Correção Fator de Potência / Bancos de Capacitores / Iluminação

HARMÔNICAS - RETIFICADORES com FILTRO CAPACITIVO

2.4 CAUSAS de HARMÔNICAS - Retificadores com Filtro Capacitivo

Conforme já foi visto, a grande parte dos equipamentos eletrônicos possui um estágio de entrada constituído por um retificador monofásico com filtro capacitivo. Este tipo de circuito produz correntes na rede de forma impulsiva, centradas aproximadamente no pico da onda senoidal. O circuito está mostrado na figura 1.

Figura 1 - Retificador monofásico com filtro capacitivo.

Na figura 2 têm-se formas de onda da tensão e da corrente, obtidas por simulação, bem como o espectro da corrente. Nota-se a grande amplitude das harmônicas, produzindo, certamente, uma elevada THD.

(a) (b)

Figura 2 - (a) Corrente de entrada e tensão de alimentação de retificador alimentando filtro capacitivo. (b) Espectro da corrente.

Situação semelhante ocorre com entrada trifásica, quando são observados dois impulsos de corrente em cada semi-ciclo, como mostra a figura 3. Nota-se, mais uma vez, a significativa distorção que pode ocorrer na forma da tensão devido à queda de tensão que ocorre na reatância da linha.

Figura 3 - Tensão na entrada (superior) e corrente de linha (inferior) em retificador trifásico com filtro capacitivo.

CAUSAS de HARMÔNICA - FORNO DE ARCO

2.3 HARMÔNICAS produzidas pelo FORNO de ARCO

As harmônicas produzidas por um forno de arco, usado na produção de aço, são imprevisíveis devido à variação aleatória do arco. A corrente do arco é não-periódica e sua análise revela um espectro contínuo, incluindo harmônicas de ordem inteira e fracionária. Entretanto, medições indicam que harmônicas inteiras entre a 2ª e a 7ª predominam sobre as demais, sendo que sua amplitude decai com a ordem.

Quando o forno atua no refino do material, a forma de onda se torna simétrica, desaparecendo as harmônicas pares. Na fase de fusão, tipicamente, as componentes harmônicas apresentam amplitude de até 8% da fundamental, enquanto no refino valores típicos são em torno de 2%.

CAUSAS de HARMÔNICA - RCT

2.2 Reator Controlado a Tiristores (RCT)

A figura 1 mostra o circuito de um RCT, elemento utilizado para fazer controle de tensão no sistema elétrico. Isto é feito pela síntese de uma reatância equivalente, que varia entre 0 e L, em função do intervalo de condução do par de tiristores. A forma de onda da corrente, bem como seu espectro, estão mostrados na figura 2. Observe a presença de harmônicas ímpares. À medida que o intervalo de condução se reduz, aumenta a THD da corrente.

Figura 1 - Diagrama elétrico de RCT.

Figura 2 - Formas de onda e espectro da corrente em RCT.

A corrente obedece à seguinte expressão:

"a" é o ângulo de disparo do SCR, medido a partir do cruzamento da tensão com o zero. "Vi" é o valor de pico da tensão.

As componentes harmônicas (valor eficaz) são dadas pela equação (Figura 3), existindo para todas as componentes ímpares. A figura 4 mostra o comportamento de algumas harmônicas em função do ângulo a. Note que a terceira componente pode atingir quase 14% do valor da fundamental.

figura 3

Figura 4 - Variação do valor eficaz de cada componente harmônica em relação à fundamental.

CAUSAS de HARMÔNICA - CONVERSORES

2. Causas de distorção harmônica

Serão apresentados a seguir equipamentos e fenômenos que produzem contaminação harmônica no sistema elétrico. Quando se fizer referência ao termo ideal, significa que estão sendo desconsiderados os efeitos indutivos do sistema de alimentação, ou seja, considera-se a alimentação feita a partir de uma fonte ideal.

2.1 Conversores

Serão vistos aqui alguns casos típicos de componentes harmônicas produzidas por conversores eletrônicos de potência, tais como retificadores e controladores CA.

2.1.1 Formas de onda em conversores ideais

A figura 1 mostra um retificador a diodos alimentando uma carga do tipo RL, ou seja, que tende a consumir uma corrente constante, caso sua constante de tempo seja muito maior do que o período da rede.

Na figura 2 tem-se a forma de tensão de saída do retificador, numa situação ideal. Supondo uma corrente constante, sem ondulação sendo consumida pela carga, a forma de onda da corrente na entrada do retificador é mostrada na figura 3.

As amplitudes das componentes harmônicas deste sinal seguem a equação 1.1:

onde:

h é a ordem harmônica;

k é qualquer inteiro positivo;

q é o número de pulsos do circuito retificador (6, no exemplo).

Figura 1 - Circuito retificador trifásico, com carga RL.

Figura 2 - Tensão de saída de retificador ideal.

Figura 3 - Tensões e corrente de entrada com carga indutiva ideal e espectro da corrente.

2.1.2 A comutação

Uma forma de corrente retangular, como a suposta na figura 3, pressupõe a não existência de indutâncias em seu caminho, ou então uma fonte de tensão infinita, que garante a presença de tensão qualquer que seja a derivada da corrente.

Na presença de indutâncias, como mostrado na figura 4, no entanto, a transferência de corrente de uma fase para outra não pode ser instantânea. Ao invés disso, existe um intervalo no qual estarão em condução o diodo que está entrando e aquele que está em processo de desligamento. Isto configura um curto-circuito na entrada do retificador. A duração deste curto-circuito depende de quão rapidamente se dá o crescimento da corrente pela fase que está entrando em condução, ou seja, da diferença de tensão entre as fases que estão envolvidas na comutação.

Figura 4 - Topologia de retificador trifásico, não-controlado, com carga indutiva . Formas de onda típicas, indicando o fenômeno da comutação.

A figura 5 mostra um resultado experimental relativo a um retificador deste tipo. Neste caso a corrente não é plana, mas apresenta uma ondulação determinada pelo filtro indutivo do lado CC. Mesmo neste caso pode-se notar que as transições da corrente de entrada não são instantâneas e que durante as transições, nota-se uma perturbação na tensão na entrada do retificador. O valor intantâneo desta tensão é a média das tensões das fases que estão comutando, supondo iguais as indutâncias da linha. Este "afundamento" da tensão é chamado de "notching".

Como se nota, a distorção na tensão ocorre devido à distorção na corrente associada à reatância da linha.

Figura 5 - Distorção na tensão devido ao fenômeno de comutação.

HARMÔNICAS em RELÉS e FUSÍVEIS

1.7 EFEITO das HARMÔNICAS em RELÉS DE PROTEÇÃO e FUSÍVEIS

Um aumento significativo da corrente devido às harmônicas, sempre provocará um maior aquecimento dos dispositivos pelos quais circula a corrente, podendo ocasionar uma redução em sua vida útil e, eventualmente, sua operação inadequada.

Quanto aos relés de proteção, não é possível definir completamente as respostas devido à variedade de distorções possíveis e aos diferentes tipos de dispositivos existentes.

A referência abaixo é um estudo no qual se afirma que os relés de proteção geralmente não respondem a qualquer parâmetro identificável, tais como valores eficazes da grandeza de interesse ou a amplitude de sua componente fundamental. O desempenho de um relé considerando uma faixa de frequências de entrada não é uma indicação de como aquele componente responderá a uma onda distorcida contendo aquelas mesmas componentes espectrais. Relés com múltiplas entradas são ainda mais imprevisíveis.

Referência bibliográfica: "Sine-wave Distortions in Power Systems and the Impact on Protective Relaying." Report prepared by the Power System Relaying Committee of the IEEE Power Engineering Society. Novembro 1982.

HARMÔNICAS nos APARELHOS de MEDIÇÃO

1.6 HARMÔNICAS também afetam os APARELHOS de MEDIÇÃO

Aparelhos de medição e instrumentação em geral são afetados por harmônicas, especialmente se ocorrerem ressonâncias que afetam a grandeza medida.

Dispositivos com discos de indução, como os medidores de energia, são sensíveis a componentes harmônicas, podendo apresentar erros positivos ou negativos, dependendo do tipo de medidor e da harmônica presente. Em geral a distorção deve ser elevada (>20%) para produzir erro significativo.

HARMÔNICAS em EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS

1.5 EFEITOS das HARMÔNICAS em Equipamentos Eletrônicos

Alguns equipamentos podem ser muito sensíveis a distorções na forma de onda de tensão. Por exemplo, se um aparelho utiliza o cruzamento com o zero (ou outros aspectos da onda de tensão) para realizar alguma ação, distorções na forma de onda podem alterar, ou mesmo inviabilizar o seu funcionamento.

Caso as harmônicas penetrem na alimentação do equipamento por meio de acoplamentos indutivos e capacitivos (que se tornam mais efetivos com o aumento da frequência), eles podem também alterar o bom funcionamento do aparelho.

HARMÔNICAS - RETIFICADORES com FILTRO CAPACITIVO

CAUSAS de HARMÔNICA - FORNO DE ARCO

CAUSAS de HARMÔNICA - RCT

CAUSAS de HARMÔNICA - CONVERSORES

HARMÔNICAS em RELÉS e FUSÍVEIS

HARMÔNICAS nos APARELHOS de MEDIÇÃO

HARMÔNICAS em EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS

Redução do Fator de Potência

Tudo sobre Bancos de Capacitores

Tags - Bancos de Capacitores

+ Populares

Blog

Curso Básico

Seguidores

+ Lidos

Rede Social e Fórum de Ajuda Técnica

Produtos WGR