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8-21
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Divisão Tecnologia em Automação
Harmônicos em Instalações de Baixa
Tensão
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Palestrante
Marcel Serafim
Engenharia de Aplicação de Produtos e Serviços
Tel: (11) 3688 8249
Cel: (11) 8354 6436
e-mail: marcel.serafim@br.abb.com
marcel.serafim@uol.com.br
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Harmônicos em Instalações de Baixa Tensão
O fato das harmônicas estarem relacionadas as instalações consumidoras de energia, atraiu o interesse da comunidade técnica sobre os Harmônicos em Instalações Elétricas.
Podemos citar 3 fatores que despertaram o interesse Importância a eficiência
energética Sensibilidade dos equipamentos Conscientização dos usuários
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Introdução
Harmônico é um fenômeno físico ondulatório, descrito por uma função seno ou coseno.
Cabe lembrar que todo este assunto é determinado pela “Série de Fourier” Esta teoria permite a análise de
ondas distorcidas de uma forma simples, usando o recurso da decomposição em formas conhecidas, em função da variável tempo f(t)
)cos(021)(
1
n
bnsennwtnwtanAtf
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O que são harmônicos?
Harmônica é um tipo específico de perturbação de energia que normalmente é associada a crescente utilização de cargas não lineares.
Tecnicamente, harmônica é a componente de uma onda periódica cuja freqüência é um múltiplo inteiro da freqüência fundamental. No caso do Brasil – 60 Hz
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As freqüências harmônicas
As harmônicas são representadas pelas as freqüências múltiplas da fundamental.
Exemplo 2° harmônica é dada por 120 Hz =
2 x 60 Hz 3° harmônica é dada por 180 Hz =
3 x 60 Hz 5° harmônica é dada por 300 Hz =
5 x 60 hz
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As freqüências harmônicas II
Conseguimos observar a somatória das harmônicas através do gráfico
A curva ao lado mostra bem a distorção harmônica, que deixa de ser puramente senoidal e torna-se totalmente distorcida.
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Ordem, freqüência e seqüência das Harmônicas
As harmônicas são divididas em dois tipos: Harmônicas Impares Harmônicas Pares
Outro ponto importante de ser comentado é a seqüência das harmônicas que podem ser dividida em Positiva (+) Negativa (-) Nula (0)
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Espectro Harmônico
Espectro harmônico permite representar em forma de gráfico os valores das harmônicas em suas “ordens”
O espectro harmônico é uma representação da forma de onda no domínio da freqüência.
Geralmente são analisadas até a 40° harmônica, raramente os sinais superiores a esta ordem não interferem no funcionamento dos sistemas.
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0 Espectro Harmônico II
Para a verificação dos níveis de harmônicos internacionalmente adotou-se DHT (Distorção harmônica total) THD (Total Harmonic Distorcion)
Sendo que estes são determinados em tensão e corrente DTHi (gerados pelas cargas) DTHu (gerados pelas fontes de
energia)
05,12
n UnUhnDHTu
10,12
n InIhnDHTi
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Origem das Harmônicas
Com o aumento de cargas cada vez mais não-lineares nas indústrias, comércios e até mesmo residências, aumentou-se o nível de harmônicos nos sistemas de baixa tensão e até mesmo no sistema de distribuição
As cargas geradoras de harmônicas são definidos em 2 tipos Cargas Lineares Cargas não-Lineares
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2 Origem das Harmônicas – Cargas Lineares
Genericamente são consideradas cargas lineares aquelas constituídas por resistências, capacitâncias e indutâncias
Onde as formas de ondas são senoidais puras. Exemplos
Motores Lâmpadas Incandescentes Cargas Resistivas
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Genericamente são consideradas cargas não-lineares cargas onde se tem o controle total ou parcial do processo. Ex: SCR´s, IGBT´s
Atualmente as cargas não-lineares são classificas em 3 categorias Cat. 1 – Equipamentos
operativos com arco-Voltaico Cat. 2 – Equipamentos de núcleo
magnético saturados Cat. 3 – Equipamentos
eletrônicos
Origem das Harmônicas – Cargas Não-Lineares
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4 Origem das Harmônicas – Retificador Carregador
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5 Origem das Harmônicas – Variador de Velocidade
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6 Origem das Harmônicas – Fonte Monofásica
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7 Origem das Harmônicas – Máquina de Solda
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8 Origem das Harmônicas – Outros Exemplos
Outros geradores de harmônicos. Dispositivo com núcleo
magnético saturável Controladores de tensão Lâmpadas fluorescentes Reatores eletrônicos
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Problemas e consequências causados pelas Harmônicas
Pode-se dizer que efeitos instantâneos podem se manifestar por meio da ocorrência de perturbações em sistemas de telecomunicações, operações inadequadas, falhas de operações, erros de medições, problemas de acionamentos dentre outros.
Exemplos: Transformadores Saturação Magnética Ressonância Motores Elétricos Condutores
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0 Problemas e consequências - Transformadores
Podemos citar os problemas mais comuns encontrados nos transformadores devido a presença de harmônico:
Sobreelevação térmica; Aquecimento do cobre devido ao
efeito pelicular; Aumento das correntes parasitas
Focault. Aumento do ruído audível
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1 Problemas e conseqüências – Transformadores II
Vida útil de um transformador
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
0 6 12 18 24 30 36
Distorção Harmônica em %
Tem
po d
e vi
da ù
til (e
m h
oras
)
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3 Problemas e consequências – Motores Elétricos
A presença de conteúdo harmônicos na alimentação dos motores geram grandes preocupações como: Perdas no ferro Elevação das perdas no cobre Efeito pelicular Torques negativos Menor rendimento Aumento do ruído audível
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4 Problemas e consequências – Motores Elétricos II
Perdas elétricas
0
2
4
6
8
10
12
14
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Distorção Harmônica em %
Perd
as a
dici
onai
s de
vido
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5 Problemas e consequências – Condutores Elétricos
Até mesmos os condutores são afetados pelas distorções harmônicas.
Os efeitos mais comuns nos condutores são: Aumento do efeito pelicular Efeito de proximidade Subdimensionamento de
condutores
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6 Problemas e consequências – Capacitores Estáticos
Perante a presença de harmônicas na linha, os capacitores podem ser submetidos a esforços térmicos inadmissíveis sendo: Queimas prematuras Ressonância do capacitor com a
linha Explosões Sobreaquecimentos
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7 Problemas e conseqüências – Fator de Potência
Outro problema muito comum com a presença de harmônicos é o fator de potência.
Com as presença de harmônicos na linha, o cálculo para F.P. feito através do triângulo retângulo passa a ter uma outra componente, introduzindo-se uma nova dimensão
Potência Ativa
Potência
Reativa
Potência Aparente
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8 Problemas e conseqüências – Sistema de Iluminação
As harmônicas podem afetar sensivelmente a vida útil das lâmpadas.
Lâmpadas incandescentes sofrem em quase 50% de redução de sua vida útil.
As lâmpadas onde se utilizam reatores, também sofrem com as harmônicas porém de uma menos agressiva, isto devido aos reatores para a ignição da lâmpada.
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9 Problemas e conseqüências – Sistemas de Proteção
Os disjuntores, relés ou fusíveis podem vir atuar de uma forma descontrolada quando confrontada com as harmônicas em sistemas.
Os problemas mais comuns encontrados Atuação inesperada, mesmo
sem falha. Não atuação do circuito de
proteção em caso de falha
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0 Problemas e conseqüências – Medidores de Energia
Os medidores de energia tipo indução, podem apresentar erros de acordo com os níveis de distorções harmônicas presentes
De um modo geral, provocam a alteração da classe de precisão de medição.
Os erros podem ser aproximadamente para –10% ou + 10%
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Controlar a presença das correntes harmônicas na instalação elétrica é uma tarefa cada vez mais necessária e importante para a indústria.
Existem apenas um modo de fazer a total eliminação das harmônicas porém existem meios de minimizar as harmônicas no sistema
Soluções para as Harmônicas
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2 Soluções para as Harmônicas - Limites
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3 Soluções para as Harmônicas - Indutância
A técnica de instalação de uma indutância em série com os equipamentos é muito empregada em UPS, inversores
Trata-se de uma solução paliativa que apenas atenua as harmônicas presentes no ponto de instalação
Vantagens: Simples e de baixo custo
Desvantagens: Eficiência limitada, dimensões muito grande
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5 Soluções para as Harmônicas – Filtro Ativo
Esta técnica é a única forma de se eliminar 100% das harmônicas
Em geral o filtro ativo (FA) gera um sinal de corrente defasado de 180°, eliminado-se assim 100% das harmônicas no sistema
Cobrem um espectro de harmônicos da 2° até a 50° harmônica
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6 Soluções para as Harmônicas – Filtro Ativo II
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7 Soluções para as Harmônicas – Filtro Ativo III
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Soluções para as Harmônicas – Filtro Ativo IV
-800
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Cur
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Time [ms]
FILTER OFF - Pizolbahn/Wangs [09/12/97]
0
50
100
150
200
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450
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Cur
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[Arm
s]
Harmonics
FILTER OFF - Pizolbahn/Wangs [09/12/97]
Análise do sinal do sistema de B.T. sem o filtro ativo
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Soluções para as Harmônicas – Filtro Ativo V
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Cur
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[A]
Time [ms]
FILTER RUNNING - Pizolbahn/Wangs [09/12/97]
0
50
100
150
200
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Cur
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[Arm
s]
Harmonics
FILTER RUNNING - Pizolbahn/Wangs [09/12/97]
Análise do sinal do sistema de B.T. com o filtro ativo
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0 Filtro Ativo - PQFA
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Marcel Serafim
Sistemas de Proteção
Engenharia de Aplicação
Tel: (11) 3688 8628
Cel: (11) 8354 6436
e-mail: marcel.serafim@br.abb.com
marcel.serafim@uol.com.br
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2 Dúvidas
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