Uma análise de harmônicas no condutor neutro com lâmpadas LED – Parte 2

As harmônicas e os picos de corrente de partida das lâmpadas LED foram discutidas na primeira parte deste artigo, publicada na edição anterior de EM. Segue-se uma análise da dimerização dessas lâmpadas, dos respectivos efeitos e das medidas necessárias em aplicações industriais e comerciais.

Stefan Fassbinder, Instituto Alemão do Cobre (Alemanha)

Data: 21/10/2016

Edição: EM Outubro 2016 - Ano - 45 N^o 511

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Fig. 1 – Correlação entre a potência absorvida P, o fluxo luminoso Φ, e a eficácia luminosa η de uma lâmpada incandescente comum de 60 W e a tensão de rede U

A oferta de lâmpadas LED dimerizáveis para iluminação de ambientes residencias tem se multiplicado, uma vez que elas devem substituir principalmente as lâmpadas incandescentes, facilmente dimerizáveis. A baixa eficácia luminosa das lâmpadas incandescentes, que finalmente levou à sua extinção, se reduz ainda mais drasticamente com a dimerização; a economia é relativamente pequena (figura 1). Entretanto, o motivo para uso dos dimmers em salas de estar raramente se deve à economia de energia. Na verdade, deseja-se obter um ambiente mais “aconchegante” — ou seja, com menos luz, por exemplo, para assistir televisão. Como mostra a figura 2, lâmpadas fluorescentes compactas (LFC) dimeri záveis apresentam um desempenho se melhante, porém, num nível significativamente mais baixo, de modo que em salas de estar, cuja iluminância já é reduzida, a queda de eficiência causada pela dimerização não preocupa. Todavia, mesmo essa pequena desvantagem é geralmente evitada pelo LED, visto que sua eficiência diminui pouco ou absolutamente nada com o dinner

Neste contexto, é interessante examinar uma (aparente?) novidade exibida nas figuras 3 e 4, que mais se assemelha à lâmpada incandescente com filamento de carvão do que às incandescentes convencionais de tungstênio. Esse efeito é intencional, porque tal lâmpada visa especialmente os mercados de luminárias de design, locais históricos e culturais, como museus e o foyer dos teatros. A rigor, não se trata de uma lâmpada LED, e sim de uma LCC (Laser Crystal Ceramics). O que isso significa não se pode encontrar, mesmo na era da Internet, e o que se encontra tem mais a ver com laser do que com LED. Ensaios realizados na Suíça indicam tratar-se de um LED perfeitamente normal [7]. No comércio existe atualmente um sortimento de lâmpadas que imitam as características das incandescentes, porém, cuja eficiência alcança, com certeza, valores próximos de 100 lm/W.

Fig. 2 – Dimerização em quatro estágios de uma LFC dimerizável de 23 W (Megaman)

Fig. 3 – Imitação de uma lâmpada incandescente com filamento de carvão, em versão altamente econômica

Ensaios também mostraram que, em princípio, mesmo lâmpadas apresentadas como não dimerizáveis funcionaram com um antigo dimmer com controle por ângulo de fase. Quando não funcionaram, foi devido à carga abaixo do valor mínimo. Pode-se, portanto, assumir que basta conectar um número suficiente de lâmpadas para que a dimerização funcione também com esse dimmer, ainda que inadequado para tal tipo de carga.

Efeito para rede

Fig. 4 – Características de uma lâmpada de 5,5 W (Vosla) com dimmer convencional para lâmpadas incandescentes. A carga adicional com lâmpada incandescente necessária para que o dimmer funcione foi excluída da medição

A dimerização de lâmpadas incandescentes causa de fato intensas harmônicas (figura 5), mas as curvas senoidais deformadas são de certo modo “lisas”. Isso também pode ocorrer com lâmpadas LED (figura 6), mas não necessariamente.

Recentemente foi realizada na Suíça uma extensa série de testes, nos quais um total de dez pequenas lâmpadas LED dimerizáveis foram ensaiadas com cinco dimmers diversos. Constatou-se que — em parte devido à própria lâmpada, em parte devido ao dimmer, ou ainda devido à interação de ambos — as curvas se tornaram “ásperas como um ralador” (figuras 7 e 8).

As distorções causadas na rede pela lâmpada da figura 3 se mantêm dentro de certos limites. A lâmpada de 5,5 W sem dimmer absorve, computando-se a energia reativa da frequência fundamental e da distorção, cerca de 7,5 VA. Em contraste, com o dimmer, o conteúdo harmônico cresce tanto que a potência aparente aumenta com a absorção da energia ativa. É possível identificar isso também pelo incremento das principais correntes harmônicas (figura 4).

Iluminação a LED na indústria e no comércio

Enquanto nas residências o consumo de energia elétrica para iluminação não chega a 10% [9], pode-se considerar num escritório, a grosso modo, um terço para iluminação, um terço para equipamentos de TI, e um terço para o restante, pois é sabido que um escritório tem uma iluminação muito mais clara que uma residência. As lâmpadas empregadas, portanto, em geral ultrapassam a potência de 25 W.

Fig. 5 – Dimerização de uma lâmpada incandescente halógena de 40 W por meio de dimmer universal com reconhecimento automático de carga. Em lâmpadas incandescentes aplica-se o controle de ângulo de fase

Fig. 6 – Lâmpada LED (Megaman) com dimmer (Hager) ajustado na potência máxima

Nesse caso deve ser considerado, por exemplo, que não necessariamente todas as lâmpadas utilizadas sejam iguais. Vamos admitir que, numa instalação existente, as lâmpadas fluorescentes de 58 W com reatores convencionais sejam gradativamente substituídas por lâmpadas LED tubulares. Estas consomem aproximadamente a metade da energia ativa. Em compensação, elas iluminam apenas a mesa de trabalho e deixam no escuro o restante do escritório [10], e isso pode emperrar o plano de reforma. No sentido eletrotécnico do termo “consumo de energia”, tomado literalmente, a redução é ainda maior que a metade, porque o fator de potência da lâmpada LED tubular é mais alto. Mas ainda podemos estar longe de uma distribuição simétrica da carga, caso, por hipótese, os grupos LED recaírem sobre um condutor de fase diverso daquele que alimenta as lâmpadas fluorescentes remanescentes.

Fig 7 – Lâmpada (Megaman) com dimmer (Eltako), ajustado na potência mínima

Fig. 8 – Lâmpada LED (Megaman) com dimmer (Eltako) ajustado na potência máxima

As distorções admitidas pela norma na forma de onda da corrente continuam também contribuindo, apesar da melhoria no fator de potência, quando se combinam, por exemplo, duas lâmpadas LED tubulares de potências distintas (aqui, 25 W e 30 W), de fabricantes diversos, com uma lâmpada fluorescente: a corrente do neutro é fortemente influenciada pela lâmpada fluorescente — e mais ainda pelo capacitor de compensação paralelo do que pela própria lâmpada (figura 9). O perfil dessa corrente é típico de um capacitor diretamente ligado a uma tensão real com as características atualmente prevalecentes.

Fig 9 Duas lâmpadas LED tubuladores diferentes e uma fluorescente com reator convencional e compensação paralela distribuídas nas três fases; a corrente de neutro é mostrada

Fig. 10 Duas lâmpadas LED tubulares diferentes e uma fluorescente com reator convencional sem compensação, distribuídas nas três fases; a corrente de neutro é mostrada

Para fazer a prova neste exemplo basta remover o capacitor (figura 10), e então a corrente do reator convencional volta a ser lisa e arredondada, mas, em função do componente reativo extremamente alto, ela é predominante sobre as demais. A distribuição da corrente é quase tão assimétrica quanto seria se apenas um condutor de fase estivesse carregado. Observa-se ainda que as correntes das lâmpadas LED se mostram fortemente serrilhadas, pois essas cargas também contêm capacitores! Todavia, essa distorção será atenuada pela reforma, já que normalmente os reatores das lâmpadas fluorescentes permanecem na luminária.

Essa característica se mantém válida também quando a carga é equilibrada, com todas as fluorescentes substituídas pelo mesmo tipo de lâmpadas LED tubulares, e a mesma quantidade ligada a cada condutor de fase; como ilustra a figura 11, não se pode cogitar, nem de longe, de condutor neutro livre de corrente.

Consequências

O cenário de um condutor N ou PEN queimado, recorrente há décadas, deveria ficar restrito a umas poucas situações extremas. A partir do momento em que se tornou conhecido que a seção do neutro não deve ser reduzida em relação à do condutor de fase, ou, caso contrário, o neutro deve ser provido de um dispositivo de supervisão adequado [11], esse perigo deveria ser considerado afastado.

[N. da R.: No âmbito da ABNT, ver norma NBR 5410:2004, Seção 5.3.2.2 – Proteção do condutor neutro]

Na prática, o fator teórico Ö3 para calcular a corrente do neutro a partir da corrente de fase dificilmente é alcançado. Tal fator poderia se situar, no máximo, em torno de 1. Exceções podem ocorrer, por exemplo, em instalações como data centers, com alta concentração de cargas tipicamente não lineares. Uma instalação comum, porém, não alimenta exclusivamente lâmpadas LED do tipo analisado neste artigo.

Cabos sobrecarregados?

Convém lembrar que a capacidade de condução de corrente dos cabos indicada das normas [12] prevê no máximo três condutores carregados. Essas tabelas não consideram o fato de que, com cargas contendo harmônicas, pode haver quatro condutores simultaneamente carregados. O Suplemento 3 da citada norma alemã procura sanar essa lacuna, indicando valores de referência para as situações encontradas na prática.

[N. da R.: A norma ABNT NBR 5410:2004, Seção 6.2.5.6, prescreve um fator de correção de 0,86, a ser aplicado sobre a capacidade de condução de corrente dos condutores de circuitos trifásicos com neutro, quando a corrente nos condutores de fase contém componentes harmônicas de terceira ordem e seus múltiplos com taxa superior a 15%. O fator se aplica às capacidades de condução de corrente válidas para três condutores carregados, seja qual for o método de instalação, e sem prejuízo de outros fatores eventualmente aplicáveis. Sobre o dimensionamento do condutor neutro quando o conteúdo harmônico das correntes de fase for superior a 33%, ver Anexo F da referida norma]

Uma das dificuldades neste caso é a morosidade do processo de normalização, frequentemente ultrapassado pelo desenvolvimento tecnológico. Antes de serem feitas as últimas correções, por exemplo, o aparelho multifuncional (copiadora, impressora, fax) — exaustivamente ensaiado como carga típica para determinar novos valores de referência — já foi substituído por um novo modelo, provido de uma função economizadora de energia muito melhor. Isso pode ou não ter influência sobre as harmônicas, mas ainda não se sabe.

Os riscos espreitamem outro lugar

Fig. 11 – Três lâmpadas LED tubulares de 30 W, sem reator, distribuídas nas três fases por simulação numérica. Os mesmos parâmetros medidos com + e – 120°, exibidos com a corrente de neutro obtida pela soma das três correntes de fase

A substituição de lâmpadas incandescentes com fator de potência 1, inicialmente por LFC, e agora por lâmpadas LED com fator de potência em torno de 0,5, reduziu a potência absorvida pela iluminação em 75%. Com isto, o valor eficaz verdadeiro da corrente no condutor de fase, apesar da forte distorção, caiu pela metade. Em caso de falta de uma fase, a corrente no condutor neutro também é um pouco menor (Ö3/Ö2) do que com lâmpadas incandescentes. Logo, se não havia sinal de fumaça antes, menos ainda ele deve ser esperado após a reforma.

Não, os riscos e os efeitos colaterais si tuam-se num outro plano, especificamente, na configuração da rede. As correntes de neutro em regime normal, que apesar de tudo aumentaram, devem ser conduzidas corretamente para o ponto estrela da fonte de alimentação; quer dizer, sem desvios erráticos através do prédio!

Em detalhes, isso significa:

Indispensável e mais importante do que nunca é a construção de um sistema TN-S, como é exigido pelas normas para instalações novas, e também recomendado para reforma de instalações existentes [13].
Igualmente importante é a supervisão desse sistema mediante um dispositivo supervisor de corrente diferencial-residual. Não se deve esperar que a proteção DR (oxalá existente) interrompa a alimentação, e sim receber um alarme antecipadamente. A experiência demonstra que as correntes diferenciais (correntes no condutor PE) raramente se manifestam de repente, mas, em geral, aumentam lenta e gradativamente.
Numa instalação construída conforme os princípios de compatibilidade eletromagnética (EMC, na sigla em inglês), os condutores vivos — portanto, inclusive o neutro — devem ser instalados justapostos, o mais próximo possível uns dos outros, e o mais afastado possível dos condutores de proteção PE e de equipotencialização, a fim de minimizar os acoplamentos indutivos, uma vez que os acoplamentos galvânicos (sistema TN-C) foram evitados. As correntes de alta frequência, injetadas na rede pelos aparelhos eletrônicos atuais, acoplam nas partes condutivas adjacentes tão mais fortemente quanto mais alta for a frequência.

[N. da R.: Esse conceito aplica-se, por exemplo, em conjuntos de manobra de BT, nos quais o barramento PEN deve ser preferencialmente adjacente ao barramento geral das fases L1 a L3, mas afastado do barramento PE, de modo a preservá-lo do acoplamento de correntes de alta frequência. O leitor pode consultar a respeito o artigo “Compatibilidade eletromagnética em conjuntos de manobra de baixa tensão”, publicado por EM na edição de outubro/2011, pág. 34-47, disponível também online. Por outro lado, o conceito é conflitante com a exigência de instalar o condutor PE sempre no mesmo cabo ou conduto que os respectivos condutores de fase, para minimizar a impedância do laço eletromagnético e assegurar a atuação das proteções contra sobrecorrente. Ver ABNT NBR 5410:2004, Seção 6.4.3.5]

Paradoxalmente, os tópicos aqui elencados são válidos justamente quando as “verdadeiras” causas de sobrecarga no condutor neutro, ou seja, as harmônicas, foram substancialmente reduzidas por meio da eletrônica que corrige o fator de potência (PFC, na sigla em inglês). Essa mesma eletrônica traz consigo uma frequência de chaveamento em geral muito mais alta, que acopla nos diversos aparelhos com intensidade proporcionalmente mais forte, e se dissemina pela rede (figura 5, na parte 1 deste artigo).

Conclusões

É chegada a hora de considerar a compatibilidade eletromagnética mais como uma questão da rede do que dos aparelhos por ela alimentados.

Não é aceitável que os avanços tecnológicos não possam ser aproveitados, ou encontrem restrições para sua utilização, porque a necessária infraestrutura permanece — ou ainda é instalada — conforme os conceitos dos anos 60 do século passado.

Se os caminhos rudimentares de ontem não tivessem sido transformados em ruas e autoestradas, deveríamos nos contentar até hoje com os carros de boi e as carruagens do correio, e Carl Benz teria trabalhado só para os museus!

Referências

R. Kleger: Neue Kohlefadenlampe. ET Schweizer Zeitschrift für angewandte Elektrotechnik, Sonderheft Licht 2014, S. 60.

www.vosla-shop.com/epages/64253153.sf/de _ DE/?ObjectPath=/Shops/64253153/Categories/LED

Infografik Private Haushalte benötigen den meisten Strom für Prozesswärme. Elektropraktiker, Berlin 67 (2013) 5, S. 317.

S. Fassbinder: Grundlagen, Vorteile und Beschränkungen der LED – Teil 3. Elektropraktiker, Berlin 66 (2012) 12, S. 1029.

DIN VDE 0100-430 (VDE 0100-430):2010-09: Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-43: Schutzmaßnahmen – Schutz bei Überstrom; DIN VDE 0100-520 (VDE 0100520):2013-06: Errichten von Niederspannun gsanlagen – Teil 5-52: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Kabelund Leitungsanlagen.

DIN VDE 0298-4:2013-06: Verwendung von Kabeln und isolierten Leitungen für Starkstromanlagen – Teil 4: Empfohlene Werte für die Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen für feste Verlegung in und an Gebäuden und von flexiblen Leitungen.

DIN VDE 0100-444 (VDE 0100-444):2010-10: Errichten von Niederspannungsanlagen–Teil 4-444: Schutzmaßnahmen – Schutz bei Störspannungen und elektromagnetischen Störgrößen.

Artigo originalmente publicado na revista alemã "ep - Elektropraktiker", edição 2/2015. Copyright Huss-Medien, Berlim. Publicado por EM sob licença dos editores. Tradução e adaptação de Celso Mendes.