i CLAUBIO SEBASTIÃO CAMPOS JÚNIOR INFLUÊNCIA DA
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i CLAUBIO SEBASTIÃO CAMPOS JÚNIOR INFLUÊNCIA DA REATÂNCIA INDUTIVA NO SISTEMA ELÉTRICO SECUNDÁRIO Artigo apresentado ao curso de graduação em Engenharia Civil da Universidade Católica de Brasília, como requisito parcial para a obtenção de Título de Bacharel em Engenharia Civil. Orientador: Álvaro Bittencourt Henrique Silva – Engenheiro Civil Brasília 2016 ii Artigo de autoria de CLAUBIO SEBASTIÃO CAMPOS JÚNIOR, intitulado “INFLUÊNCIA DA REATÂNCIA INDUTIVA NO SISTEMA ELÉTRICO SECUNDÁRIO”, apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Civil da Universidade Católica de Brasília, em (16 / 06 / 2016), defendido e aprovado pela banca examinadora abaixo assinada: __________________________________________________ Orientador: Álvaro Bittencourt Henrique Silva – Engenheiro Civil Curso de Engenharia Civil – UCB __________________________________________________ Prof. Carlos Roberto Augusto Especialista em Eletrotécnica e Telecomunicações Examinador Curso de Engenharia Civil – UCB Brasília 2016 iii AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus que tem providenciado tudo o que precisamos de acordo com nosso merecimento, a minha mãe Silvana Amorim Resende, por todo o carinho e cuidado ao longo de minha vida, ao meu pai Claubio Sebastião Campos pelo apoio e parceria nos processos experimentais e de expansão da consciência, aos amigos, orientadores, professores que de forma direta ou indireta fizeram deste sonho uma realidade. De coração. 1 INFLUÊNCIA DA REATÂNCIA INDUTIVA NO SISTEMA ELÉTRICO SECUNDÁRIO CLAUBIO SEBASTIÃO CAMPOS JÚNIOR RESUMO Este trabalho traz um melhor entendimento sobre o fenômeno da reatância indutiva, presente nos equipamentos com sistemas indutivos pouco divulgado, mas responsável por perdas no sistema elétrico primário e secundário, convertidas em custos adicionais ao usuário final. Para demonstração do fenômeno e de seus efeitos optou-se por um trabalho do tipo experimental em um laboratório genérico situado à Chácara 65 Lote 6A do SHA – Setor Habitacional Arniqueiras, Brasília-DF. Simulando uma residência unifamiliar de médio porte no qual os objetos de estudo foram os equipamentos de uso rotineiro. O método consistiu basicamente em colocar os equipamentos em funcionamento ligados à rede pública em um primeiro momento, aferindo as potências ativa, reativa eb k aparente, frequência, tensão, corrente de operação e corrente de pico analisando simultaneamente o gráfico gerado no software do wattímetro minipa ET 4055, e em um segundo momento alimentando-os com um gerador convencional à gasolina para entender os efeitos da reatância indutiva na fonte geradora de energia, aproveitando para fazer um paralelo entre os dados obtidos nos experimentos e os dados calculados pelas fórmulas do triângulo de potências da literatura atual. Palavras-chave: Reatância. Indutiva. Sistema. Elétrico. 2 INFLUÊNCIA DA REATÂNCIA INDUTIVA NO SISTEMA ELÉTRICO SECUNDÁRIO CLAUBIO SEBASTIÃO CAMPOS JÚNIOR 1. INTRODUÇÄO Para compreendermos melhor o objeto de estudo deste trabalho, devemos remeter à 21 de abril de 1820 com a experiência simples de Hans Christian Ørsted, que ao preparar seus materiais para uma palestra, reparou que a agulha de uma bússola defletia do norte magnético, quando a corrente da bateria que usava era ligada e desligada, convencendo-o que os campos magnéticos radiam em todos os lados de um fio carregando corrente elétrica, o que confirmava uma relação direta entre eletricidade e magnetismo, pouco tempo depois iniciou uma investigação mais intensiva do fenômeno provando que a corrente elétrica produz um campo magnético a medida que flui através de um condutor (DIBNER, 1962). Tal descoberta estimulou pesquisas na área por parte de toda a comunidade científica, sendo Michael Faraday o próximo nome da história. Como a experiência de Orsted provou que era possível produzir magnetismo por meio da eletricidade, Faraday imediatamente pensou que o inverso também seria possível, em 1822 escreveu em sua caderneta “Converter magnetismo em eletricidade”, contudo suas principais experiências fracassaram, seguindo no caminho da persistência finalmente em 1831 atacou o problema pela quinta vez, “Uma barra magnética cilíndrica apresentava um extremo inserido no extremo de um solenoide; então movia rapidamente a barrinha e a agulha do galvanômetro se movia; após movia rapidamente em sentido contrário e a agulha tornava a se mover, porém em sentido oposto”. Dessa maneira se produzia energia elétrica pela simples movimentação do imã (CRUSIUS, 1951). O chamado efeito Faraday nome dado ao conjunto de fenômenos descritos acima que podem ser resumidos na seguinte frase “Todo campo magnético variável, cria uma corrente elétrica denominada corrente induzida”, possibilitou o desenvolvimento do motor elétrico e consequentemente do gerador, uma vez que o motor elétrico transforma energia elétrica em energia mecânica, e de igual forma o gerador transforma energia mecânica em energia elétrica, sendo a Lei de Faraday um espelho da Lei de Ampère que explica como uma corrente elétrica gera um campo magnético, também motivada pelo experimento de Orsted (CRUSIUS, 1951). 3 A indução eletromagnética é o fenômeno que produz a força eletromotriz em um meio ou corpo exposto a um campo magnético variável, ou em um meio móvel exposto a um campo magnético estático. Este fenómeno também descoberto por Michael Faraday que o expressou dizendo que “A magnitude da tensão induzida, é proporcional à variação do fluxo magnético”, permite transformar energia mecânica e rotação em eletricidade, sob o qual operam transformadores, geradores, motores elétricos e etc (VILLATE, 2013). Corrente Alternada A corrente alternada ou (AC) é a corrente elétrica na qual a intensidade e a direção são grandezas que variam ciclicamente. Em um circuito de potência de corrente alternada a forma da onda mais utilizada é a onda senoidal. Esse tipo de corrente surgiu com Nicola Tesla, que foi contratado para construir uma linha de transmissão entre duas cidades de Nova York. Naquela época, Thomas Edison tentou desacreditar Tesla de que isso daria certo, no entanto, o sistema que Tesla fez acabou sendo adotado. A partir de então a corrente elétrica em forma de corrente alternada passou a ser muito utilizada, sendo hoje aplicada na transmissão de energia elétrica que vai das companhias de energia elétrica até os centros residenciais e comerciais. A corrente alternada é a forma mais eficaz de transmissão de energia elétrica por longas distâncias, pois ela apresenta facilidade para ter o valor da sua tensão alterado por aparelhos denominados transformadores (VILLATE, 2013). Principio de Funcionamento do Motor Elétrico Ao passar corrente no bobinado do estator, cria-se um campo eletromagnético, que por sua vez induz corrente na armadura do rotor, que por vez cria um campo eletromagnético secundário, pela tendência de alinhamento dos polos inicia-se o movimento de rotação, que se mantem com a variação do fluxo eletromagnético. Lei de Lenz Segundo a lei de Lenz, o sentido da corrente é o oposto da variação do campo magnético que lhe deu origem. Havendo diminuição do fluxo magnético, a corrente criada gerará um campo magnético de mesmo sentido do fluxo magnético da fonte. Havendo aumento, a corrente criada gerará um campo magnético oposto ao sentido do fluxo magnético da fonte (TORRES, 2001). Em outras palavras o sentido da corrente induzida é tal que seus efeitos se opõem às ações que a originam. 4 Sendo assim a Reatância Indutiva é uma propriedade intrínseca dos motores, geradores e transformadores convencionais, que trabalham com corrente alternada, ou seja, por menor que seja a variação do fluxo temos como resultante a reatância indutiva, aceita e tratada pela comunidade cientifica como uma barreira intransponível, ou à grosso modo um mal necessário, o que justifica todo e qualquer estudo que vise identificar, eliminar e/ou minimizar seus efeitos. O objetivo geral deste trabalho consiste em verificar se a reatância indutiva deve ser considerada no dimensionamento elétrico, bem como, da identificação dos efeitos causados pela sua existência. Os objetivos específicos são: Verificar se pequenos geradores de reatância indutiva podem gerar prejuízos ao consumidor. Verificar a relação da corrente indutiva com o sistema elétrico residencial. Fazer um comparativo das equações obtidas no triângulo de potências, com os resultados obtidos em laboratório; 2. MATERIAL E MÉTODOS Os materiais e métodos utilizados para comprovação da existência, quantificação e identificação da influência da reatância indutiva no sistema elétrico secundário estão descritos a seguir: RELAÇÃO DE MATERIAIS E EQUIPAMENTOS Alicate Wattímetro Minipa ET – 4055 Software para tratamento dos dados Minipa ET-4055 Software Microsoft Excell para processamento das fórmulas do triângulo de potências Cabo Polarizado 2,5mm² Pino Macho e Pino Fêmea Gerador Motomil 3 KVA Microondas Electrolux Condicionador de ar Split 9kbtu Carrier Condicionador de ar Split 9kbtu Carrier Inverter Liquidificador SPOLU Máquina de Lavar Roupas Brastemp 11Kg 5 Refrigerador Electrolux 2 portas Batedeira Electrolux Bomba de Piscina Sodramar 1CV Monofásico Bomba Axial Weg 2CV Monofásico Nobreak 700VA NHS O método consistirá na simulação, de uma residência genérica unifamiliar de médio porte, da qual os objetos de estudo serão os equipamentos de uso rotineiro, e na simulação de uma fonte geradora com uso de gerador a gasolina, para alimentação dos equipamentos e identificação dos efeitos provocados na fonte. No laboratório experimental localizado à Chácara 65 Lote 6A do SHA – Setor Habitacional Arniqueiras, Brasília-DF, foram realizadas todas as etapas do experimento. O processo experimentação iniciou-se com o preparo da ligação elétrica para inserção do wattímetro no sistema, ligados conforme esquema de ligação wattímetro-equipamento. 6 Com o wattímetro inserido e o equipamento em funcionamento iniciamos a aferição das potências ativa, reativa e aparente, frequência, tensão, corrente de operação e corrente de pico analisando simultaneamente o gráfico gerado no software minipa ET 4055, afim de identificar picos e oscilações significativas, registradas em Anexo (A_Planilha Exp. Lab. Reatância 01). Após registro, encerrou-se a primeira parte da experimentação que deve ser reproduzida para todos os equipamentos descriminados em materiais. Na segunda fase da experimentação avaliamos amostras de 5 dos principais equipamentos produtores de reatância indutiva identificados na primeira fase da experimentação. Entendemos que estes representam com suficiente quantidade de informações, se comprovadas, as hipóteses levantadas no estudo. Na segunda etapa da experimentação com o preparo e instalação do gerador, além da inserção do wattímetro no sistema elétrico gerador-equipamento. Com gerador, wattímetro e equipamento em funcionamento inicia-se a coleta de dados, registrados em Anexo (B_Planilha Exp. Lab. Reatância 02). Com os dados obtidos tabulamos o Anexo (A_Planilha Exp. Lab. Reatância 01), que faz referência as fórmulas obtidas através do triângulo das potências. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Resultados constantes dos anexos. Após coleta e análise dos dados, observamos que os principais geradores de reatância indutiva são, condicionador de ar 9000 BTU fabricante springer carrier, condicionador de ar 9000 BTU fabricante springer carrier inverter, micro-ondas marca electrolux, moto bomba de piscina sodramar 1CV monofásico e moto bomba axial weg 2CV monofásico. Característica importante do condicionador de ar 9000 BTU fabricante springer carrier inverter, observada nos experimentos que deve ser ressaltada está na ausência da corrente de pico de partida do compressor. Esse item está justificado pelo tipo de compressor que se mantem sempre em movimento partindo de forma progressiva, além do consumo energético em torno de 30% menor para a mesma eficiência térmica. 7 Na etapa de comparação das fórmulas geradas pelo triângulo das potências, com os resultados obtidos na fase experimental, pudemos observar uma divergência entre os resultados de aproximados 10% para Potência Aparente e de aproximados 40% para Potência Reativa, justificados por erros e/ou imprecisões dos equipamentos de aferição, arredondamentos na coleta e variáveis do próprio ambiente de coleta dos dados. No caso da Potência Reativa, pudemos observar que a divergência entre os valores também está associada ao formato do motor e/ou transformados do equipamento. Ao utilizar o gerador como fonte de energia, observamos que mesmo com equipamentos que demandavam entre 60 e 70% da potência fornecida pelo gerador, com percentuais de reatância indutiva entre 50 e 60%, ao acionarmos o equipamento a tensão do gerador caía de 240 volts (Fig. 1), para 60 volts (Fig. 2). Este fato sugere uma possível desmagnetização das bobinas geradoras de energia por excesso de reatância indutiva, comprovando a literatura, que de forma resumida diz que a reatância indutiva, tem módulo igual e sentido oposto a energia que à gerou. Dessa forma, retorna anulando a energia capaz de produzir trabalho. Ainda na fase de experimentação, observamos que em equipamentos com percentuais de reatância indutiva entre 30 e 40% a potência fornecida pelo gerador mantinha-se entre 70 e 85% aumentando o trabalho realizado, o que sugere uma possível relação entre baixa reatância indutiva e maior trabalho realizado, comprovando a literatura. Fig. 1 – Imagem Gerador Motomil 3000 VA Fonte: Laboratório Experimental Reatância Indutiva 8 Fig. 2 – Imagem Gerador Motomil 3000 VA Fonte: Laboratório Experimental Reatância Indutiva RELAÇÃO DE ANEXOS Anexo A_ Planilha Exp. Lab. Reatância 01 Anexo B_ Planilha Exp. Lab. Reatância 02 Anexo C_ Micro-ondas Electrolux Anexo D_ Condicionador de Ar 9kbtu Carrier Anexo E_ Condicionador de Ar 9kbtu Carrier Inverter Anexo F_ Liquidificador Industrial Spolu Anexo G_ Máquina de lavar roupas Brastemp 11Kg Anexo H_ Refrigerador Electrolux 2 portas Anexo I_ Batedeira Electrolux Anexo J_ Moto bomba de piscina Sodramar 1CV Monofásico Anexo L_ Bomba Axial Weg 2CV Monofásico Anexo M_ Nobreak NHS 700VA Anexo N_ Gerador – Condicionador de Ar 9000 BTU Carrier - Moto Bomba de piscina Sodramar 1CV Anexo O_ Gerador – Condicionador de Ar 9000 BTU Carrier Inverter - Micro-ondas Electrolux Anexo P_ Gerador – Moto Bomba Axial Weg 2CV Monofásico 9 4. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Entendemos que a reatância indutiva pode sim ser considerada uma característica negativa para o sistema elétrico secundário e por uma ótica maximizada um problema para todo o sistema elétrico, visto que pequenos geradores de reatância indutiva em conjunto representam um grande problema, problema este que se traduz em perdas ainda não mensuradas, refletindo custos para o consumidor final, comparados com fábricas e grandes consumidores de energia, que pagam taxas/multas ou são obrigados a instalar conjuntos de capacitores por gerar reatância indutiva em grande escala, exigindo aumento de campo magnético nas usinas geradoras de energia, encarecendo seu custo final. Entendemos que o problema levantado da reatância indutiva poderia ser solucionado, caso o padrão construtivo dos motores, transformadores e equipamentos indutivos, sofressem modificações. Pesquisas estão sendo realizadas pelos fabricantes e esperamos que invenções surjam com o objetivo de neutralizar os efeitos desse fator elétrico, estas pesquisas, estão voltadas aos sistemas de grande porte, sendo assim, deveremos conviver com este fenômeno em nossas residências. Uma tendência que já está em fase de testes em nosso país é a medição inteligente que consiste na substituição do medidor de energia convencional, por um medido inteligente capaz de aferir os reativos produzidos pelos comércios, residências e utilizadores do sistema secundário. Com a implantação destes medidores nós consumidores começaremos a pagar por injeção de reativos na rede. No momento em que o consumidor tiver conhecimento que gerar reativos gera mais custos, a demanda por equipamentos menos reativos, aumentará, ou seja, estaremos preocupados com a correção do fator de potência, que nada mais é que a razão entre as potências ativas, reativas e aparentes, e indica a eficiência do uso da energia elétrica. Um alto fator de potência indica alta eficiência energética e o mesmo vale para o inverso. Após a jornada de imersão na literatura, nos experimentos, e problemáticas geradas concluímos que o trabalho cumpriu seus objetivos trazendo uma visão mais ampla sobre uma característica não muito explicita dos equipamentos presentes nas residências que é a reatância indutiva, ressalvada a necessidade de uma abordagem muito mais sistêmica em vista da complexidade e da quantidade de fenômenos envolvidos nessa problemática, que torna impossível sua total abrangência em um só trabalho. 10 INFLUENCE OF REACTANCE INDUCTIVE IN SECONDARY ELECTRIC SYSTEM Abstract This work brings a better understanding of the inductive reactance phenomenon, present in household equipment with inductive loop systems, unheralded but responsible for losses in primary and secondary electrical system, converted into additional costs to the end user. For demonstration of the phenomenon and its effects was chosen for a work of experimental type in a generic laboratory located in Chacara 65 Lot SHA 6A – Setor Habitacional Arniqueiras, BSB simulating a medium-sized single-family residence in which the object of study the method is basically to put the equipment in operation connected to the public at first, checking the active, reactive and apparent power, frequency, voltage, operating current and peak current/simultaneously analyzing the graph generated in Minipa ET 4055 software and in a second time by feeding them with a conventional generator with gasoline to understand the effects of inductive reactance at source, taking the opportunity to make a parallel between the data obtained in the experiments and the data calculated by the formulas of the power triangle of the current literature. Keywords: Reactance. Inductive. System. Electric. 11 REFERÊNCIAS Crusius, Augusto, Introducion a La Física. Buenos Aires: Editorial Kapelusz, 1951. Dibner, Bern, Oersted and the discovery of electromagnetism, Nova Iorque, Blaisdell (1962). Gussow, M., Eletricidade Básica. São Paulo: Pearson Makron Books, 1997. ISBN 8534606-12-9 Hans Christian Ørsted, Der Geist in der Natur, 1854 Jaime E. Villate, Eletricidade e Magnetismo. Porto: 20 de março de 2013. TORRES, Carlos Magno; NICOLAU, Gilberto Ferraro; PENTEADO, Paulo César; SOARES, Paulo Toledo. Física Ciência e Tecnologia. Volume único. Editora Moderna (2001).
