OTIMIZANDO UM SISTEMA DE SOM
PARTE 4: A Rede Elétrica

Elétrica

 Jorge Knirsch

Introdução

Esta série de artigos, que se iniciou em dezembro de 1999 e foi publicada a cada dois meses, tem como principal objetivo transmitir a você, caro leitor audiófilo, alguns conhecimentos básicos sobre a reprodução eletrônica da música. Conhecendo-os, você poderá empregá-los aí na sua sala de audição e assim dar mais alguns passos à frente para conseguir obter e desfrutar do melhor resultado sonoro possível para o seu sistema. A acústica da sala, por exemplo, é um fator que não tem recebido a importância devida, uma vez que exerce uma enorme influência sobre o resultado sonoro. Já falamos sobre isto nas revistas de dezembro de 99 e março de 00. Entre todos os elementos que influenciam a reprodução sonora, a acústica é o mais importante para o resultado final. Chego a afirmar, com um certo exagero e uma boa dose de humor, que a acústica é mais importante do que o próprio equipamento eletrônico em si. Aliás, o que mais influencia uma reprodução sonora de qualidade não é o equipamento de som utilizado, mas sim dois fatores externos a toda a aparelhagem: a acústica e a qualidade da rede elétrica que chega às nossas casas. Inclusive o próximo elemento de maior influência na reprodução sonora, também é externo aos equipamentos, ou seja, o aterramento.
          No último artigo, começamos a falar da nossa rede elétrica, que ainda é um grande problema nacional. Isso porque a energia elétrica tem chegado até nós muito contaminada, apresentando não apenas aquela onda senoidal de 60 Hz, pura, gerada nas hidroelétricas, mas juntamente com ela muitas outras ondas indesejáveis, que ao longo do caminho têm sido indevidamente acrescentadas à rede, tudo por falta de uma legislação mais eficiente aqui no nosso Brasil (lá fora, nos países de primeiro mundo, isto não acontece!). Desta forma, a energia elétrica se torna um fator de influência negativa para a qualidade da nossa reprodução sonora, pois ela pode ser audível! Sem mencionar os problemas mais sérios que têm acontecido, como variações muito fortes na tensão, ou oscilações intermitentes, que vira e mexe chegam até a danificar os aparelhos. Vamos portanto tratar destes problemas ainda nos próximos artigos e sugerir soluções.
          No início da nossa revista, quando ela ainda se chamava “Clube do Áudio de Som Hi-Fi”, publiquei uma série intitulada “E a rede elétrica, você consegue ouvi-la?”. Esta série saiu em quatro partes, onde tratei do assunto de forma bastante abrangente. Temos constatado que hoje este assunto continua atualíssimo!

© 2004-2008 Jorge Bruno Fritz Knirsch
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Como a Energia Elétrica é Gerada?

Quando falamos que estamos gerando energia elétrica, não queremos dizer com isto que estamos dando origem a esta energia. De fato nós não temos a capacidade de gerar nenhuma forma de energia. O que fazemos é observar a energia que já está presente na natureza, como por exemplo no calor do sol, no calor do vapor, nos ventos (energia eólica), nas quedas d’água, etc. e, a partir daí, criamos um jeito de transformar alguma destas formas de energia já existentes, em uma outra forma mais adequada ao nosso propósito. Assim, por exemplo, pegamos a energia liberada na fissão do urânio radioativo e a transformamos em energia elétrica. Isto é o que acontece nas usinas nucleares. Já nas usinas termoelétricas, utilizamos a queima de óleo para conseguirmos obter eletricidade. Aqui no Brasil, o método usualmente mais empregado tem sido o da transformação da energia mecânica das quedas d’água em energia elétrica. Apesar das hidroelétricas exigirem altos investimentos para serem instaladas, elas têm sido ideais para nós, pois nos têm proporcionado a energia elétrica mais barata que poderíamos conseguir. Graças a Deus temos quedas d’água em abundância!
          Todos estes três tipos de usinas (nucleares, termoelétricas e hidroelétricas) geram a energia elétrica na forma de uma corrente elétrica alternada e trifásica, com uma tensão por conseguinte também alternada e trifásica. Para que vocês possam entender isto com clareza, vamos fazer uma comparação entre a rede elétrica e a rede hidráulica: a corrente elétrica que passa pelo fio corresponderia ao volume de água que passa pelo cano, numa certa unidade de tempo. Já o conceito de tensão se refere à pressão que esta água estaria exercendo sobre o cano ao passar por ele, ou seja, seria a força com que a água passa pelo cano. Só que, na rede elétrica, tanto a corrente quanto a tensão não são uniformes no tempo, mas variam, se alternando 60 vezes por segundo, porque foram geradas na freqüência de 60 Hz. Graficamente, podemos ver como isto se dá, pela Fig 1.

Fig 1. Forma alternada, senoidal, da tensão elétrica (ou da corrente)

 Como vocês podem ver, a onda senoidal tem picos positivos e negativos (no fluxo e contra-fluxo), de mesmo valor absoluto. Nós dividimos este valor pelo fator 1,414 (que é o valor da raiz de 2), para obtermos o que chamamos de valor eficaz, tanto para a tensão quanto para a corrente.
          As tensões eficazes que chegam às nossas casas podem ser: 110V, 115V, 120V, 127V e/ou 220V ou 230V. No entanto, as tensões 110V e 220V estão caindo em desuso.
          Como o sistema elétrico é trifásico, ele é composto por três fios de tensões, chamados de fases, contra um quarto fio, o neutro, aterrado pela concessionária e também pelo usuário (não confundir com o terceiro pino, que é o terra.). Cada uma das três fases possui a mesma tensão senoidal, porém elas são defasadas umas das outras em 1/3 do período (que é de 16,7 milisegundos), ou seja, elas são defasadas em 120 graus (um terço de 360 graus, que é a volta inteira).
          Esta energia gerada nas usinas é levada através de linhas de transmissão aos grandes centros urbanos onde, em potentes subestações, é transformada nas tensões que recebemos em nossas casas.

A nossa Rede Elétrica e suas Aberrações

Bem, a energia foi gerada, ou melhor, transformada em energia elétrica. Na sua origem lá na usina, esta energia é a mais pura possível, ou seja, tanto a tensão como a corrente se apresentam bem próximas da onda senoidal. Mas, a partir daí as coisas mudam, e muito! Vamos verificar o que acontece. Quando a energia, através das linhas de distribuição, chega às subestações, sua tensão é abaixada e a partir daí ela é distribuída pela rede pública, tanto para as indústrias como para as nossas residências. Observamos que, quando esta energia é utilizada, aí é que surgem as contaminações. Qualquer aparelho que necessite de energia elétrica para o seu funcionamento acaba sujando a rede, em menor ou em maior escala. Na eletricidade, um aparelho elétrico é considerado como uma “carga” justamente porque ele, quando entra em funcionamento, gera interferências (os harmônicos) que provocam distorções na onda senoidal da rede, alterando-a. Na verdade, os harmônicos são ondas senoidais também, porém em múltiplos da freqüência da rede, de ordem ímpar, que invadem a rede elétrica e se propagam por ela, poluindo-a. Observe as diversas figuras a seguir, que nos mostram esta poluição, através das alterações da onda senoidal da rede elétrica, tanto na tensão como na corrente:

Fig. 2— Tensão e corrente de rede elétrica em um dado instante

As cargas que geram menor poluição são as cargas resistivas, como por exemplo um aquecedor e as torradeiras de pão das nossas casas, entre outras. As cargas que possuem motores geram uma poluição razoável, mas as piores cargas, normalmente localizadas nas indústrias, são as que possuem componentes eletrônicos não lineares, como os tiristores, diodos, triacs e outros componentes que são utilizados em aparelhos como retificadores, inversores e conversores, fontes chaveadas (c0mputadores) pois são estes os maiores poluidores da rede elétrica. Eles geram muitos harmônicos, em várias freqüências e em níveis elevados.
          Infelizmente no Brasil não há uma legislação severa que impeça a indústria de poluir a rede elétrica, como ocorre na Europa ou nos Estados Unidos. Em conseqüência, aqui, quando você pega um osciloscópio para verificar a onda de tensão da entrada de uma máquina que consome uma potência razoável, descobre que ela já está muito alterada, contendo várias oscilações e garranchos, devido à poluição dos harmônicos que estão sobre ela.

Fig 3— Curva de tensão na entrada de retificador

Não bastasse toda esta distorção causada pelos harmônicos, ainda existem outras também espúrias na nossa rede elétrica. Uma delas, bem simples de se entender, é o “spike”, que surge ao ligarmos uma chave de um aparelho qualquer. Nesta hora, surge um degrau na onda senoidal de tensão da rede, também chamado de transiente ou transitório. Como milhões de aparelhos são ligados a todo instante, não é de se admirar tantas irregularidades na onda senoidal da nossa rede!

Fig. 4— Curvas de tensão e corrente

Fig. 5 — Curvas de tensão e corrente em controles de velocidade de motores

As cargas elétricas atmosféricas também podem se tornar bem problemáticas para nós, quando entram diretamente na rede, introduzindo altas tensões, pois chegam até a destruir os aparelhos. Mesmo quando apenas caem perto da rede, essas cargas elétricas já podem causar grandes estragos aos equipamentos.

Outra distorção que afeta muito o nosso resultado sonoro é o que chamamos de “fator de potência”. Aliás, esta denominação não é muito feliz, pois em nada tem a ver com potência. Vamos explicar o que isso de fato vem a ser: quando a energia é gerada numa usina, a tensão está em fase com a corrente elétrica. Percebam na Fig.6 como as curvas senoidais da tensão e da corrente estão sobrepostas. Isto porque a corrente e a tensão estão em fase. Porém as cargas, principalmente as indutivas, como os motores elétricos, alteram esta situação.

Fig 6- Curvas senoidais de tensão e corrente elétrica em fase.

Os motores fazem a corrente elétrica se atrasar em relação à tensão. Vejam isto na Fig 7.

Fig 7 – Defasagem q entre tensão e corrente elétrica, causada principalmente por motores elétricos, ou seja, por cargas indutivas.

Este atraso é real no tempo e é medido em q (um ângulo). A função trigonométrica co-seno aplicada ao ângulo q se chama “fator de potência”. 

Quando a tensão e a corrente estão em fase, o fator de potência é igual a 1. Quando a corrente se atrasa em relação à tensão, o fator de potência diminui, tendendo a zero, se a defasagem chegar a 90°.

Conclusão

Vimos neste artigo que a geração de energia elétrica ocorre nas usinas transformadoras de energia: nucleares, termoelétricas e hidroelétricas. Na sua origem, tanto a tensão quanto a corrente elétrica são bastante puras, mas acabam sofrendo todo tipo de degradação junto às cargas elétricas dos consumidores. As grandes vilãs da nossa história são portanto as cargas elétricas, ou seja, todo tipo de aparelho que necessita de energia elétrica para funcionar, incluindo-se aqui o nosso próprio equipamento de som! Estas cargas geram os harmônicos, que são as piores distorções da rede elétrica, além de gerarem também defasagens entre a tensão e a corrente elétrica. As piores cargas, as que mais poluem e geram mais harmônicos, estão nas indústrias, em equipamentos elétricos que se utilizam de retificadores, conversores e inversores. Além destas distorções, existem as descargas atmosféricas, que também criam sérias interferências na rede. Todas essas anomalias prejudicam o nosso som, deteriorando a boa reprodução sonora. E o que podemos fazer? Isso veremos com detalhes nos próximos artigos.
          Um abraço a todos e ... boa audição!

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