Frequência elétrica
A frequência elétrica é a frequência nominal das oscilações de corrente alternada (CA) em uma rede síncrona de transmissão de uma usina elétrica ao consumidor. Na maior parte do mundo, a frequência é de 50 Hz, embora em boa parte das Américas e em alguns países da Ásia essa frequência tipicamente seja de 60 Hz. O uso atual por país ou região é fornecido na lista de eletricidade doméstica por país.
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Vários fatores influenciam a escolha da frequência em um sistema de corrente alternada. iluminação, motores, transformadores, geradores e linhas de transmissão têm características dependentes da frequência de energia. Todos esses fatores interagem entre eles e tornam a seleção de uma frequência de potência uma questão de considerável importância. A melhor frequência é um compromisso entre requisitos contraditórios. No final do século XIX, os projetistas costumavam escolher uma frequência relativamente alta para sistemas com transformadores e luzes a arco voltaico, para economizar em materiais de transformadores e reduzir a oscilação visível das lâmpadas, mas escolhiam uma frequência mais baixa para sistemas com longas linhas de transmissão ou que alimentavam principalmente cargas de motores ou conversores rotativos para produzir corrente contínua . Quando as grandes centrais geradoras tornaram-se viáveis, a escolha da frequência foi feita com base na natureza da carga pretendida. Eventualmente, melhorias no projeto das máquinas permitiram que uma única frequência fosse usada tanto para iluminação quanto para motores. Os sistemas unificados melhoraram a economia da produção de eletricidade, uma vez que a carga do sistema tornou-se mais uniforme durante o curso do dia.
Iluminação
As primeiras aplicações da energia elétrica comercial foram a iluminação com lâmpadas incandescentes e os motores elétricos do tipo comutador. Ambos os dispositivos operam bem em corrente contínua, mas a corrente contínua não podia ser facilmente alterada em voltagem (o que na corrente alternada se resolve com transformadores) e geralmente era produzida apenas na voltagem de utilização requerida na rede. Se uma lâmpada incandescente for operada com uma corrente de baixa frequência, o filamento esfria a cada meio ciclo da corrente alternada, levando a uma mudança perceptível no brilho e causando tremulação das lâmpadas; o efeito é mais pronunciado com lâmpadas a arco voltaico, e com tecnologias posteriores, tais como as lâmpadas de vapor de mercúrio e lâmpadas fluorescentes. As lâmpadas de arco aberto emitiam um zumbido audível na corrente alternada, levando a experimentos com alternadores de alta frequência para elevar o som acima da faixa da audição humana.
Máquinas rotativas
Os motores do tipo comutador não funcionam bem em corrente alternada de alta frequência, porque as mudanças rápidas de corrente são opostas pela indutância do campo do motor. Embora os motores universais do tipo comutador sejam comuns em eletrodomésticos e ferramentas elétricas CA, eles são de menor potência elétrica, com menos de 1 kW. Verificou-se que o motor de indução funciona bem em frequências entre 50 e 60 Hz, mas com os materiais disponíveis na década de 1890 não funcionaria bem com uma frequência de 133 Hz. Existe uma relação fixa entre o número de polos magnéticos no campo do motor de indução, a frequência da corrente alternada e a velocidade de rotação; portanto, uma determinada velocidade-padrão limita a escolha da frequência e vice-versa. Depois que os motores elétricos CA tornaram-se comuns, era importante padronizar a frequência para garantir a compatibilidade com o equipamento do consumidor.
Transmissão e transformadores
Com a CA, os transformadores podem ser usados para reduzir as altas tensões de transmissão e reduzir a tensão para utilização pelos consumidores finais. O transformador é efetivamente um dispositivo de conversão de tensão sem partes móveis e exigindo pouca manutenção. O uso de corrente alternada eliminou a necessidade de geradores de motores de conversão de tensão CC que requerem manutenção e monitoramento regulares. Como, para um determinado nível de potência, as dimensões de um transformador são aproximadamente inversamente proporcionais à frequência, um sistema com muitos transformadores seria mais econômico a uma frequência mais alta. A transmissão de energia elétrica em linhas de longa extensão é favorecida na operação com frequências mais baixas. Os efeitos da capacitância distribuída e da indutância da linha são menores em baixa frequência.
Interconexão de sistemas
Os geradores só podem ser interconectados para operar em paralelo se tiverem a mesma frequência e formato de onda. Ao padronizar a frequência usada, os geradores em uma área geográfica podem ser interconectados em uma rede de transmissão, proporcionando maior confiabilidade e redução de custos.
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Muitas frequências elétricas diferentes foram usadas no século XIX. Os esquemas iniciais de geração de energia em corrente alternada isolados usavam frequências arbitrárias com base na conveniência de projetos de utilização de motores a vapor, turbinas hidráulicas e geradores elétricos. Frequências entre 16,7 Hz e 133,3 Hz foram utilizados em diferentes sistemas. Por exemplo, a cidade de Coventry, na Inglaterra, em 1895, possuía um sistema único, monofásico com frequência de 87 Hz, que esteve em uso até 1906. A proliferação de frequências surgiu do rápido desenvolvimento de máquinas elétricas no período de 1880 a 1900. Embora existam muitas teorias e muitas lendas urbanas, há pouca certeza nos detalhes da história da "guerra" entre as frequências de 60.Hz e 50 Hz. A empresa alemã AEG (sucessora de uma empresa fundada por Edison na Alemanha) construiu a primeira instalação geradora alemã com 50 Hz. Na época, a AEG possuía um monopólio na prática e seu padrão se espalhou para o resto da Europa. A decisão por essa frequência se deu após a observação do piscar das lâmpadas que funcionavam no sistema de 40 Hz operada durante a Exposição Internacional de Eletricidade, a AEG elevou sua frequência padrão para 50 Hz em 1891.
As origens do padrão de 25 Hz
Os primeiros geradores do projeto nas Cataratas do Niágara, construídos por Westinghouse em 1895, usavam 25 Hz, porque a velocidade da turbina já havia sido definida antes que a transmissão em corrente alternada tivesse sido definitivamente selecionada. A Westinghouse teria selecionado uma frequência baixa – 30 Hz – para acionar os motores, mas as turbinas do projeto já haviam sido especificadas em 250 RPM. As máquinas poderiam ter sido feitas para funcionar em 16,67 Hz, frequência adequada para motores pesados de tipo comutador, mas a empresa Westinghouse opôs-se, declarando que isso seria indesejável para uso em iluminação e sugeriu 33,3 Hz. Eventualmente, chegou-se a compromisso com a escolha de equipamento operando a 25 Hz, com geradores de 12 polos a 250 RPM. O projeto de Niágara foi tão influente em projetos posteriores de sistemas de energia elétrica, que a frequência de 25 Hz prevaleceu como padrão norte-americano para CA de baixa frequência.
As origens do padrão de 40 Hz
Um estudo da General Electric concluiu que o uso da frequência 40 Hz representaria um bom compromisso entre as necessidades de iluminação, motores e transmissão, dados os materiais e equipamentos disponíveis no primeiro quartel do século XX. Vários sistemas operando em 40 Hz foram construídos. A demonstração na Exposição Internacional de Eletricidade de Lauffen a Frankfurt usou um sistema de 40 Hz para transmitir energia a 175 km de distância em 1891. Também existiu uma grande rede interconectada operando em 40 Hz no nordeste da Inglaterra (através da Newcastle-upon-Tyne Electric Supply Company, NESCO) até o advento de rede nacional de energia no Reino Unido no final da década de 1920 e projetos na Itália usaram 42 Hz. A usina hidrelétrica comercial mais antiga em operação contínua nos Estados Unidos, a Usina Hidrelétrica de Mechanicville no estado de Nova Iorque, ainda produz energia elétrica a 40 Hz e fornece energia para a rede local em 60 Hz através de conversores de frequência. Indústrias e minas na América do Norte e na Austrália em certos casos também funcionaram com sistemas elétricos operando em 40 Hz que foram mantidos até deixarem de ser economicamente viáveis. Embora frequências próximas a 40 Hz tenham encontrado uso comercial, estes foram desconsiderados pelo uso cada vez maior das frequências padronizadas de 25, 50 e 60 Hz, preferidos pelos fabricantes de equipamentos de maior volume.
Padronização
Nas anos iniciais da eletrificação, foram usadas tantas frequências que nenhum valor único prevaleceu (em 1918, Londres usava dez frequências diferentes). À medida que o século XX avançou, houve progressiva padronização em 60 Hz (grande parte das Américas) ou em 50 Hz (Europa, África e grande parte da Ásia). A padronização permitiu e facilitou o comércio internacional de equipamentos elétricos. Muito mais tarde, o uso de frequências padrão permitiu a interconexão de redes elétricas. Entretanto, somente após a Segunda Guerra Mundial - com o advento de bens de consumo elétricos acessíveis - que a uniformização dos padrões ocorreu de forma efetiva.
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Outras frequências elétricas ainda são usadas. Alemanha, Áustria, Suíça, Suécia, Noruega usam sistemas de tração para ferrovias, com distribuição em CA monofásica operando em 16,7 Hz. A frequência de 25 Hz é usada na ferrovia austríaca de Mariazell, bem como nos sistemas de tração da Amtrak e da SEPTA nos Estados Unidos. Outros sistemas ferroviários em corrente alternada são energizados com base na frequência de energia comercial local; isto é, de 50 Hz ou 60 Hz. A energia para tração pode ser derivada de fontes de alimentação comerciais por conversores de frequência ou, em alguns casos, pode ser produzida por centrais de tração dedicadas. No século XIX, frequências tão baixas quanto 8 Hz foram utilizadas para operação de ferrovias elétricas com motores de comutador. Algumas tomadas em trens fornecem a tensão correta, mas usando a freqüência da rede ferroviária original, como 16,7 Hz.
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O uso de frequências elétricas tão altas quanto 400 Hz ocorre em em aeronaves, espaçonaves, submarinos, salas de servidores para alimentação de computadores, equipamentos militar e máquinas-ferramentas portáteis. Essas altas frequências não podem ser transmitidas de forma viável economicamente por longas distâncias; o aumento da frequência aumenta bastante a impedância em série devido à indutância das linhas de transmissão, dificultando a transmissão de energia. Consequentemente, os sistemas de energia a 400 Hz geralmente são confinados a um edifício ou veículo. Os transformadores, por exemplo, podem ser menores, porque o núcleo magnético pode ser muito menor para o mesmo nível de potência. Os motores de indução giram a uma velocidade proporcional à frequência; portanto, uma fonte de alimentação de alta frequência permite obter mais energia para o mesmo volume e massa do motor. Transformadores e motores para 400 Hz são muito menores e mais leves do que os empregados em 50 ou 60 Hz, o que é uma vantagem em aeronaves e navios.
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Correção de erro de tempo (TEC)
A regulação da frequência do sistema elétrico para a precisão do uso de relógios não era comum até 1916, até a a invenção de Henry Warren do relógio elétrico e do motor síncrono de partida automática. Tesla demonstrou o conceito de relógios sincronizados por frequência elétrica na Exposição Universal de 1893 em Chicago. Os órgãos Hammond também depende de um motor de relógio síncrono em corrente alternada para manter a velocidade correta de seu gerador interno de "tone wheel", mantendo todas as notas perfeitas, com base na estabilidade de frequência da linha de força. Hoje, as empresas distribuidoras de energia elétrica regulam a frequência média diária para que os relógios permaneçam com diferença de poucos segundos em relação ao tempo correto. Na prática, a frequência nominal é aumentada ou reduzida em uma porcentagem específica para manter a sincronização. Ao longo de um dia, a frequência média é mantida no valor nominal dentro de algumas centenas de partes por milhão. Na grade síncrona da Europa Continental, o desvio entre o tempo da fase da rede e o Tempo Universal Coordenado (UTC) (com base no tempop atômico internacional) é calculado às oito horas da manhã todos os dias em um centro de controle na Suíça. A frequência-alvo é então ajustada em até ± 0,01 Hz (± 0,02%) de 50 Hz, conforme necessário, para garantir uma média de frequência de longo prazo de exatamente 50 Hz × 60 s/min × 60 min/h × 24 h/d = 4320000 ciclos por dia. Na América do Norte, sempre que o erro excede 10 segundos para a Costa Leste, 3 segundos para o Texas ou 2 segundos para a Costa Oeste, uma correção de ± 0,02 Hz (0,033%) é aplicada. As correções de erro de tempo começam e terminam na hora ou na meia-hora.
Regulamentos dos EUA
Nos Estados Unidos, a Comissão Federal de Regulamentação de Energia (FERC) tornou obrigatória a correção de erros de tempo em 2009. Em 2011, a North American Electric Reliability Corporation (NERC) discutiu um experimento proposto que relaxaria os requisitos de regulação de frequência para redes elétricas, o que reduziria a precisão a longo prazo de relógios e outros dispositivos que usam a freqüência de rede de 60 Hz como base para manter a precisão da marcação do tempo.
Frequência e carga
A principal razão para o controle preciso da frequência é permitir o controle do fluxo de corrente alternada de vários geradores através da rede. A tendência na frequência do sistema é uma medida da incompatibilidade entre demanda e geração e é um parâmetro necessário para o controle de carga em sistemas interconectados. A frequência do sistema varia conforme a mudança da carga e da geração. Aumentar a energia de entrada mecânica para qualquer gerador síncrono individual não afetará muito a frequência geral do sistema, mas produzirá mais energia elétrica a partir dessa unidade. Durante uma sobrecarga severa causada por disparos ou falhas de geradores ou linhas de transmissão, a frequência do sistema de energia diminui devido a um desequilíbrio entre carga e geração. A perda da interconexão ao exportar energia (em relação à geração total do sistema) fará com que a frequência do sistema aumente a montante da perda, mas pode causar um colapso a jusante da perda, pois a geração não estará mais acompanhando o ritmo do consumo. O controle automático de geração (AGC) é usado para manter a freqüência programada e trocar fluxos de energia. Os sistemas de controle nas centrais elétricas detectam alterações na frequência em toda a rede e ajustam a entrada de energia mecânica nos geradores de volta à frequência-alvo. Essa neutralização geralmente leva algumas dezenas de segundos devido às grandes massas rotativas envolvidas (embora as grandes massas sirvam para limitar a magnitude das perturbações de curto prazo). Mudanças temporárias de frequência são uma consequência inevitável da mudança na demanda. A frequência da rede elétrica excepcional ou em rápida mudança geralmente é um sinal de que uma rede de distribuição de eletricidade está operando perto de seus limites de capacidade, exemplos dramáticos dos quais às vezes podem ser observados pouco antes de grandes interrupções. Grandes estações geradoras, incluindo fazendas solares, podem reduzir sua produção média e usar o espaço livre entre a carga operacional e a capacidade máxima para auxiliar no fornecimento de regulação da rede; A resposta dos inversores solares é mais rápida que os geradores, porque eles não têm massa rotativa. Como recursos variáveis, as energias solar e eólica, substituem a geração tradicional e a inércia que eles fornecem, os algoritmos tiveram que se tornar mais sofisticados. Os sistemas de armazenamento de energia, como as baterias, também estão cumprindo a função de regulamentação em um grau crescente.
Controle de frequência de carga
O controle de frequência de carga (LFC) é um tipo de controle integral que restaura a frequência do sistema e os fluxos de energia para as áreas adjacentes de volta aos seus valores antes de uma mudança na carga. A transferência de energia entre diferentes áreas de um sistema é conhecida como "energia líquida da linha de amarração". O algoritmo de controle geral para LFC foi desenvolvido por Nathan Cohn em 1971. O algoritmo envolve a definição do termo erro de controle de área (ACE), que é a soma do erro de energia da rede de ligação e o produto do erro de frequência com uma constante de viés de frequência. Quando o erro de controle de área é reduzido a zero, o algoritmo de controle retorna os erros de frequência e de potência da linha de amarração a zero.
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Aparelhos alimentados em corrente alternada podem emitir um zumbido característico, geralmente chamado de "zumbido elétrico", nas múltiplas frequências de energia CA utilizadas (magnetostrição. Geralmente esse zumbido é produzido por laminações no núcleo dos motores e transformadores, que vibram em uníssono com o campo magnético. Esse zumbido também pode aparecer em sistemas de áudio, quando o filtro da fonte de alimentação ou a blindagem do sinal do amplificador não é adequada. A maioria dos países escolheu a taxa de sincronização vertical dos padrões de transmissão de televisão para se aproximar da frequência da fonte de alimentação local. Isso ajudou a impedir que o zumbido da linha de energia e a interferência magnética causassem oscilação ou lampejamento na imagem exibida dos receptores analógicos. Outro uso desse efeito colateral é como ferramenta de investigação forense. Quando uma gravação é feita capturando áudio próximo a um aparelho ou tomada em corrente alternada, o zumbido também é incidentalmente gravado. Os picos do zumbido repetem-se a cada ciclo de CAe (a cada 20 ms em 50 Hz AC, ou a cada 16.67 ms para 60 Hz AC). Qualquer edição de áudio que não seja uma multiplicação do tempo entre os picos distorcerá a regularidade, causando uma diferença de fase. Uma análise da onda de áudio mostrará as descontinuidades que podem dizer se o áudio foi ou não cortado.
