Distorções Harmônicas: o problema mais comum de Qualidade de Energia---------------------------------------------------por Engecomp

Tecnicamente, uma harmônica é a componente de uma onda periódica cuja frequência é um múltiplo inteiro da frequência fundamental (no caso da energia elétrica, de 60 Hz). A melhor maneira de explicar isto é com a ilustração ao lado. Nesta figura, vemos duas curvas: uma onda senoidal normal, representando uma corrente de energia "limpa", e outra onda menor, representando uma harmônica. Esta segunda onda menor representa a harmônica de quinta ordem, o que significa que sua frequência é de 5 x 60 Hz, ou 300 Hz.

Na segunda ilustração, vemos como ficaria a soma das duas curvas. Esta curva resultante mostra bem a distorção harmônica da curva de tensão, que deixa de ser perfeitamente senoidal na presença de harmônicas.

Harmônicos são tensões ou correntes senoidais de freqüências múltiplas inteiras da freqüência fundamental (50 ou 60 Hz) na qual opera o sistema de energia elétrica. Estes harmônicos distorcem as formas de onda da tensão e corrente e são oriundos de equipamentos e cargas com características não-lineares instalados no sistema de energia.A figura acima reflete bem a realidade da tensão medida no barramento CA de alimentação de um conversor de seis pulsos. A distorção harmônica vem contra os objetivos da

qualidade do suprimento promovido por uma concessionária de energia elétrica, a qual deve fornecer aos seus consumidores uma tensão puramente senoidal, com amplitude e freqüência constantes.Entretanto, o fornecimento de energia a determinados consumidores que causam deformações no sistema supridor, prejudicam não apenas o consumidor responsável pelo distúrbio, mas também outros conectados à mesma rede elétrica.

Para a quantificação do grau de distorção presente na tensão e/ou corrente, lança-se mãos da ferramenta matemática conhecida por série de Fourier. As vantagens de se usar a série de Fourier para representar formas de onda distorcidas é que, cada componente harmônica pode ser analisada separadamente, e a distorção final é determinada pela superposição das várias componentes constituintes do sinal distorcido.

Conhecidos os valores de tensões e/ou correntes harmônicas presentes no sistema, utiliza-se de um procedimento para expressar o conteúdo harmônico de uma forma de onda. Um dos mais utilizados é a "Distorção Harmônica Total", a qual pode ser empregada tanto para sinais de tensão como para correntes. Para fins práticos, as harmônicas de ordens elevadas (acima da 50ª ordem, dependendo do sistema) são desprezíveis para análises de sistemas de potência, apesar de poderem causar interferência em dispositivos eletrônicos de baixa potência.

No passado não havia maiores preocupações com harmônicos. Cargas com características não lineares eram pouco utilizadas e os equipamentos eram mais resistentes aos efeitos provocados por harmônicas. Entretanto, nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da eletrônica de potência e a utilização de métodos que buscam o uso mais racional da energia elétrica, o conteúdo harmônico presente nos sistemas tem-se elevado, causando uma série de efeitos indesejáveis em diversos equipamentos, comprometendo a qualidade e o próprio uso racional da energia elétrica. O problema é ainda mais agravado pela utilização de equipamentos e cargas mais sensíveis à qualidade da energia.

Assim, é de grande importância citar aqui os vários tipos de cargas elétricas com características não lineares, que têm sido implantadas em grande quantidade no sistema elétrico brasileiro. Estas, de um modo geral, podem ser classificadas em três grupos básicos, a saber:

 

1. Cargas de conexão direta ao sistema - - -· motores de corrente alternada; · transformadores alimentadores; · circuitos de iluminação com lâmpadas de descarga; · fornos a arco; · compensadores estáticos tipo reator saturado, etc. 2. Cargas conectadas através de conversores - - -· motores de corrente contínua controlados por retificadores; · motores de indução controlados por inversores com comutação forçada; · processos de eletrólise através de retificadores não-controlados; · motores síncronos controlados por cicloconversores; · fornos de indução de alta freqüência, etc.3. Reguladores - - -· fornos de indução controlados por reatores saturados; · cargas de aquecimento controladas por tiristores; · velocidade dos motores CA controlados por tensão de estator; · reguladores de tensão a núcleo saturado; · computadores; · eletrodomésticos com fontes chaveadas, etc.

Como já foi dito, as distorções harmônicas causam muitos prejuízos às plantas industriais. De maior importância, são a perda de produtividade, e de vendas devido a paradas de produção causadas por inesperadas falhas em motores, acionamentos, fontes ou simplesmente "repicar" de disjuntores..

Segue relação mais detalhada destes prejuízos: · Capacitores:    queima de fusíveis, e redução da vida útil. · Motores:     redução da vida útil, e impossibilidade de atingir potência máxima. · Fusíveis/Disjuntores:     operação falsa/errônea, e componentes danificados. · Transformadores:    aumento de perdas no ferro e no cobre, causando redução de capacidade e diminuição da vida útil. · Medidores:      possibilidade de medições errôneas e de maiores contas. · Telefones:     interferências. · Máquinas Síncronas:       sobreaquecimento das sapatas polares de máquinas síncronas, causado pela circulação de correntes harmônicas nos enrolamentos amortecedores. · Acionamentos/Fontes:     operações errôneas devido a múltiplas passagens por zero, e falha na comutação de circuitos. Estas operações errôneas normalmente incluem torques oscilatórios nos motores de indução e máquinas síncronas. · Carregamento exagerado do circuito de neutro, principalmente em instalações que agregam muitos aparelhos eletrônicos, como microcomputadores, podendo dar origem a tensões perigosas quando estas correntes circulam por malhas de terra mal projetadas.

Os principais problemas causados por harmônicos, no entanto, se dão junto a bancos de capacitores, que podem originar condições de ressonância, caracterizando uma sobretensão nos terminais das unidades capacitivas. Em decorrência desta sobretensão, tem-se uma degradação do isolamento das unidades capacitivas, e em casos extremos, uma completa danificação dos capacitores. Além disso, consumidores conectados no mesmo ponto ficam submetidos a tensões perigosas, mesmo não sendo portadores de cargas poluidoras em sua instalação, o que estabelece uma condição extremamente prejudicial à operação de diversos equipamentos.Mesmo que não seja caracterizado uma condi-

ção de ressonância, um capacitor é sempre um caminho de baixa impedância para as correntes harmônicas, e, na presença delas, ele se encontrará constantemente sobrecarregado, e sujeito a sobreaquecimento excessivo, podendo até ocorrer uma atuação da proteção, sobretudo dos relés térmicos. Estes efeitos, isolada ou conjuntamente, resultam na diminuição da vida útil do capacitor, como mostra a figura ao lado.

http://www.vertengenharia.com.br/insidepages/artigos_ver.asp?id=12 em 16-10-2009

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