Fundamentos da eletricidade na indústria

"Eletricidade'' é o nome dado para um conjunto de fenômenos que ocorre por conta de desequilíbrio ou movimentações de cargas elétricas. Ela está presente no dia a dia em casas, computadores, celulares e indústrias. 

Segundo relatórios da Empresa de Pesquisa Energética (EPE), a indústria brasileira responde por mais de 30% do consumo final e mais de 40% da eletricidade no Brasil. 

Na indústria, o ativo é um dos objetos que mais consomem energia - já que dependem de grande quantidade para funcionarem. Por isso é importante entender os alguns fundamentos considerados essenciais para a eletricidade. 

 Lei de Ohm 

As Leis de Ohm, criadas pelo físico Gergor Simon Ohn em 1827, mostram a resistência elétrica dos condutores. Ela permite calcular grandezas como: tensão, corrente e resistência elétrica dos elementos presentes em um circuito. 

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O físico afirma em sua primeira lei que a intensidade da corrente elétrica fluindo de um condutor conectando dois pontos é diretamente proporcional à tensão entre os dois pontos e inversamente proporcional à resistência elétrica do condutor. 

R: resistência, medida em Ohm (Ω)

U: diferença de potencial elétrico (ddp), medido em Volts (V)

I: intensidade da corrente elétrica, medida em Ampére (A).

Já a segunda lei, mostra aponta que a resistência elétrica de um material é proporcional ao seu comprimento, sendo inversamente proporcional à sua área de secção transversal. 

R: resistência (Ω)

ρ: resistividade do condutor (depende do material e de sua temperatura, medida em Ω.m)

L: comprimento (m)

A: área de secção transversal (mm2)

 Lei de Ampére 

Idealizada pelo físico francês Andre Marie Ampère, a lei consiste na dedução matemática do campo magnético emitido por um fio eletricamente carregado. 

Isso significa que é possível identificar a direção das correntes produzidas, já que o campo magnético se alinha em um caminho uniforme.

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Importante saber que o campo magnético, formado por essa frequência de energia, cria o efeito de atração e repulsão, como um imã. 

Mas, por se tratar de um condutor contínuo de energia, as linhas criadas pela corrente são fechadas e se movem em curvas.

Matematicamente, essa relação fica da seguinte forma:

μ: Permeabilidade magnética do meio (Tm/A)

i: intensidade da corrente elétrica (A)

B: intensidade do campo magnético (T)

R: distância na qual a intensidade do campo é medida (m)

A Lei de Ampère, pode ser aplicada para entender os campos em:

• Linhas retas;
• Planos infinitos;
• Solenóides;
• Campos gerados por cilindros;
• Toroides;
• Determinação de sentido e módulo de uma corrente em um fio;
• Distribuição de correntes em simetria.

 Lei de Faraday 

Também conhecida como lei da indução magnética, afirma que a variação no fluxo de campo magnético por meio de materiais condutores induz o surgimento de uma corrente elétrica. 

Descoberta pelo físico e químico, Michael Faraday, é considerada uma das descobertas mais importantes da história, já que a partir disso foi possível pensar na produção de energia em larga escala, como o uso de usinas. 

A lei de Lenz surge nesse princípio, como um complemento à Indução Eletromagnética. Ou seja, a partir de alguns experimentos, Lenz afirma que a corrente induzida que se forma nessas situações terá sentido oposto ao da variação do fluxo magnético.

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Quando ambas as leis são combinadas, elas se apresentam como o pilar do eletromagnetismo. 

 Potências e fator de potencia ( W, VA e VAR) 

A potência elétrica é uma das grandezas da elétrica mais populares, por isso é fundamental entender alguns conceitos. 

Potência: é a quantidade de trabalho realizada em uma unidade de tempo, que equivale à velocidade de mudança de energia em um sistema ou ao tempo para realizar um trabalho. Ou seja, é a quantidade de energia elétrica fornecida para um circuito elétrico a cada segundo. Sua unidade padrão para medir potência é o watt (W). 

Potência Ativa: é a energia consumida que realiza o movimento, responsável por gerar, luz, movimento, calor, sua unidade é expressa em quilowatt (kW). Por exemplo: a luz da lâmpada emitida, o calor de um forno elétrico e etc. 

Potência Reativa: é a potência que oscila entre a fonte elétrica e a carga, ela só é útil para dar magnetismo às bobinas dos equipamentos elétricos, como: motores, transformadores e reatores. É expressa em quilovolt-ampère-reativo (kVAr).

Potência Aparente: é aquela potência total absorvida por uma instalação elétrica, sendo expressa em quilovolt-ampère (kVA).

O método mais comum de entender as diferenças entre os três tipos de potência é fazendo uma analogia a um chopp. 

Todo o copo representa a potência aparente (kVA), o líquido a potência ativa (kW)  e a espuma, a potência reativa (KVAr).

 Como calcular o fator de potência? 

O fator de potência mostra a eficiência do uso da energia que é entregue pela concessionária de energia

A Potência Reativa bem como a Potência Ativa fluem através de motores, transformadores e reatores. A soma vetorial destas duas potências determina o que chamamos de Potência Aparente. A divisão da Potência Ativa pela Potência Aparente determina o que chamamos de Fator de Potência.

Resumindo, o Fator Potência determina como a energia elétrica está sendo utilizada em seu sistema elétrico. 

O resultado desse cálculo, pode estar entre -1, considerado uma quantidade indutiva, negativa. Ou 1, quantidade capacitiva, positiva, indicando que o FP (fator potência) está trabalhando adequadamente. 

A Resolução Normativa Nº 414/201, da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), que é responsável por padronizar todo o consumo de energia elétrica, define que o Fator de Potência deve ter no mínimo 0,92.

 

 

 Lei de Kirchhoff 

Antes de entender como a lei pode ser aplicada, é essencial entender alguns pontos como:

Nós: é onde há ramificações nos circuitos, quando há mais de um caminho para a energia elétrica passar. 

Ramos: trechos dos circuitos que se encontram entre dois nós seguidos. Por toda sua extensão, a corrente elétrica é permanente. 

Malhas: caminhos fechados em que inicia-se um nó e volta no mesmo nó. A soma dos potenciais elétricos vai ser igual a zero sempre. 

 1ª lei de Kirchhoff: lei dos nós 

A soma de todas as correntes que formam um nó, devem ser semelhantes à soma de todas as correntes que deixam o mesmo nó. 

"A soma algébrica das correntes que entram e saem de uma região, chamada nó, é igual a zero"

 2ª lei de Kirchhoff: lei das malhas 

Afirma que a soma de todos os potenciais elétricos ao longo de uma malha fechada deve ser igual a zero. 

"A soma algébrica de todas as tensões em torno de um caminho fechado, também chamado de laço ou malha, é zero."

Vale lembrar: a soma de todas as tensões deve ser zero, ou a soma de todas as quedas de tensão deve ser igual a tensão da fonte, no caso aqui 26.

Na prática, a soma de tensões de um circuito podem conter fatores não desejáveis conhecidos como as quedas de tensão.

Elas se apresentam devido ao mau uso de equipamentos em uma determinada malha ou então ao mal dimensionamento do projeto.

Em um circuito, os condutores atuam como uma resistência, dessa forma em malhas longas pode haver uma queda de tensão considerável nos cabos.

Como consequência, em casos mais severos os equipamentos da malha podem não receber a energia necessária para um funcionamento adequado e desperdício de energia.

Como vimos na 2ª lei de ohm, a resistência no condutor depende da sua seção transversal, assim, para evitar a queda de tensão nos cabos, o projetista deve levar em consideração a distância entre as cargas e dimensionar os cabos de acordo.   

 O que as normas falam sobre queda de tensão? 

Cada concessionária de energia elétrica possui suas normas quanto às quedas de tensão permitidas.

A NBR 5410 estabelece alguns limites de quedas de tensão para sistemas de baixa tensão como forma de evitar perturbações que comprometam a rede de distribuição, a própria instalação e o funcionamento das demais cargas por ela alimentadas.

Quais são as normas regulamentadoras da manutenção? 

No contexto industrial deve-se atentar para o uso dos motores elétricos trifásicos, os seus cabos de alimentação são dimensionados para a corrente nominal, porém a corrente de partida atinge valores de 6 a 10 vezes a nominal. 

Sendo assim, durante a partida dos motores pode ocasionar uma queda de tensão na rede dependendo da impedância da instalação. Quanto mais próximo a carga estiver da fonte menor serão os impactos. 

Visto isso,  a NBR 5410 define que a queda de tensão nos terminais dos motores não ultrapasse 10% da respectiva tensão nominal  durante a partida.

Além disso, a NBR 14039 estabelece normas para instalações elétricas de média tensão (1kV a 36,2 kV) que a queda de tensão entre a origem de uma instalação e qualquer ponto de utilização deve ser menor ou igual a 5%.

Outro aspecto de fundamental importância quando se trata de oscilações de tensão é com relação ao número de partida por unidade de tempo do motor.

no gráfico abaixo mostra os limites de oscilação máxima permitidos, onde se verifica que quanto mais partidas são realizadas por tempo, menor deve ser a queda de tensão para não haver danos maiores ao motor e a instalação.

 Monitorando a rede elétrica 

As redes de energia industriais são sistemas que possuem cargas complexas com comportamentos dinâmicos e suscetíveis a uma série de fatores durante a operação dos equipamentos. 

Por que é importante monitorar a rede elétrica? 

Assim, torna-se indispensável monitorar a rede realizando registro e análise dos parâmetros elétricos em período integral.

As medições podem ser realizadas a nível da subestação principal de entrada, das subestações setoriais e distribuídas pelas cargas.

Quanto maior for o número de medições distribuídas estrategicamente  em função das cargas ao longo da planta, melhor serão as análises com dados mais específicos de cada malha.

Analisar a tensão e corrente permite que os analistas tenham uma panorama claro do comportamento e da qualidade da energia que está sendo utilizada nas máquinas.

Com o registro das potências (ativa e reativa) é possível calcular os dados de consumo dos equipamentos com precisão e monitorar o fator de potência para evitar as multas das concessionárias.

Atualmente o uso de sensores IoT para monitoramento da rede elétrica já é realidade em muitas indústrias que querem elevar sua eficiência. 

Com eles é possível monitorar dados continuamente como:  fator de potência, corrente e tensão trifásica, potência ativa e reativa. 

Ao ter acesso aos dados em uma plataforma de gestão de energia é possível que os gestores tenham um controle contínuo dos parâmetros elétricos da planta. O acesso a esses dados assertivos permite fundamentar decisões contratuais, adequações, mudanças e investimentos. 

Além de entender o comportamento e consumo do ativo, garantindo não só uma eficiência energética, como também identificar em tempo hábil quais ativos podem apresentar falhas ou estar consumindo mais do que deveriam, por exemplo. Esse controle possibilita um controle pleno e horizontal da planta, atingindo um nível de qualidade jamais visto na manutenção. 

 Referência Bibliográfica 

[1] A. Gaspar. Motor de ímã móvel. Caderno Catarinense de Ensino de Física, 8:188–193, 1991.

[2] A. Gaspar. História da Eletricidade. Ática, S ̃ao Paulo, 1996. ́

[3] CHAPMAN, David. 2002. Guia de Aplicação de Qualidade de Energia - Afundamentos de Tensão. São Paulo : Pro Cobre, 2002.

[4] MAMEDE FILHO, João. 2010. Instalações Elétricas Industriais. Rio de Janeiro :LTC, 2010.

[5] A. K. T. Assis and J. A. Hernandes. The Electric Force of a Current: Weber and the Surface Charges of Resistive Conductors Carrying Steady Currents. Apeiron, Montreal, 2007. ISBN: 978-0-9732911-5-5. Available at: www.ifi.unicamp.br/ ̃assis.

[6] J. Canton. Electrical experiments, with an attempt to account for their several phaenomena; together with observations on thunder-clouds. Philosophical Transactions, 48:350–358, 1753.

[7] N. Ferreira. Mecânica. Instituto de Física, USP, São Paulo. Projeto RIPE — Rede de Instrumentação para o Ensino.

[8] N. Ferreira. Eletrostática, Vol. 1. Instituto de Física, USP, São Paulo. Projeto RIPE — Rede de Instrumentação para o Ensino.

[9] N. Ferreira. Eletrostática, Vol. 2. Instituto de Física, USP, São Paulo. Projeto RIPE — Rede de Instrumentação para o Ensino.