5 PRINCIPAIS GERADORES DE HARMÔNICOS E SEUS EFEITOS PREJUDICIAIS EM APLICAÇÕES INDUSTRIAIS

EQUIPAMENTO QUE GERA HARMÔNICOS

Em aplicações industriais, os principais tipos de equipamentos que geram harmônicos são: conversores estáticos, fornos a arco, iluminação, reatores saturados e outros equipamentos, como máquinas rotativas que geram harmônicos.

Vamos falar sobre cada um dos geradores de harmônicos listados, cálculos e seus efeitos na rede industrial.

 

– Geradores de harmônicos:

• Conversores estáticos;
• Iluminação;
• Fornos a arco;
• Reatores Saturados;
• Máquinas rotativas.

– Modelo de cálculo

– Método de cálculo

– Principais distúrbios causados por correntes e tensões harmônicas

• Efeitos Instantâneos;
• Efeitos a longo prazo.

1. GERADORES DE HARMÔNICOS

 

1.1 Conversores estáticos em redes trifásicas

Pontes retificadoras e, em geral, conversores estáticos (compostos de diodos e tiristores) geram harmônicos. Por exemplo, para fornecer uma corrente CC perfeita, uma ponte Graetz requer uma corrente CA pulsada retangular quando a carga é altamente indutiva.

Apesar de suas formas de onda diferentes, as correntes a montante e a jusante do transformador conectado em estrela delta têm os mesmos componentes harmônicos característicos.

Os componentes harmônicos dos pulsos de corrente que fornece retificadores possuem ordens harmônicas n, como n = kp ± 1, onde:

 

• k = 1, 2, 3, 4, 5…
• p = número de braços retificadores, por exemplo:
  • Ponte de Graetz (p = 6)
  • Ponte de 6 pulsos (p = 6)
  • Ponte de 12 pulsos (p = 6)

Aplicando a fórmula, os retificadores p = 6 citados acima geram harmônicos de ordem 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25, etc. E os retificadores de p = 12 geram harmônicos 11, 13, 23, 25 etc.

Os harmônicos característicos são todos de número ímpar e suas correntes, quando se aproxima do caso ideal da figura 5, respeitam aproximadamente a relação de amplitude I_n = I₁/n onde I₁ é amplitude do fundamental. Isso significa que I₅ e I₇ terão as maiores amplitudes. Observe que eles podem ser eliminados usando uma ponte de 12 pulsos (p = 12).

Na prática, o espectro atual é um pouco diferente.

Novos harmônicos pares e ímpares, chamados harmônicos não característicos, de baixa amplitude, são criados e as amplitudes dos harmônicos característicos são modificados por vários fatores incluindo:

• Assimetria;
• Imprecisão nos tempos de disparo do tiristor;
• Tempos de comutação;
• Filtragem imperfeita.

Para pontes de tiristores, também pode ser observado um deslocamento dos harmônicos em função do ângulo de fase do tiristor.

Pontes mistas de diodo tiristorizado geram harmônicos uniformes. Eles são usados apenas em classificações baixas porque o segundo harmônico produz distúrbios graves e é muito difícil de eliminar. Outros conversores de energia, como conversores de ciclo, dimmers, etc., têm espectros mais ricos e variáveis que os retificadores.

Observe que algumas vezes são substituídos por retificadores usando técnica PWM. Esses dispositivos operam em altas frequências de corte (em torno de 20 kHz) e geralmente são projetados para gerar apenas baixos níveis de harmônicos.

As correntes harmônicas de vários conversores combinam-se vetorialmente nos barramentos de suprimento comuns. Suas fases são geralmente desconhecidas, exceto no caso de retificadores de diodo.

Portanto, é possível atenuar as harmônicas da 5ª e 7ª correntes usando duas pontes de diodo de 6 pulsos com carga igual, se os acoplamentos dos dois transformadores da fonte de alimentação foram cuidadosamente escolhidos, veja imagem a seguir.

1.2. Iluminação

Os sistemas de iluminação compostos por lâmpadas de descarga ou lâmpadas fluorescentes são geradores de correntes harmônicos.

Uma relação harmônica de terceiro grau pode até exceder 100% em certos casos de lâmpadas fluocompactas modernas. O condutor neutro, em seguida, carrega a soma das correntes harmônicas de terceira ordem das três fases, e pode, consequentemente, ser submetidos a um sobreaquecimento perigoso se não for adequadamente grande.

 

1.3. Fornos a arco

Os fornos a arco usados na indústria siderúrgica podem ser do tipo CA ou CC.

1.3.1 Fornos a arco CA

O arco é não linear, assimétrico e instável. Ele gera um espectro incluindo harmônicos ímpares e pares, assim como um espectro contínuo (ruído de fundo em todas as frequências).

O espectro depende do tipo de forno, da sua potência e da operação considerada (por exemplo, fusão, refino). Portanto, são necessárias medições para determinar o espectro exato.

 

 

1.3.2 Fornos a arco CC

O arco é fornecido através de um retificador e é mais estável do que o arco em fornos de corrente alternada. O desenho atual pode ser dividido em:

• Um espectro semelhante ao de um retificador;
• Um espectro contínuo menor que o de um forno de arco CA.

 

1.4. Reatores saturados

A impedância de um reator saturável varia com a corrente que flui através dele, resultando em considerável distorção de corrente.

 

1.5. Máquinas rotativas

Máquinas rotativas geram harmônicos de slots de alta ordem, geralmente de amplitude desprezível. No entanto, pequenas máquinas síncronas geram harmônicos de tensão de 3ª ordem que podem ter os seguintes efeitos prejudiciais:

• Aquecimento contínuo dos resistores de aterramento dos neutros do gerador;
• Mau funcionamento dos relés de corrente projetados para proteger contra falhas de isolamento.

 

2. MODELO DE CÁLCULO

Ao calcular distúrbios, conversores estáticos e fornos a arco são considerados geradores de corrente harmônica.

Em grande medida, as correntes harmônicas desenhadas pelo equipamento perturbador são independentes das outras cargas e da impedância geral da rede.

Portanto, essas correntes podem ser consideradas injetadas na rede pelo equipamento perturbador. É simplesmente necessário alterar arbitrariamente o sinal para que, para fins de cálculo, o equipamento perturbador possa ser considerado como fonte de corrente.

A aproximação é um pouco menos precisa para fornos a arco. Nesse caso, o modelo de fonte atual deve ser corrigido adicionando uma impedância paralela cuidadosamente selecionada. Também é possível levar em consideração as harmônicas de tensão existentes na conexão à rede upstream, usando o modelo equivalente de Norton. Observe a imagem abaixo.

Para cada ordem de UH, a corrente IH é calculada considerando Z e a impedância da rede a jusante.

 

3. MÉTODO DE CÁLCULO

Quando argumentos de corrente harmônica (mudança de fase) são conhecidos, o processamento vetorial pode ser usado. Para várias fontes perturbadoras monofásicas, pode ser interessante usar modelagem desequilibrada.

Quando as correntes harmônicas produzidas por fontes perturbadoras são conhecidas apenas por suas amplitudes, o relatório técnico IEC 61000-3-6 sugere um método para adicionar os efeitos dessas fontes.

 

4. PRINCIPAIS DISTÚRBIOS CAUSADOS POR CORRENTES E TENSÕES HARMÔNICAS

Correntes e tensões harmônicas sobrepostas a fundamental têm efeitos combinados em equipamentos e dispositivos conectados à rede de fornecimento de energia.

Os efeitos prejudiciais desses harmônicos dependem do tipo de carga encontrada e incluem:

 

4.1. Efeitos Instantâneos

Tensões harmônicas podem perturbar os controladores usados em sistemas eletrônicos. Eles podem, por exemplo, afetar as condições de comutação do tiristor, deslocando o cruzamento zero da onda de tensão.

Harmônicos podem causar erros adicionais nos medidores de eletricidade de disco de indução.

Os receptores de controle de ondulações, como os relés usados pelas concessionárias elétricas para o controle remoto centralizado, podem ser perturbados por harmônicos de tensão com frequências próximas à frequência de controle. Outras fontes de distúrbios que afetam esses relés, relacionadas à impedância harmônica da rede, serão discutidas mais adiante.

 

 4.1.1. Vibrações e Ruídos

As forças eletrodinâmicas produzidas pelas correntes instantâneas associadas às correntes harmônicas causam vibrações e ruídos acústicos, principalmente em dispositivos eletromagnéticos (transformadores, reatores, etc.).

O torque mecânico pulsante, devido aos campos rotativos harmônicos, pode produzir vibrações em máquinas rotativas.

 

4.1.2. Interferência nos circuitos de comunicação e controle (telefone, controle e monitoramento)

Os distúrbios são observados quando os circuitos de comunicação ou controle são executados ao longo dos circuitos laterais de distribuição de energia que transportam correntes distorcidas.

Os parâmetros que devem ser levados em consideração incluem:

• O comprimento da corrida paralela;
• A distância entre os dois circuitos;
• As frequências harmônicas (o acoplamento aumenta com a frequência).

 

4.2. Efeitos a longo prazo

Além da fadiga mecânica devido às vibrações, o principal efeito a longo prazo dos harmônicos é o aquecimento.

 

4.2.1. Aquecimento de capacitores

As perdas causadoras de aquecimento são devidas a dois fenômenos: condução e histerese dielétrica.

Como primeira aproximação, eles são proporcionais ao quadrado da corrente eficaz. Portanto, os capacitores são sensíveis a sobrecargas, devido a um excesso de correntes de ordem fundamental ou à presença de harmônicos de tensão.

Essas perdas são definidas pelo ângulo de perda δ do capacitor, que é o ângulo cuja tangente é a razão entre as perdas e a potência reativa produzida.

Valores em torno 10^(-4)  podem ser citados para tan (δ).

O calor produzido pode levar à quebra dielétrica.

4.2.2. Aquecimento devido a perdas adicionais em máquinas e transformadores

• Perdas adicionais nos estatores (cobre e ferro) e principalmente nos rotores (enrolamentos de amortecimento, circuitos magnéticos) das máquinas causadas pelas consideráveis diferenças de velocidade entre os campos rotativos indutores.
• Perdas suplementares em transformadores devido ao efeito da pele (aumento da resistência do cobre com frequência), histerese e correntes de Focault (no circuito magnético).

 

4.2.3. Aquecimento de cabos e equipamentos

As perdas são aumentadas nos cabos que transportam correntes harmônicas, resultando em aumento de temperatura. As causas das perdas adicionais incluem:

• Aumento no valor eficaz da corrente para uma energia ativa igual consumida;
• Aumento no valor aparente da resistência do núcleo com frequência, devido ao efeito skin;
• Aumento das perdas dielétricas no isolamento com frequência, se o cabo estiver sujeito a distorção de tensão não desprezível;
• Fenômenos relacionados à proximidade de condutores com relação ao revestimento e blindagem de metal aterrados nas duas extremidades do cabo, etc. Os cálculos para o estado estacionários podem ser realizados conforme descrito na IEC 60287.

De um modo geral, todos os equipamentos elétricos (quadros elétricos) sujeitos a harmônicos de tensão ou através dos quais as correntes harmônicas fluem, exibem maiores perdas de energia e devem ser reduzidos, se necessário.

Por exemplo, um cubículo alimentador de capacitor deve ser projetado para uma corrente igual a 1,3 vezes a corrente de compensação reativa. Este fator de segurança não leva em consideração o aumento do aquecimento devido ao efeito skin nos condutores.

A distorção harmônica de correntes e tensões é medida usando analisadores de espectro, fornecendo a amplitude de cada componente. É importante usar sensores de corrente ou tensão com largura de banda suficiente para as frequências medidas.

 

O valor eficaz da corrente distorcida (ou tensão) pode ser avaliado de três maneiras:

1. Medição usando um dispositivo projetado para fornecer o verdadeiro valor eficaz;
2. Reconstituição com base no espectro fornecido pela análise espectral;
3. Estimativa a partir de uma exibição do osciloscópio.

 

Fonte: EA – Engenheiros Associados

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