no processo de desenvolvimento industrial.

Num produto comum (palpável), a qualidade fica implícita pela sua aceitação ou rejeição

no mercado, já que este é ditado pelo comportamento humano. No caso da Energia Elétrica, sua aceitação é ditada pelo comportamento tecnológico de um sistema, carregado de subsistemas e componentes, cuja satisfação está explicita na produtividade.

Sabe-se que a Qualidade da Energia depende muito mais dos consumidores que a usam

condominalmente, e portanto a “sujam”, do que das próprias concessionárias. Segundo a visão dos especialistas, mais de 50% dos problemas de ineficiência produtiva ligada à qualidade da energia, é gerado pelo próprio consumidor, que na maioria dos casos não tem noção do universo em que está mergulhado.





O parque de consumidores industriais, incluindo-se nestes todos os que não são residenciais e comerciais de pequeno porte, precisam enchergar as perdas financeiras em função das perdas operacionais e técnicas, que são intimamente ligadas à qualidade de energia.

Segundo os dados da Eletrobrás, divulgados em matéria na Revista Eletricidade Moderna

de 1997, o perfil do consumo de energia no Brasil era expresso conforme o gráfico abaixo: Para cada setor nós temos um perfil básico de cargas que levam consequentemente a um

perfil característico de níveis harmônicos e distúrbios elétricos. O perfil básico de cada setor para o gráfico acima segundo os dados da Eletrobrás para aquela época é mostrado nos 3 gráficos a seguir.





Hoje este panorama já se modificou em função do crescimento econômico do país e do

avanço tecnológico em todas as áreas e setores de consumo de energia. Junto deste avanço tecnológico temos um “arrasto” da qualificação de energia já que o nível de sinistros e distúrbios aumenta e caminha no sentido contrário. Não estamos nos referindo a balanço energético e sim a um balanço da qualificação energética. E a qualificação energética está relacionada a planos e ações internas dos consumidores, com readequações de cargas não lineares, circuitos e proteções, distribuições equilibradas, aterramentos eficazes segundo as necessidades da instalação e ações de upgrades e modernizações de equipamentos produtivos.

Pelo volume do tipo de equipamento existente nas instalações, seja ela de qualquer setor

de consumo, conforme mostram os gráficos, podemos projetar o nível teórico dos níveis de harmônicas no sistema e por conseguinte planejar as ações de pesquisa, identificação e mitigação, conforme já foi citado. Claro que cada passo depende do quanto a energia elétrica e sua estabilidade influenciam nos custos de produção.





Quando se fala em perdas econômicas ou custos provocados pelos distúrbios elétricos, deve-se ter em mente o que se está considerando como item influenciável nestes custos.

- Custo do não faturamento: este custo diz respeito ao prejuízo sofrido pelo consumidor de energia (industrial ou não) pelo fato do mesmo não ter entregue o produto acabado no prazo ou não poder concretizar uma venda em função do gargalo produtivo, criado pela falta da readequação da infraestrutura. - Custo do déficit: este custo está associado às restrições de natureza energética (contratos de demanda e instalações de entrada inferiores à necessidade real) ou nas capacidade instaladas no sistema elétrico do consumidor, ditada pela ineficiência ou baixíssima eficiência produtiva de seus equipamentos. - Custo da interrupção: este custo reflete os prejuízos causados pela restrição do sistema em função dos distúrbios, que surpreendem de forma intempestiva, e para a qual a infraestrutura não tem como precaver-se. As interrupções, que podem ser de curta duração como causa direta (parada física do equipamento, subsistema ou sistema) e relativamente de longa duração, tendo como causa indireta o tempo para retomada da produção (restart).

O uso prático destes custos, podem ser adimitidos a curto prazo ou a longo prazo,

dependendo do horizonte informacional em que o consumidor está mergulhado. Se levarmos em consideração as Metodologias de Avaliação, conforme a formulada pelos

Professores Dr. Paulo Gomes (UERJ) e pelo Dr. Marcus Th. Schilling (Universidade Federal Fluminense) em seu RT de palestra no XIV SNPTEE, salvaguardando as dimensões e projeções, temos a pesquisa interna, regressões econométricas e matriz insumo-produto.

Adaptando-se a metodologia citada, temos os seguintes conceitos:

- Pesquisa interna: Neste método, são elaborados questionários cujas informações são obtidas diretamente junto aos subsetores produtivos e de manutenção. A partir do resultado, obtem-se uma avaliação do custo de interrupção. Este método também determina o grau de dependência entre o processo produtivo e a qualificação de energia no referido processo. Determina-se ainda os gargalos produtivos e o planejamento de investimento em readequação da infraestrutura. - Regressões econométricas: Este método está voltado para a avaliação do Custo do déficit e é recomendado nos casos em que os distúrbios elétricos provocam uma diminuição na atividade operacional e econômica, tal que há perdas de acima de 2 horas ou até dias inteiros de produção, com atrazos ou cancelamentos de transações comerciais. Podem ser estáticas (variáveis produção x consumo) e dinâmicas (variáveis produção x consumo x tempo).





( )( )ssnssssss

ssnssnssssssssssss

PPPPCPCPCPCP

Custo++++

++++=

......*......***

321

332211

- Matriz insumo-produto: a finalidade deste método é determinar um valor bem próximo do real para o custo de déficit e é recomendado nos casos em que os distúrbios elétricos tem frequência, duração e amplitude tão significativas que chegam a provocar rejeição do produto pelo setor de controle de qualidade.

O custo médio da interrupção é feito ponderando-se o custo unitário de cada subsistema

produtivo pela sua participação no produto final da industria. Este custo médio deve ser cálculado por dia operacional conforme é dado:

Onde: Pssn se refere às participações percentuais dos subsetores no faturamento da empresa Cssn se refere aos custos unitários de cada subsetor para o período do dia e duração da interrupção.

A avaliação do custo de paradas operacionais por falta de infraestrutura elétrica e

qualidade de energia, vem sendo uma preocupação cada vez mais intensa por parte das indústrias no mundo. Dentre as potenciais aplicações desta metodologia, pode-se citar:

- Avaliação da viabilidade econômica de empreendimentos de equipamentos novos ou upgrades nos existentes em função da infraestrutura existente; - tomada de decisão quanto ao investimento em projetos e componentes para a qualificação de energia, com vistas à confiabilidade e eficiência da produção; - justificar investimentos para a readequação da infraestrutura; - utilização de metodologias probabilísticas para o planejamento, execução e operação do sistema a ser readequado; - utilização nos estudos relacionados com a liberação da manutenção e implementação de componentes da rede elétrica que venham a provocar interrupções de carga ou simplesmente aumentem o risco de ocorrência.

O conhecimento das perdas econômicas em função dos distúrbios elétricos e da falta de

readequação da infraestrutura do sistema, permitirá às industrias e aos consumidores em geral, planejar os seus sistemas dentro de níveis de confiabilidade e qualidade energética de acordo com as metas produtivas e econômicas das mesmas.





Podemos tomar este item como conclusão, onde temos a ilustração do volume das perdas monetárias de uma industria de médio porte, com incidência razoável de distorções harmônicas em sua instalação. Claro que cada caso depende do quanto a energia elétrica incide nos custos de produção.

No gráfico anterior, temos os seguintes comentários para cada fatia da pizza que

representa as perdas monetárias num processo industrial completo ou num processo de um produto:

- Investimento prematuro em equipamentos: 21,24 %

Este item está relacionado com a substituição antecipada de equipamentos que porventura começaram a quebrar demais, ou tornaram-se obsoletos devido ao final prematuro de sua vida útil ou diminuição considerável em sua capacidade de produção. É diferente do investimento em modernização programada.

Perda de Matéria Prima;

5,21

Homem/hora parado de Produção;

6,12

Investimento prematuro em equipamentos

21,24%

Lucros cessantes; 13,51

Gastos com peças p/

manutenção; 17,17

Menor velocidade de

produção; 19,23

Gastos com mão de obra p/

manutenção; 11,70

Perdas de energia; 5,82





- Menor velocidade de produção: 19,23 %

Este item está relacionado com quase todos os fatores deste gráfico, além de ter associado ao seu valor, a queda do rendimento operacional intrínseco do parque de máquinas e equipamentos em função de atraso de respostas de PLC’s de máquinas e equipamentos bem como a lentidão na transmissão dos sinais e ordens da automação do parque de produção.

- Gastos com peças p/ manutenção: 17,17 %

Aqui temos o gasto com peças de manutenção e reposição para manter equipamentos em linha, com a sua maior capacidade operacional, tendo em vista o fator vida útil dos equipamentos e da planta como um todo. Estão inclusos neste item, a mão de obra de terceiros.

- Lucros cessantes: 13,51 %

Qualquer parada total de produção provoca um lucro cessante direto, e consequentemente uma perda de faturamento. Normalmente deve-se relacionar a este item, somente os lucros líquidos.

- Gastos com mão de obra para manutenção: 11,70 %

Para se restabelecer a operação de qualquer equipamento ou circuito avariado por harmônicos, demanda a necessidade de mão de obra especializada, técnica e geral. Normalmente é uma mão de obra cara.

- Homem / hora parado de produção: 6,12 %

Aqui temos o gasto com pagamento de homem/hora sem estar produzindo, que pesa no custo e achata ainda mais as margens de lucro.

- Perdas de energia: 5,82 %

Aqui temos o gasto com energia elétrica relativo ao consumo de potência de perdas, que aumentam conforme aumenta o volume de harmônicos nas instalações elétricas.

- Perda de matéria prima: 5,21 %





Nas paradas intermitentes das máquinas e equipamentos, sempre se tem um desperdício de matéria prima, principalmente nas industrias de celulose, plásticos, gráficas, químicas, têxteis e processos de transformação e amoldamento.

Nos primeiros programas de Qualificação e Conservação de Energia, tínhamos atuações

diretas em indústria de médio porte, sem se preocupar com a infraestrutura elétrica, onde obtinha-se uma economia média em Reais na conta de energia, com ações específicas concentradas no contrato de energia com a concessionária e com investimentos na readequação e modernização de equipamentos, conforme nos mostra o gráfico abaixo.

No gráfico anterior, temos os seguintes comentários para cada fatia da pizza: - Economia na área de Iluminação: 1 %

Este item está relacionado com as ações de substituição e ações de comportamento (apagar Luzes), contribuindo em 3% no volume total da economia.

- Economia na área de Motorização: 14 %

Analise Tarifária50,00%

Acionamentos Eletrônicos

15,00%

Iluminação1,00%

Outros20,00%

Motores14,00%





Este item está relacionado com ações de troca da motorização por outra de melhor

rendimento, incluindo os acessórios tais como acoplamentos e outros. - Economia na área de Acionamentos Eletrônicos: 15 %

Aqui temos as ações de troca ou readequação de parâmetros para maior rendimento mecânico e operacional.

- Economia na área de Outros: 20 %

Aqui temos as ações de rebaixamento dos níveis de transitórios e disturbios do sistema elétrico e de readequação do aterramento. Inclui-se aqui as ações com os geradores e trafos.

- Economia na área de Análise Tarifária: 50 %

Aqui temos a análise do contrato de fornecimento de tarifas, readequação da operação em função dos horários de ponta, adequação da correção do Fator de potência, realinhamento e estabilização da sazonalidade operacional e outras ações que envolvam o realinhamento do contrato com a concessionária e consequentemente os custos com o insumo energia elétrica.

Com a necessidade da modernização dos processos industriais, da otimização dos

tempos produtivos do parque industrial e da fortíssima competição pelo mercado globalizado e muito mais exigente, buscou-se também o aprimoramento dos programas, que são mais personalizados e adequados às características de cada setor e cliente, buscando cada vez mais a estabilidade da energia em função da eficiência de produtividade.

Deve-se tomar o cuidado em projetos de modernização fabril, em que diminuímos os

tempos produtivos de equipamentos de modo direto e micro, e diminuímos também a eficiência de produtividade de um modo macro, tendo em vista que aumentamos os sinistros e diminuímos o tempo médio entre falhas (MTBF – Medium Time Between Failures) de componentes e sub sistemas, em função da falta de infraestrutura elétrica adequada para absorção desta “modernidade”. Portanto, não se obtém sucesso e eficiência no projeto e o volume de perdas monetárias passa a ser desastroso.

Em programas atuais de Qualificação e Conservação de Energia, com atuações precisas

em infraestrutura elétrica, foi comprovado uma média da distribuição pelos itens de economia em Reais, tomando-se como parâmetro a conta de energia e principalmente o aumento da





produtividade com ações autosustentáveis em indústrias de médio porte conforme nos mostra o gráfico a seguir.

No gráfico anterior, temos os seguintes comentários para cada fatia da pizza: - Economia na área de Iluminação: 3 %

Este item está relacionado com as ações de substituição e ações de comportamento (apagar Luzes), contribuindo em 3% no volume total da economia.

- Economia na área de Motorização: 12 %

Este item está relacionado com ações de troca da motorização por outra de melhor rendimento, incluindo os acessórios tais como acoplamentos e outros.

- Economia na área de Acionamentos Eletrônicos: 15 %

Aqui temos as ações de troca ou readequação de parâmetros para maior rendimento mecânico e operacional.

Analise Tarifária20,00%

Infraestrutura25,00%

Acionamentos Eletrônicos

15,00%

Iluminação3,00%

Utilidades e Apoio25,00%

Motores12,00%





- Economia na área de Infraestrutura: 25 %

Aqui temos as ações de rebaixamento dos níveis de transitórios e disturbios do sistema elétrico e de readequação do aterramento. Inclui-se aqui as ações com os geradores e trafos.

- Economia na área de Utilidades e apoio: 25 %

Aqui temos as ações de modernização e readequação nos setores de CPD, Ar condicionado, Ar comprimido, linhas estabilizadas e “nobreckeadas”.

- Economia na área de Análise Tarifária: 20 %

Aqui temos a análise do contrato de fornecimento de tarifas, readequação da operação em função dos horários de ponta, realinhamento e estabilização da sazonalidade operacional e outras ações que envolvam o contrato com a concessionária.

Portanto, o impasse a ser solucionado, é o da tomada de decisão em relação ao

aumento da eficiência produtiva x o estrangulamento pela falta de infraestrutura e qualidade de energia. Como vimos, não é dificil quantificar, com um mínimo grau de precisão, quais os potenciais de economia em perdas pelos dois motivos citados, tendo em vista que qualquer esforço nessa direção será uma vantagem para a eficiência produtiva, não só no que tange ao sistema elétrico fisicamente como um todo, mas também à máxima capacidade operacional com possível postergação do investimento alto em equipamentos novos, para um prazo de captalização para tal.

Já que os períodos de incerteza da economia, marcados por ciclos de stop and go,

impelem as industrias a partir para este tipo de investimento de readequação, caracterizando uma preparação para um futuro de expansão.





17 – A ENGENHARIA DE SOLUÇÃO E PESQUISA: As grandes transformações tecnológicas em todos os setores de consumo de energia,

vem ocorrendo numa velocidade muito alta, empurrando-nos para a Era do Conhecimento e da Pesquisa eminentes, cujo resultado está no questionamento e substituição de paradigmas do mundo tecnológico do consumo de energia elétrica, que até recentemente estava radicado nos conceitos convencionais da engenharia elétrica do consumo energético. E quando nos referimos ao nosso ramo, ainda passamos por problemas de maior ou menor rapidez de adaptação dos conceitos e teses, que devem ser rearranjados de uma forma fundamental em função da nova ordem que se afigura dentro do universo da pesquisa e solução.

Dentro deste contexto, está incluso o modelo educacional e o modelo especialista

aplicado, onde no cenário dos consumidores de energia, as imposições pela eficiência produtiva aliada à qualidade, nos leva a um patamar de grandes mudanças e nos põe cara a cara com a necessidade da informação, conhecimento e segurança nas mitigações.

Toda essa filosofia, se resume numa necessidade premente de se atualizar e vestir a

roupagem do estudo, pesquisa e solução, onde temos apontado para a engenharia essas tendências e aspectos importantes do desenvolvimento tecnológico.

Na avaliação crítica do insumo energia elétrica do setor industrial ou melhor dizendo de

consumidores, tem que haver espaço para o investimento na Engenharia de Solução e Pesquisa, já que este é o único caminho de se manter uma infraestrutura elétrica autosustentável a partir dos seguintes desafios:

- do aumento produtivo, - diminuição dos tempos produtivos, - mantenimento do ciclo de vida útil real dos sistemas, - diminuição das perdas energéticas, - aproveitamento maior da mão de obra produtiva e manutenciadora, - adequações e modernizações mais seguras dos sistemas diante da infraestrutura - e finalmente o aumento do período de estabilidade funcional dos sistemas.

Utópico!!! Talvez! Mas a necessidade é mais do que real. Como tarefa primordial para a implantação da Filosofia da Engenharia de Solução e

Pesquisa, dentro deste vasto tema que é a Qualidade de Energia, deverão ser considerados os seguintes desafios básicos:





- Estabelecer a mudança ou readequação da base educacional do modelo convencional de projeto e de análise de problemas, criando condições e ações para que os profissionais se adequem à nova necessidade, reformulando alguns conceitos e se conscientizando da responsabilidade que é cada vez maior dentro deste universo. - Estabelecer a conscientização da necessidade de readequação da infraestrutura à qual estava acostumado, para receber a inserção maciça de novas tecnologias, onde o objetivo final é a segurança no maior nível produtivo. - Se orientar e avaliar perante suas implementações, para obter a solução e custo mais adequado ao planejamento produtivo do sistema em questão. - Se conscientizar da necessidade de estabelecer regras para o uso dos fatores de risco em função da produtividade, sendo que os dados são conhecidos e suas consequências mais ainda. - Buscar a utilização mais eficiente das sofisticadas tecnologias de mitigação e simulação, em função da prevenção, principalmente na fase de planejamento e projeto, bem como a interação e integração das experiências em diversos setores com maior ou menor risco de distúrbios. - Reforçar a importância da disseminação da filosofia da Engenharia de solução e pesquisa, como ponto crucial para as análises econômicas industriais. - Aumentar a interação do departamento de engenharia e suas bases de manutenção nas empresas, com os problemas reais e o horizonte onde suas consequências podem chegar. - Difundir a necessidade da veracidade de medições e dados em função da eficiência das mitigações. - Mostrar a necessidade da filosofia S&P (Solução e Pesquisa) aplicada em conjunto e apoio à filosofia P&D (Pesquisa e Desenvolvimento), dentro do contexto da Qualidade e Conservação de energia. - Determinar os pontos de agregação de valor, a partir da implantação desta filosofia S&P, em função dos custos e segurança de produção. - Preparar a empresa para o tratamento com a nova forma de visão de sua infraestrutura, para que não haja surpresas quando de suas expanções futuras, conscientizando toda a corporação da necessidade relevante do equilibrio entre a racionalização de recursos e a necessidade de readequação da infraestrutura, com a certeza de real economia com a redução de seus custos operacionais.





A Engenharia de solução e pesquisa busca identificar a solução que atenda requisitos técnicos, de custo e de prazo, para superar um problema ou vários, seguindo uma metodologia de cinco etapas:

- Caracterização do problema e suas conseqüências; - Identificação de soluções convencionais; - Identificação de soluções não-convencionais; - Análise técnica, de custos e de prazo para cada alternativa; - Seleção e consolidação da proposta mais eficiente.

Soluções Integradas Incorporam Projeto + Simulação + Instalação + Startup, garantindo maior eficiência

Produtiva, com continuidade de ação e de responsabilidade. Desenvolver soluções simuladas computacionalmente para que resultem na melhoria da

qualidade do sistema elétrico como um todo. Solução técnica e economicamente viável, criando condições autosustentáveis, buscando

minimizar as indisposições operacionais e eliminar as perdas energéticas puntuais e macros. A adoção dos princípios do desenvolvimento de projetos de sistemas autosustentáveis

pelos consumidores, o estímulo ao uso de tecnologias mais limpas e o compromisso com a melhoria contínua da infraestrutura são bases que regem a nova Política da necessidade da Qualidade de energia como um todo.

Na aplicação desta Política tem que haver o comprometimento com a monitoração e

controle dos fluxos energéticos desejados e espúrios para que não haja efeitos impactantes ao sistema, buscando permanente a prevenção da poluição dos distúrbios elétricos em seus níveis e amplitudes.

Também faz parte desta Política, assumir como comprormissos mínimos o cumprimento

da legislação, normas e acordos aplicáveis a nossas atividades e à proteção do meio ambiente, da saúde e da segurança. Quando recomendável serão estabelecidos padrões próprios de procedimento que excedam esses compromissos mínimos.

A educação, treinamento e motivação de nossos colaboradores são compromissos

assumidos nesta Política, visando reduzir riscos de acidentes, eliminar falhas e responder às expectativas das partes interessadas, protegendo a saúde profissional de todos os colaboradores.

É responsabilidade da Alta Administração, pública ou privada, a revisão periódica e a

disseminação desta Filosofia e dos objetivos e metas dos programas de Qualidade e





Conservação de energia, assegurando a participação de todos os colaboradores na sua aplicação permanente, onde, com certeza os resultados serão benéficos e rentáveis.

A realidade Não podemos considerar os problemas e casos dos sistemas elétricos de energia, como

de solução simples ou como alguns pensam, de possível existência da famosa “receita de bolo”, já que cada instalação tem sua característica particular e a alimentação da concessionária tem característica pertinente àquele PAC do sistema, acentuando-se mais ainda quando da sazonalidade operacional e finalmente a variação de dados elétricos em relação ao meio ambiente tais como incidência de raios, tipo de terreno e os níveis de perturbações que os vizinhos injetam na rede ou em seus aterramentos.

Isto mostra a complexidade da escolha dos parâmetros para start da simulação e a

necessidade da experiência do profissional em simular configurações que se adequem às necessidades operacionais da planta em questão.

Contudo, a discussão de vários autores converge para um único ponto. É premente e

urgente a necessidade da disseminação da cultura da Engenharia de Solução e Pesquisa pela comunidade técnica em geral, não só no meio acadêmico de graduação, em Universidades e Escolas Técnicas, salvaguardando as devidas proporções, mas tambem a aplicação de cursos de extensão, treinamento profissional geral ou “insitu”, workshops e palestras para esclarecimentos, livros e cartilhas informativas e orientativas quanto ao problema e a necessidade da busca de solução.

Isto não vai minimizar o problema e nem tornar mais fácil a sua solução, mas com

certeza, vai gerar a cultura de não se acreditar mais em fantasmas de uma instalação elétrica, e o mais importante é o destaque para a busca de especialistas da área, sedimentando cada vez mais a Filosofia da Engenharia de Solução e Pesquisa como necessidade presente nos planejamentos econômicos de serviços para a manutenção e investimento em novos setores e novas plantas industriais devidamente estruturados e readequados à realidade da expansão que se pretende.

A previsão e solução de problemas com os distúrbios de energia requer conhecimento

de técnicas específicas nesta área, contando com a ajuda do modelamento computacional. A avaliação do impacto destes distúrbios no sistema elétrico, bem como a previsão do custo benefício das implementações necessárias às soluções, são condições primordiais para um perfeito desempenho da Engenharia de Solução e Pesquisa.

Sendo cada instalação um caso particular de estudo e pesquisa, seus resultados

constituem contribuições científicas relevantes na área de Engenharia Elétrica, e deve ser passada adiante, como já foi dito, na forma de artigos em conferências, simpósios, workshops e congressos.





Evidentemente, este assunto deve merecer infinita atenção, devido à conjuntura da infraestrutura existente nos meios industriais, ou melhor dos consumidores de energia elétrica, e porconseguinte deve ser mais desenvolvido pelo meio acadêmico, com a geração de uma regulamentação e vasta conceituação sobre o assunto, além de modelamentos como excelente alternativa para certificação da etapa de projeto, de certas etapas de construção e manutenção, abreviando o desperdicio de trabalho, a prevensão de problemas e reduzindo custos finais de produção.





18 – CONCLUSÃO: Diversos profissionais tem afirmado que a eficiência energética deve ser objetivada

durante a fase do projeto, e não quando o sistema já está construído ou em operação. Porém, a nova mentalidade da Engenharia, tem em sua abordagem, que deve-se ter além de um projeto adequado, uma instalação alinhada com a filosofia da qualidade e conservação de energia, equipamentos e componentes eficientes, montagens eficientes e durante o start up com ações de readequação dos distúrbios causados pela nova planta à dinâmica operacional do cliente, aparando as arestas que sobraram da fase de projeto.

Portanto, com o que já foi dito no estudo de harmônicos suas causas e conseqüências,

temos uma relação direta deles com a diminuição da margem de lucro e até mesmo com a perda de faturamento em alguns casos. Não que o projeto esteja errado, mas o item sazonalidade operacional e o carregamento dinâmico (falando eletricamente), podem trazer resultados que não estavam sendo esperados por ambas as partes.

O item custo de energia elétrica equivale a um montante muito pequeno em relação a

todos os problemas com custos existentes numa produção industrial ou de qualquer consumidor de energia. Porém dizemos que mesmo que se reduza o consumo em 3 ou 6 ou 10 %, a melhora é muito mais substancial em face do montante de perdas que se apresentam na operacionabilidade do sistema, quando se atua pela filosofia de eficiência produtiva.

Diante deste cenário, podemos afirmar categoricamente que antes de implementar

qualquer política de eficiência e qualidade de energia, deve-se conhecer os problemas estruturais da instalação elétrica de um cliente e seu entorno, principalmente na fase de projeto, com soluções de readequação a uma nova realidade que se apresenta com as políticas a serem seguidas.

O parque industrial e até mesmo de consumidores em todas as suas espécies, devem

passar por readaptações conscientes e adequados à realidade do custo benefício de um programa, porém com a sabedoria de que as perdas operacionais são de um universo muito maior que as perdas elétricas e até mesmo materiais.

Dentro do contexto de Marketing, temos o jargão que diz “VENDA PERDIDA NÃO TEM

VOLTA”, já que no espaço tempo, ela não retroage em tempo perdido. Da mesma forma acontece com o tempo operacional industrial, que não perdoa as paradas intempestivas, já que normalmente elas produzem muito mais do que a simples perda de tempo.

Portanto em linhas gerais e realistas, O TEMPO É UMA MERCADORIA

ABSOLUTAMENTE PERECÍVEL, e por isto, irrecuperável. E deve ser a base do objetivo de qualquer programa que leve em conta a EFICIÊNCIA DE PRODUTIVIDADE.





Dentro de toda essa conceituação e explanação de idéias é que nosso trabalho tenta facilitar a compreenção da matéria e as teorias existentes, mostrando à todos os responsáveis nas áreas consumidoras de energia elétrica, que cada um tem o seu ponto de contribuição a dar para o sucesso de um programa de atuação técnica, comportamental e gerencial.

A absorção e entendimento da teorização prática do assunto desde a diretoria até ao

auxiliar de serviços gerais é que vai dar a conclusão final deste trabalho e coroar de êxito as verdadeiras intenções deste autor.

Intenções estas que se baseiam no principio da aplicação da ENGENHARIA DE

SOLUÇÃO E PESQUISA, cuja necessidade já se faz presente em todos os seguimentos consumidores de energia elétrica, dentro de um mundo industrial globalizado e em avanço extraordinário da tecnologia.

Afirmamos com veemencia que a monitoração dos níveis harmônicos de um sistema

elétrico é um trabalho “ad eternum”, pois em qualquer setor de consumo de energia elétrica ou qualquer equipamento, sempre há a necessidade de um upgrade e por imposição da evolução tecnológica, já temos que ter consciência de que sempre vai haver problemas, pois este universo é imensurável e muito dinâmico. Portanto, repetimos a máxima:

“OLHAI E VIGIAI vossa infraestrutura para não cometer o pecado da

baixa Qualidade de energia e por conseguinte a baixa Eficiência produtiva”





19 – ESTUDO DE CASOS DAS DISTORÇÕES HARMÔNICAS NOS SISTEMAS ELÉTRICOS:

Com o intuito de exemplificarmos os estudos e conceitos deste trabalho, passamos a

dissertar aqui, alguns estudos de casos relacionados com o assunto, tais como:

19.1 – Barramento x Cabos em circuitos carregados com distorções harmônicas: Este item está sendo desenvolvido junto com a Beghim com a ajuda de alguns clientes.

19.2 – Filtragem de frequências espúrias dos entreferros de transformadores: Este item está aguardando patrocinador para o desenvolvimento prático.

19.3 – Influência das condições ambientais nos níveis harmônico industriais: Este item está sendo desenvolvido aguardando patrocinador da fase prática.

19.4 – Influência dos níveis harmônicos na operacionabilidade da telefonia móvel, fixa e rádio e TV:

Este item já foi desenvolvido e está com a parte prática aguardando retomada junto a outros patrocinadores.

19.5 – Estudo e análise dos níveis harmônicos nos diversos sistemas de aterramentos

das instalações: Este item está sendo desenvolvido aguardando patrocinadores da fase prática.

19.6 – Estudo e análise dos níveis harmônicos nas instalações hospitalares: Este item está aguardando patrocinador.

19.7 – Estudo e análise dos níveis harmônicos x eficiência produtiva nos diversos setores e consumidores:

Este item está em desenvolvimento.

19.8 – Como projetar uma instalação elétrica segundo a filosofia de rebaixamento dos níveis harmônicos:


19.9 – Senso estatístico dos níveis de distorções harmônicas nos diversos setores de produção:


19.10 – Pesquisa e Mitigação dos níveis Harmônicos nos sistema elétricos em média e alta tensão:

Este item está aguardando patrocinador.





19.11 – Fornos à arco – Solução dos problemas com os distúrbios elétricos gerados:


19.12 – Estudo e análise dos níveis de pulsos e impulsos nos aterramentos de sensores e pickups de controle e monitoração:






20 – BIBLIOGRAFIA A seguir, temos a bibliografia das teorias, conforme segue abaixo:

- Instalaciones Eléctricas de Albert F. Spitta da Editora Dossat - Manual de Baixa Tensão de Theodor Schmelcher da Editora Nobel - Electrical Engineering de Hammond & Gehmlich da McGraw-Hill Book Company - Circuitos, Dispositivos e Sistemas de Ralph J. Smith da LTC Editora SA - Análise e Projeto de Sistemas de Controle Lineares de D’Azzo & Houpis da

Guanabara Dois - Electric Energy System Theory de Olle I. Elgerd da McGraw-Hill Book Company - Normas da ABNT Nbr 5410 e NBR 5419, Normas VDE, normas ANSI e normas das

concessionárias, além dos manuais de fabricantes e publicações da IEEE. - Manual de orientação aos consumidores sobre a nova legislação para o

faturamento de energia reativa excedente. Secretaria executiva do Comitê de Distribuição de Energia Elétrica - CODI.

- Costs and Benefits of Harmonic Current Reduction for Switch-Mode Power Supplies

in a Commercial Office Building. Anais do IEEE Industry Application Society Annual Meeting - IAS'95. Orlando, USA.

- Power Factor Correction - Incentives. Standards and Techniques. PCIM Magazine. - Mauro Crestani, "Com uma terceira portaria, o novo fator de potência já vale em

Abril". Eletricidade Moderna, Ano XXII, n° 239, Fevereiro de 1994 - IEC 1000-3-2: "Electromagnetic Compatibility (EMC) - Part 3: Limits - Section 2:

Limits for Harmonic Current Emissions (Equipment input current < 16A per phase)". International Electrotechnical Commision,, First edition 1995-03.

- Ivo Barbi e Alexandre F. de Souza, Curso de "Correção de Fator de Potência de

Fontes de Alimentação". Florianópolis, Julho de 1993. - IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric

Power System. Project IEEE-519. Outubro 1991.





- IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems. Project IEEE-519. October 1991.

- Sine-wave Distortions in Power Systems and the Impact on Protective Relaying.

Report prepared by the Power System Relaying Committee of the IEEE Power Engineering Society. Novembro 1982

- S. B. Dewan: "Optimum Input and Output Filters for a Single-Phase Rectifier Power

Supply". IEEE Trans. On Industry Applications, vol. IA-17, no. 3, May/June 1981 - R. Gohr Jr. and A. J. Perin: "Three-Phase Rectifier Filters Analysis". Proc. Of

Brazilian Power Electronics Conference, COBEP ‘91,Florianópolis - SC, pp. 281-286. - B. Mammano and L. Dixon: "Choose the Optimum Topology for High Power Factor

Supplies". PCIM, March 1991, pp. 8-18. - I. Barbi e A. F. De Souza: Curso de "Correção de Fator de Potência de Fontes de

Alimentação". Florianópolis, Julho de 1993. - J. H. Alberkrack and S. M. Barrow: "Power Factor Controller IC Minimizes External

Components". PCIM, Jan. 1993, pp. 42-48. - J. M. Bourgeois: "Circuits for Power Factor Correction with Regards to Mains

Filtering". Application Note SGS-Thomson, April 1993. - L. Malesani, L. Rossetto, G. Spiazzi, P. Tenti, I. Toigo and F. del Lago: "Single-

Switch Three-Phase AC/DC Converter with High Power Factor and Wide Regulation Capability". Proc. of INTELEC '92, Washington, USA, 1992, pp. 279-285.

- E. L. de M. Mehl and I. Barbi: "The Curi Circuit: A High Power Factor and Low Cost

Three-Phase Rectifier". Proc. Of 3th COBEP, São Paulo, Dec. 1995. - IEC/TR3 61000-2-1: 1990, Electromagnetic compatibility (EMC) Part 2:

Environment - Section 1 : Description of the environment - Electromagnetic environment for low-frequency conducted disturbances and signalling in public power supply systems.

- IEC 61000-2-4 : 1994, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2 : Environment -

Section 4 : Compatibility levels in industrial plants for low-frequency conducted disturbances. - IEC 61000-3-2 : 1998, Ed. 1.2 Consolidated Edition, Electromagnetic compatibility

(EMC) - Part 3: Limits - Section 2: Limits for harmonic current emissions (equipment input current <16A per phase).

- IEC/TR3 61000-3-6 : 1996, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3 : Limits - Section 6 : Assessment of emission limits for distorting loads in MV and HV power systems – Basic EMC Publication





- IEC/TR3 61000-3-7 : 1996, Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3 : Limits -

Section 7: Assessment of emission limits for fluctuating loads in MV and HV power systems – Basic EMC Publication

- IEC 60038 : 1983, IEC standard voltages. - IEC 60038-am1 : 1994, Amendment No. 1 - IEC 60038-am2 : 1997, Amendment No. 2 - IEC 61037 : 1998 Ed.1.2 Consolidated Edition, Electricity metering – Tariff and load

control – Particular requirements for electronic ripple control receivers. - IEC/TR2 60868 :1986, Flickermeter – Functional and design specifications - IEC/TR2 60868-am1 : 1990, Amendment No. 1 - IEC/TR2 60868-0 : 1991, Flickermeter – Part 0: Evaluation of flicker severity. - IEC 60050-551 : 1998, International Electrotechnical Vocabulary (IEV) - Part 551:

Power electronics - UIE (1992), Flicker measurement and evaluation - UIE (1988), Connection of fluctuating loads. Falta adicionar o restante da bibliografia do trabalho

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apostila - harmônicas

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