Como resolver problemas com Desequilíbrio de Tensão

O que é Desequilíbrio de Tensão?

Um sistema trifásico está equilibrado ou simétrico se as tensões e as correntes tiverem a mesma amplitude e deslocadas de 120° uma em relação à outra. Se uma ou ambas destas condições não forem atendidas, o sistema é chamado desequilibrado ou assimétrico.

Sistema Trifásico Equilibrado

Como é causado o Desequilíbrio?

A concessionária tenta prover uma tensão de sistema equilibrada entre a rede de distribuição e rede interna do cliente. Sob condições normais essas tensões são determinadas pelas:

tensões nos terminais dos geradores;
impedância do sistema elétrico; e
cargas desequilibradas pelas fases.

Os geradores síncronos das grandes centrais produzem tensões simétricas. No entanto, atualmente os consumidores podem utilizar instalações fotovoltaicas que são conectadas à rede de forma monofásica.

A impedância do sistema elétrico não é exatamente a mesma para cada fase. A configuração geométrica das linhas aéreas causa diferenças nos parâmetros das linhas. A transposição das fases reduz o problema.

Na maioria dos casos práticos, o desequilíbrio das cargas é a causa do desequilíbrio das tensões. O caso mais crítico é a alimentação de trens elétricos.

Nos projetos elétricos, as cargas monofásicas são distribuídas de forma equilibrada, no entanto, no transformador as cargas são flutuantes devido a distribuição estatística do funcionamento das cargas.

Na maioria dos casos práticos, a assimetria das cargas é a causa principal de desequilíbrios.

Quais são as consequências?

A sensibilidade de um equipamento elétrico difere de uma aplicação para outra.

Problemas mais comuns:

Máquinas de Indução:

São máquinas assíncronas de CA com campos magnéticos girantes induzidos internamente. O sentido de rotação do campo da componente de sequência negativa é oposto ao campo da componente da sequência positiva. Portanto, no caso de uma alimentação desequilibrada o campo magnético girante total se torna ‘’elíptico’’.

Consequência nos motores de indução:

- Redução da eficiência;

- Redução do conjugado disponível;

- Torque pulsante;

- Redução da vida útil; e

- Aumento da temperatura.

Geradores síncronos

Os geradores síncronos são também máquinas de CA, usadas, por exemplo, em geração local como unidades de CHP. Exibem fenômenos semelhantes aos descritos para máquinas de indução, mas principalmente sofrem de aquecimento excessivo. Deve ser dedicado cuidado especial ao projeto de enrolamentos amortecedores de estabilização no rotor, onde as correntes são induzidas pelas componentes de sequência negativa e de sequência zero.

Capacidade de transformadores, cabos e linhas

A capacidade de transformadores, cabos e linhas é reduzida devido às componentes de sequência negativa. O limite operacional é na realidade determinado pela capacidade RMS da corrente total, sendo composto também parcialmente de correntes “inaproveitáveis" de sequência não direta. Isto tem que ser considerado ao ajustar os pontos de disparo dos dispositivos de proteção, operando na corrente total. A capacidade máxima pode ser expressada através de um fator de redução da capacidade nominal, a ser fornecido pelo fabricante, que pode ser usado para selecionar um sistema maior, capaz de manipulação da carga.

Transformadores

Os transformadores sujeitos a tensões de sequência negativa as transformam da mesma maneira como tensões de sequência positiva. O comportamento com respeito a tensões de sequência zero depende das conexões primárias e secundárias e, mais particularmente, da presença de um condutor neutro. Por exemplo, se um lado tem uma conexão trifásica de quatro fios, podem circular correntes de neutro. Se ao outro lado do enrolamento é conectado em delta, a corrente de sequência zero é transformada em uma corrente que circula (e causa calor) no delta. O fluxo magnético de sequência zero associado passa através de partes construtivas do transformador, causando perdas parasitas em partes como o tanque, requerendo às vezes uma diminuição de capacidade adicional.

Conversores de potência eletrônicos

Estes conversores estão presentes em muitos dispositivos como acionamentos de velocidade ajustáveis, alimentações de energia para PCs, iluminação eficiente e assim por diante. Podem enfrentar harmônicas adicionais, não características, embora, em geral, a distorção harmônica total permanece mais ou menos constante. O projeto de bancos de filtros passivos lidando com estas harmônicas tem que levar em conta este fenômeno.

Os dispositivos discutidos acima são obviamente cargas trifásicas. Certamente, cargas monofásicas também podem ser afetadas por variações de tensão na alimentação resultantes de efeitos de desequilíbrio.

Como o desequilíbrio pode ser mitigado?

Para diminuir os efeitos do desequilíbrio, podem ser adotadas várias ações com diferentes graus de complexidade técnica. A primeira e mais básica solução é rearranjar ou redistribuir as cargas de tal modo que o sistema se torna mais equilibrado. Para certas aplicações, há uma possibilidade de reduzir o desequilíbrio mudando os parâmetros operacionais.

Para reduzir a influência de correntes de sequência negativa, que causam quedas de tensão de sequência negativa na tensão de alimentação, é requerida uma baixa impedância interna do sistema. Isto pode ser alcançado conectando as cargas desequilibradas em pontos com nível de curto-circuito mais alto, ou através de outras medidas de sistema para reduzir a impedância interna.

Outro tipo de técnica de mitigação é o uso de transformadores especiais, como transformadores de Scott, e de Steinmetz:

O "transformador de Scott" consiste de dois transformadores monofásicos, com relações de transformação especiais, acoplados a um sistema trifásico. Eles estão conectados de tal modo que na saída, é gerado um sistema de tensão ortogonal bifásico, permitindo a conexão de dois sistemas monofásicos. Este arranjo apresenta uma potência trifásica equilibrada para a rede.

Um “transformador de Steinmetz" é na realidade um transformador trifásico com uma potência extra de carga de equilíbrio, que consiste de um capacitor e um indutor de capacidade proporcional à carga monofásica. Quando a potência reativa nominal do indutor e do capacitor iguala a potência ativa nominal da carga, dividida por 3, a rede trifásica vê uma carga equilibrada. A potência nominal trifásica do transformador iguala a potência ativa da carga monofásica. Notar que o equilíbrio só é perfeito para cargas com uma potência ativa igual ao valor usado para projetar o sistema. Finalmente, circuitos eletrônicos de potência especiais, de ação rápida, como "Compensadores de Var Estáticos", podem ser configurados para limitar o desequilíbrio. Estes se comportam como se fossem rapidamente transformados em impedâncias complementares, compensando por mudanças na impedância das cargas em cada fase. São capazes também de compensar potência reativa não desejada. Porém, são dispositivos caros, e usados apenas para cargas grandes (por exemplo, fornos à arco) quando outras soluções são insuficientes.

Conclusão

O desequilíbrio é um sério problema de qualidade de energia, afetando principalmente sistemas de distribuição de baixa tensão, como por exemplo os encontrados em edifícios comerciais com abundantes PCs e iluminação. Entretanto, pode ser quantificado de uma maneira relativamente simples resultando em parâmetros que podem ser comparados a valores padronizados.