Tudo que você precisa saber sobre distorções harmônicas – Parte 2

Se você já leu o post “Tudo que você precisa saber sobre distorções harmônicas – Parte 1” está pronto para entender como e porque surgem essas distorções. Então vamos lá?

 

A distorção harmônica surge devido à presença de elementos não lineares no sistema de potência, na rede ou nas cargas. A distorção principal é devido às cargas-eletrônicas como cargas de computadores, televisores, lâmpadas economizadoras de energia. Tais cargas podem ser encontradas em números crescentes entre os clientes domésticos e comerciais que conduzem a um aumento do nível de distorção na rede.

 

Também unidades de velocidade ajustáveis e fornos a arco são famosos pela distorção que eles causam. Mas essas cargas são encontradas principalmente com grandes clientes industriais, onde os métodos de mitigação são aplicados para limitar a distorção da tensão resultante. Por isso, a distorção de tensão resultante é determinada principalmente por pequenas cargas não lineares e não pelas grandes, apesar de grandes cargas não lineares por vezes causam problemas locais. A variação diária da distorção harmônica mostra claramente o padrão de ocupação doméstica, principalmente por televisores.

 

Distorção inter-harmônicas estão muito mais relacionadas às cargas industriais, assim como o componente de ruído de distorção de forma de onda. Bancos de capacitores são muitas vezes erradamente referidos como uma fonte de distorção harmônica, mas eles não são uma causa de distorção harmônica, e sua ressonância com impedâncias (principalmente transformadores) conduz a uma amplificação das correntes harmônicas e tensões geradas pelas cargas não lineares.

 

A análise de harmônicas prevê a distorção harmônica em um ou mais locais na rede de energia e pode ser feito para estimar o efeito de uma carga não linear novo ou da instalação de um filtro de harmônicas. Os dois principais métodos de análise são: estudo no domínio do tempo e o estudo no domínio de frequência.

 

No estudo no domínio do tempo o sistema (isto é, da rede e a carga) é modelado em detalhe, resultando em formas de onda real. As componentes harmônicas são obtidas pela aplicação de uma transformada de Fourier para as formas de onda. Já no domínio da frequência o estudo é separado para cada componente de frequência. Cada modelo de frequência único é relativamente simples, pois só precisa ser válido para aquela frequência específica. Os modelos resultantes são o mesmo que são utilizados para análise de frequências fundamentais resultando em tensões e correntes complexos. A principal diferença, e também a principal dificuldade neste método, é na escolha dos valores de impedância.

 

O termo ‘Análise harmônica’ é normalmente utilizado para o segundo método, mas o primeiro método irá igualmente resultar em um espectro de harmônicas. A razão por que o segundo método é mais usado é a sua simplicidade, onde a não linearidade é restrita a um número limitado de componentes (na maioria dos casos cargas) e que a forma de onda corrente de um componente não linear não é significativamente afetada pela forma de onda de tensão.

 

As consequências causadas por distorção de tensão harmônica são muitas, e em cargas lineares são geradas correntes harmônicas que podem prejudicar a carga. Um dos efeitos mais críticos é quando se tem harmônicos de baixa ordem nos terminais de máquinas rotativas. Estas máquinas são projetadas para uma quantidade máxima de desequilíbrio na tensão, e os componentes harmônicos diminuem a imunidade da máquina rotativas na presença de desequilíbrio nas tensões, e quando se tem sequência negativa, o efeito é o mesmo. É importante ressaltar que harmônicos de baixa ordem afetam as máquinas rotativas enquanto que harmônicos de alta ordem prejudicam bancos de capacitores.

 

Cargas eletrônicas sensíveis são afetas pela distorção harmônica. O efeito mais comum é a passagem por zero, repetidas vezes. Outro efeito também relacionado é a diminuição da eficiência de retificados devido à diminuição do pico da forma de onda. No entanto, no aumento da tensão de pico pode existir um desgaste da isolação.

 

Os efeitos de correntes harmônicas geram sobreaquecimento em componentes como linhas de transmissão e transformadores. A temperatura é proporcional a corrente harmônica RMS. Dessa forma, quanto mais harmônicos, maior será o aquecimento desses componentes.

 

Em instalações monofásicas grandes, tais como escritórios, o terceiro harmônico é muito presente devido ao grande uso de computadores e lâmpadas econômicas. Esses harmônicos podem causar uma sobrecarga no neutro, principalmente se o neutro é projetado para não ter correntes muito significativas.

 

Por outro lado, a atenuação de harmônicos é vista como a diminuição de harmônicos de tensão e corrente. Uma alternativa a isso é a utilização de motores e transformadores, usando uma potência menor que a sua potência máxima, apesar de financeiramente não ser uma opção viável.

 

A forma mais comum de atenuação de harmônicos é a utilização de filtros passiveis. Esses filtros não permitem que os harmônicos se espalhem pela rede. As vantagens incluem o baixo custo e a fácil instalação. Entre as desvantagens está a entrada em ressonância e também a sobrecarga. Uma alternativa a esse tipo de filtro são os filtros ativos, que detectam os harmônicos e atuam na rede de forma a retira esses harmônicos, que podem ser de corrente ou tensão.

 

Outros métodos de atenuação incluem a melhoria nas redes, melhoria nas cargas com uma menor emissão de harmônicos e o aumento da robustez harmônica. Existem muitas normas referentes à distorção harmônica, tais como as da ANEEL (Agencia nacional de Energia Elétrica), e normas internacionais tais como a IEC e o IEEE. Pode-se notar que a norma IEC visa consumidores residência enquanto que a norma do IEEE visa grandes consumidores industriais. A ideia principal dessas normas, apesar de algumas diferenças, é apenas uma: a atenuação de harmônicos na rede.

 

Mas fica a questão sobre qual o nível “ideal” de harmônicos na rede. Muitos estudos estão sendo desenvolvidos de maneira a tornar os parâmetros mais palpáveis e sobre a relação a conversores estáticos de potência utilizando com controle PWM. Esses conversores utilizam chaves semicondutoras para a geração de forma de ondas anti-harmônicas, que dessa forma anulam as distorções harmônicas presentes.

 

*Material baseado no texto de Alex Soto da Silva – Universidade Federal do ABC (UFABC)

Fonte: EA – Engenheiros Associados