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FILTROS ATIVOS: TIPOS E APLICAES
Daniel Carletti
Disciplina Seminrio
Departamento de Engenharia Eltrica - Universidade Federal do
Esprito Santo
Cx. Postal 01-9011 - Vitria - ES - 29060-970 BRASIL
[email protected]
Resumo Este artigo apresenta uma viso geral acerca dos problemas
ocasionados pelas
distores harmnicas de tenso e corrente
exemplificando desde o processo de gerao das
mesmas atravs da operao de cargas no
lineares at os problemas ocasionados no sistema
eltrico. Tambm aborda formas de reduo para
os harmnicos focando a abordagem na
utilizao de filtros ativos para este fim.
I INTRODUO
A qualidade da energia eltrica entregue
pelas empresas distribuidoras aos consumidores
sempre foi objeto de interesse. Porm, at a
algum tempo atrs, a qualidade tinha a ver,
sobretudo, com a continuidade dos servios, ou
seja, a principal preocupao era que no
houvesse interrupes de energia, e a que as
tenses e freqncia fossem mantidas dentro de
determinados limites considerados aceitveis.
Durante dezenas de anos, a grande
maioria dos aparelhos ligados s redes de energia
eltrica consistia em cargas lineares. Por essa
razo, e uma vez que as tenses da alimentao
so senoidais, as corrente consumidas eram
tambm senoidais e da mesma freqncia,
podendo apenas encontrar-se defasadas
relativamente tenso.
Com o desenvolvimento da eletrnica de
potncia, os equipamentos ligados aos sistemas
eltricos evoluram melhorando em rendimento,
controlabilidade e custo, permitindo ainda a
execuo de tarefas no possveis anteriormente.
Contudo, esses equipamentos tm a desvantagem
de no funcionarem como cargas lineares,
consumindo correntes no senoidais, e dessa
forma poluindo a rede eltrica com harmnicos [1].
Os prejuzos econmicos resultantes
destes e de outros problemas dos sistemas
eltricos so muito elevados, e por isso a questo
da qualidade da energia eltrica entregue aos
consumidores finais hoje, mais do que nunca,
objeto de grande preocupao.
Normas internacionais relativas ao
consumo de energia eltrica tais como IEEE 519
[2] e IEC 61000 [3], limitam o nvel de distoro
harmnica nas tenses com os quais os sistemas
eltricos podem operar, e impem que os novos
equipamentos no introduzam harmnicos de
corrente de amplitude superior a determinados
valores na rede. , dessa forma, evidenciada a
importncia em resolver os problemas dos
harmnicos, quer para os novos equipamentos a
serem produzidos, quer para os equipamentos j
instalados.
II ORIGENS DA POLUIO HARMNICA
A principal causa deste fenmeno, que
pode ser visto como um tipo de poluio do
ambiente eletromagntico a crescente
popularidade dos equipamentos eletrnicos
alimentados pela rede eltrica, tais como
computadores, aparelhos de televiso, reatores
eletrnicos para lmpadas, controladores
eletrnicos para uma enorme variedade de cargas
industriais, etc. Uma distoro de forma de onda
dita harmnica quando a deformao se
apresenta de forma similar em cada ciclo da
freqncia fundamental. Neste caso, seu espectro
contm apenas freqncias mltiplas inteiras da
fundamental.
Quase todos os equipamentos eletrnicos
com alimentao monofsica ou trifsica
incorporam um circuito retificador sua entrada,
seguido de um conversor comutado do tipo cc-cc
ou cc-ca. Um dos tipos de retificadores mais
utilizados em equipamentos de baixa potncia o
retificador monofsico de onda completa com
filtro capacitivo, que possui uma corrente de
entrada altamente distorcida. O elevado contedo
harmnico da corrente distorce a tenso de
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alimentao devido queda de tenso na
impedncia das linhas [1].
Cargas que, alm de serem no-lineares,
tambm variam ao longo do tempo, produzem
distores variveis no tempo o que leva ao
aparecimento de freqncias inter-harmnicas
alm de harmnicas moduladas. o caso dos
fornos a arco e de compensadores reativos
controlados por tiristores. Por esse motivo, e por
sua enorme potncia (dezenas de MW), os fornos
eltricos a arco so considerados cargas
problemticas para a operao de sistemas
eltricos [4]. As figuras a seguir ilustram
exemplos de formas de ondas de tenso e
corrente para a situao de presena de
harmnicos e inter-harmnicos no sistema:
Figura 1: Tenso com componentes harmnicas
Figura 2: Corrente apresentando inter-
harmnicos
III EFEITOS DA DISTORO HARMNICA
A presena de harmnicas em um sistema
de potncia pode acarretar uma srie de efeitos
indesejados como, por exemplo [4]:
- Excitao de correntes ou tenses ressonantes entre indutncias
e
capacitncias.
Casos tpicos: associaes de capacitores
com transformadores, cabos com blindagem,
capacitores associados com motores, capacitores
operando com reatores, dispositivos de correo
de fator de potncia, etc.
- Aparecimento de vibraes e rudo. Casos tpicos: ferro-ressonncia
em
transformadores e reatores, motores de induo
Ressonando com a compensao capacitiva, etc.
- Sobreaquecimento de ncleos ferromagnticos.
Casos tpicos: aumento de perdas por
histerese e correntes parasitas em ncleos de
Motores, geradores, transformadores, reatores,
rels, etc.
- Sobreaquecimento de capacitores. Caso tpico: ressonncia de
capacitores
shunt, provocando sobre tenso e perdas
excessivas no dieltrico. Risco de exploso do
capacitor por falta de dissipao do calor gerado
internamente.
- Erro de medio de grandezas eltricas. Casos tpicos: medidores
de energia com
disco de induo, medidores de valor eficaz
baseados no valor de pico ou valor mdio, etc.
- Erro de controle de conversores. Casos tpicos: detectores de
sincronismo e
comparadores de nvel, usados como referncia
para gerar pulsos de controle em chaves
eletrnicas.
- Erro de atuao da proteo. Casos tpicos: rels
eletromagnticos
atracando devido contribuio das harmnicas,
rels eletrnicos e digitais com erro de calibrao
na presena de distores, etc.
- Sobre corrente de neutro. Casos tpicos: circuitos com lmpadas
de
descarga com reatores ferromagnticos ou
circuitos retificadores monofsicos podem
provocar correntes de neutro maiores que as de
linha, devido s harmnicas de seqncia zero.
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- Interferncias e rudos eletromagnticos. Casos tpicos: fontes
chaveadas,
conversores de freqncia, pontes retificadoras,
inversores, sistemas de acionamento controlado
eletronicamente, etc.
Como se pode ver, a presena de
harmnicas na rede pode criar problemas dos
mais variados e de difcil diagnstico com
antecedncia.
IV SOLUES PARA O PROBLEMA DOS
HARMNICOS
De forma a cumprir com as
regulamentaes europias sobre harmnicos
(normas IEC) os equipamentos de eletrnica de
potncia devem ser concebidos dentro das
normas, ou ento, filtros passivos ou ativos
devem ser previstos entrada do equipamento
original.
Durante muito tempo, as companhias de
distribuio de energia eltrica impunham aos
consumidores industriais apenas limites para a
potncia reativa consumida. A soluo
normalmente adotada pelas indstrias consiste na
utilizao de bancos de capacitores para correo
do fator de potncia da instalao, colocando-o
dentro dos limites impostos pela companhia
distribuidora.
Mais recentemente, as companhias
distribuidoras de alguns pases que j tm
preocupaes com os harmnicos de corrente que
circulam na rede eltrica, obrigam os
consumidores a aplicar tcnicas de reduo de
harmnicos baseadas em filtros passivos.
Contudo esta soluo apresenta vrias
desvantagens, nomeadamente: apenas filtram as
freqncias para as quais foram previamente
sintonizados; quando as tenses de alimentao
esto distorcidas, mesmo que moderadamente, os
filtros passivos absorvem valores elevados de
corrente, nas freqncias harmnicas para as
quais esto sintonizados; precisam
freqentemente ser sobre dimensionados, uma
vez que como no possvel limitar a sua
operao a certa carga (muitas vezes acabam por
absorver harmnicos de outras cargas ligadas ao
sistema eltrico; podem ocorrer fenmenos de
ressonncia entre o filtro passivo e as outras
cargas ligadas rede, com resultados
imprevisveis; o dimensionamento dos filtros
passivos deve ser coordenado com as
necessidades de potncia reativa da carga, sendo
difcil faz-lo de forma a evitar-se que o conjunto
opere com fator de potncia capacitivo em
algumas condies de funcionamento [1].
Para ultrapassar estas desvantagens, tm
sido feitos recentemente esforos no sentido de
desenvolver filtros ativos de potncia.
V FILTROS ATIVOS
O termo Filtros Ativos em Eletrnica de
Potncia aplicado a conversores eletrnicos
utilizados na compensao de harmnicos, que
teoricamente podem ser harmnicos de tenso ou
harmnicos de corrente. Alm de compensar
harmnicos, os filtros ativos tambm podem
compensar a parcela de potncia reativa da carga
[5].
As desvantagens dos filtros ativos quando
empregados isoladamente podem ser resumidas a
dois pontos. O primeiro aspecto com relao
capacidade do conversor utilizado: como o filtro
trabalha com tenses e correntes nominais,
necessita ser de alta potncia (mesmo
considerando que no manipular potncia ativa,
e que podem ser usados transformadores
isoladores para adaptar os nveis de tenso).
Outro aspecto com relao velocidade
de operao do conversor: para compensar as
harmnicas de mais alta ordem de freqncia
(por exemplo, n>17), o conversor necessita
operar com uma freqncia de comutao que
ainda no facilmente realizvel em alta
potncia. A associao de filtros ativos e passivos
tem por objetivo solucionar tais problemas.
As estratgias de controle aplicadas aos
filtros ativos so de diversos enfoques, embora
baseados no mesmo objetivo. A meta sempre
detectar os componentes harmnicos e a parcela
reativa da corrente absorvida por uma carga ou
grupo de cargas, para que sejam compensadas
localmente.
Os filtros ativos podem ser de dois tipos,
filtros em srie e em paralelo.
5.1 - Filtro Ativo Paralelo:
O filtro ativo paralelo comporta-se como
uma fonte de corrente controlada conectada em
paralelo com a carga. A referncia para a fonte de
corrente consiste no contedo harmnico e na
parcela reativa presente na corrente de carga [5].
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Na Figura 3 apresenta-se o esquema
eltrico de um filtro ativo paralelo trifsico. O
filtro , basicamente, composto por um inversor
fonte de tenso com controle de corrente e o
respectivo controlador. O controlador, a partir da
medida dos valores instantneos das tenses das
fases (va, vb, vc) e das correntes na carga (ia, ib,
ic), produz as correntes de compensao de
referncia (ica*, icb*, icc*, icn*) para o inversor.
O inversor injeta as correntes de compensao
(ica, icb, icc, icn) requeridas pela carga, de forma
que as correntes nas fases da rede eltrica (isa,
isb, isc) passam a ser senoidais e equilibradas,
fazendo com que a corrente no neutro da rede
eltrica (isn) assuma um valor nulo.
Figura 3: Funcionamento de um filtro ativo paralelo
5.2 - Filtro Ativo Srie:
Se o princpio da dualidade aplicado ao
filtro ativo paralelo, obtido o filtro ativo srie.
Por dualidade, o filtro ativo srie comporta-se
como fonte de tenso, impondo a tenso vt na
carga (ou no PAC Ponto de Acoplamento
Comum). Em certos casos, dependendo da
durao dos fenmenos e da energia que o filtro
ativo puder disponibilizar, ainda possvel
compensar sobre tenses, subtenses ou
interrupes momentneas. A figura 4 mostra a
operao do filtro ativo srie impondo a tenso
na carga [5].
Figura 4: Operao de um filtro ativo srie
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5.3 - Filtros Ativos Hbridos:
Os filtros ativos hbridos so associaes
de filtros ativos e filtros passivos com o intuito
de combinar as caractersticas favorveis de
ambos filtros: a robustez dos filtros passivos com
o desempenho dos filtros ativos. Os filtros
hbridos podem ser [5]:
- Filtro Ativo e Passivo em Paralelo:
A funo do filtro ativo compensar os
harmnicos de baixa freqncia, enquanto o filtro
passivo se encarrega dos harmnicos de mais alta
freqncia.
- Filtro Ativo Srie e Passivo Paralelo:
Nesta configurao pode-se aproveitar
filtros passivos j existentes na aplicao,
adicionando-se o filtro ativo em srie com a
linha.
O objetivo do filtro ativo funcionar
como um curto-circuito para a freqncia
fundamental e um circuito aberto para as
componentes harmnicas (idealmente), forando
o fluxo de harmnicas pelo filtro passivo.
- Conexo Paralela De Filtro Ativo e Passivo em Srie:
O objetivo desta associao melhorar as
caractersticas de funcionamento do filtro
passivo. O filtro ativo programado para deixar
circular apenas as harmnicas de corrente de
carga, bem como sua parcela reativa
fundamental. Como o filtro ativo est conectado
ao ponto terra, fcil de obter isolamento e
proteo do mesmo.
- Emprego de Dois Filtros Ativos Srie:
Podem ser empregados dois filtros ativos
srie para melhorar as caractersticas gerais de
filtragem.
A primeira possibilidade ter um filtro
ativo (FA1) em srie com a rede, e o outro (FA2)
em srie com o filtro passivo paralelo. A filosofia
de controle operar o filtro FA1 como isolador
de harmnicos entre rede e carga, e o filtro FA2
para manter o perfil da tenso no ponto de
conexo da carga. Ou seja, o filtro FA1 vai
introduzir uma alta impedncia em srie para os
componentes harmnicos, enquanto o filtro FA2
funciona como fonte de tenso de forma que a
tenso Vt seja senoidal perfeita (ou com pequena
distoro harmnica). Entretanto o emprego de
dois conversores controlados (filtros ativos)
reduz a robustez do sistema como um todo.
No segundo caso os dois filtros ativos
podem estar em srie no sistema rede - carga,
com o filtro passivo paralelo conectado no ponto
de unio entre FA1 e FA2. O filtro FA1 impede a
circulao de harmnicas entre a rede e a carga,
enquanto o filtro FA2 impe o perfil de tenso na
carga.
CONCLUSO
Tendo em vista a utilizao crescente e
generalizada de equipamentos de eletrnica de
potncia, que poluem os sistemas eltricos, e da necessidade de
automatizao dos sistemas de
produo que obriga a que cada vez mais se
utilizem controladores eletrnicos, extremamente
sensveis ao meio eletromagntico em que esto
inseridos, a ateno dada a qualidade da energia
eltrica crucial tendo em vista a garantia da
qualidade do produto final e a reduo de custos
de produo.
Podemos concluir com este trabalho que a
utilizao de filtros ativos permite reduzir
sensivelmente a circulao de correntes
harmnicas pelo sistema de alimentao, sem os
problemas colaterais encontrados quando so
empregados os filtros passivos.
REFERNCIAS
[1] Ciclo de Seminrios As Oportunidades das Ameaas: A Qualidade
da Energia Elctrica 2003, EUVEO, ISBN:
972-8063-15-6, pp. 1-35
[2] IEEE Std. 519 "IEEE Recommended Practices and
Requirements for Harmonic Control in Electric Power
Systems". Edition Oct. 1991.
[3] IEC 61000-3-2 Limits for harmonic current emissions
(equipment input current 16A per phase). 1995.
[4] S.M.Deckmann e J. A. Pomilio (2010). Avaliao da
Qualidade da Energia Eltrica, UNICAMP/FEEC/DSCE
[5] Apostila do Curso de Qualidade de Energia Eltrica,
prof. Domingos Svio Lyrio Simonetti, UFES, 2007.
[6] RC Dugan, MF Mcgranaghan, HW Beaty, Electrical
Power Systems Quality. McGraw- Hill, New York, 1996.
