Eficiência energética em instalações com o controle da tensão

Instalações elétricas eficientes, notadamente aquelas relacionadas às plantas industriais e complexos comerciais são classicamente relacionadas à operação com perdas elétricas reduzidas, isto é, com as perdas Joule minimizadas e relacionadas ao controle da relação RI2 , nas etapas de projeto, operação e manutenção; outras otimizações também são efetuadas, como os cuidados nos circuitos magnéticos dos motores e dos transformadores. De fato, a redução da corrente reduz as perdas nos enrolamentos dos transformadores, motores e circuitos de alimentação (perdas cobre ou em carga) e esta redução pode ser obtida, por exemplo, com a compensação e a redução adequada da potência reativa. A redução de correntes harmônicas também reduz as perdas e podem ser obtidas com o uso de filtros passivos ou ativos.

O ponto hora tratado considera a eficiência energética que pode ser obtida com o ajuste adequado dos níveis de tensão de operação dos barramentos de alimentação das cargas e equipamentos. E, em função da característica da carga, este fator possui maior ou menor importância. Nos casos específicos de cargas de impedância constante (acionamentos e inversores), o consumo de energia é proporcional à tensão ao quadrado e esta característica assume elevada importância. Na medida em que os barramentos possam ter controladas suas tensões de operação, maior é o potencial de economia de energia.

O equacionamento do modelo das cargas foi também apresentado na referência consultada [1], como:

Onde:

aP , aQ – parcela da carga ativa/reativa modelada como potência constante;

bP , bQ – parcela da carga ativa/reativa modelada como corrente constante;

cP , cQ – parcela da carga ativa/reativa modelada como impedância constante;

Potencial elevado de economia

Os potenciais de eficiência energética são significativos nas situações:

• Operação de plantas em regime 24 horas/dia;
• Variações rápidas da carga provocando flutuações de tensão;
• Consumo de potência reativa;
• Transformadores dotados de TAPs;
• Presença de correntes harmônicas nas cargas.

Determinação da energia economizada

A determinação da economia de energia decorre de simulações efetuadas em função de registros das variáveis elétricas obtidos de forma contínua, onde é medido, a cada ciclo, o comportamento das tensões das potências ativa e reativa, das correntes harmônicas e de outras variáveis nos barramentos da instalação.

Redução do consumo de energia com o controle da tensão

A tensão de alimentação nos barramentos pode ser controlada mesmo com cargas extremamente variáveis. Normalmente, as instalações são mantidas em regime de operação em tensões superiores às nominais de forma a garantir a operação dos equipamentos em casos de afundamentos de tensão por razões externas ou mesmo interna; tanto as fontes como as cargas possuem seus limites de operação e o compromisso, em princípio, seria manter uma faixa operacional adequada. A proposta de operação eficiente seria estreitar esta faixa em limites de operação com menor consumo de energia.

Curioso é que nem sempre uma modificação na planta que estaria associada a uma determinada ação de eficiência energética atinge o objetivo esperado. O sistema de compensação de energia reativa acima citado, e por melhor que seja, poderá promover uma operação com tensão maior que aquela que traria operação mais eficiente para a instalação. Neste caso, apesar da redução das correntes e perdas associadas, a elevação da tensão de operação acaba por aumentar o consumo de energia.

Com base na observação do comportamento dinâmico das fontes e cargas, o modelo proposto considera a simulação deste (novo) comportamento na busca do melhor ajuste para a tensão de operação do sistema. A partir das informações dos dados construtivos dos sistemas elétricos (impedâncias, distâncias, fontes e cargas) e das medições elétricas efetuadas com resolução adequada e em períodos significativos, é possível se efetuar simulações de comportamento que definirão o potencial de economia com a otimização da tensão de operação com ajustes de TAPs e outras medidas, como a instalação de filtros ou compensadores.

Resultados da simulação

O gráfico da Figura 1 apresenta o comportamento da potência ativa consumida por uma instalação comercial em função da tensão de alimentação. (As indicações em preto nos gráficos se referem aos valores medidos e em marrom aos valores simulados). Com a implantação de compensação reativa em tempo real (tempo de resposta de 16 milissegundos) e redução da tensão de operação com manobra de TAPs, pode-se obter redução da potencia ativa de 3% (redução da tensão em 2,5%) ou 7,5% (com a redução da tensão em 5%), constituindo-se como uma boa oportunidade de eficiência energética.

Figura 1 – Comportamento da potência ativa com variação da tensão de alimentação em instalação de grande complexo comercial [2].

Alguns compromissos devem ser atingidos na simulação, observando, durante a medição, se houve perda de carga devido à tensão e garantir que no modelo simulado o comportamento da tensão manterá esta premissa. Devido à compensação reativa adequada e à variação dos TAPs dos transformadores, pode-se obter, neste caso, economia de energia em função das variáveis operacionais.

Projetos em implantação: existem diversos projetos em implantação no Brasil e outros implantados no exterior com bons resultados a serem publicados oportunamente.

Referências

[1]- Neves, Marcelo Silva – dissertação de mestrado UFJF
[2]- Elspec/Ação – relatórios de avaliação de Eficiência Energética
[3]- Starosta, José – COBEE 2015