Influencia das Harmonicas na Alimentação de Dispositivos eletronicos

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PROJETOS I Energia03/04/201210:48:31

lnfluencladas Harmonicas na

Alirnentacaode DispositivosEletronicos

A presence de harmonicas em uma rede de alirnentacao pode causar series problemas de

funcionamento aos equipamentos por ela alimentados. Aparelhos sensfveis podem ser levados aperda de dados, disparos erraticos e ate mesmo a problemas de queima de componentes. Neste

artigo, faremos uma breve analise sobre as causas que determinam 0 aparecimento das harmonicas

numa linha de fornecimento de energia, seus efeitos e quais as solucoes que devem ser adotadas

quando problemas se manifestarem.

Newton C. Braga

A qualidade da energia fornecida aos equipamentos alimentados por uma rede de corrente alternada

esta diretamente ligada a diversos fatores. Se esses fatores puderem atuar livremente, teremos

perturbacoes que podem causar problemas na sua qualidade e, consequentemente, levar os

equipamentos ligados a essa rede a diversas alteracoes no seu funcionamento.

Basicamente, sao quatro as perturbacoes que podem ocorrer em uma tensao ou corrente fornecidas

por uma rede de energia:

• Perturbacoes ligadas a amplitude da tensao - como 0 sag (afundamento), interrupcoes de

fornecimento, sobre e subtensao, transit6rios, flutuacoes e outras;

• Perturbacoes de frequencia - tais como as alteracoes de seu valor nominal;

• Oesequil fbrios de tensao ou corrente em sistemas tri tasicos:

• Alteracoes nas formas de onda - sao as perturbacoes harmonicas que, a partir do aumento da

intensidade do uso de equipamentos eletronicos, passou a ter uma irnportancia especial.

E justamente das perturbacoes nas formas de onda que vamos tratar neste artigo, dada a sua

irnportancia na qualidade da energia fornecida.

Embora exista uma certa tendencia dos usuaries atribufrem a empresa fornecedora de energia os

problemas causados pela qualidade da energia, em muitos casos sao os pr6prios equipamentos

usados numa instalacao que causam sua deterioracao.

Equipamentos que utilizam dispositivos semicondutores comutadores da famflia dos tiristores como,

por exemplo, TRIACs, SCRs, IGBTs, alern de outros dispositivos altamente indutivos podem afetar a

qualidade da energia fornecida, com problemas para outros aparelhos que sejam alimentados pela

mesma rede.

Em especial, tais dispositivos alteram as formas de onda da energia transmitida com a producao de

harmonicas que tern um efeito desastrosos sobre muitos equipamentos. Para entendermos como

esses problemas sao gerados, devemos inicialmente partir de um estudo dos pr6prios sinais

harmonicos,

Sinais Harmonicas

Um sinal de qualquer forma de onda pode ser decomposto em um sinal senoidal fundamental e em

sinais senoidais de frequencies multiplas, Assim, conforme mostra a figura 1, uma tensao senoidal

perfeita que deve estar presente num ponto de uma rede de energia, tem 0 formato exibido.

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i"1. fo rm i l l cI ~ (]rntl~ de

uma te rn~hl .S 'E !lIOid a 1 _

Pagina 2 de 9

No entanto, com a presence de uma harmonica que seja 0 dobro de sua frequencia, a sua forma de

onda se altera passando ao formato ilustrado na figura 2 _

+

•

n,AltE!r l l~1 i lo .cI~ form~ de

o nda l i I 'E !vudo in h':IrI ll lOlflica,_

De uma forma geral, podemos dizer que um sinal peri6dico (que nao seja senoidal) contern

obrigatoriamente harmonicas em intensidade e quantidade que VaGdeterminar justamente a sua forma

de onda.

Observe que, conforme a frequencia do sinal em relacao a fundamental, as harmonicas podem ter

diversas ordens. A figura 3 esclarece isso.

~3, Hiilnl'nii flIDciil~ de

~< il r -l iI lSo r d E !ns .

Os efeitos das harmonicas de ordem fmpar num dispositive eletrico ou eletronico sao diferentes.

http.Zwww. sabereletronica.com. brlsecoes/leitural 1960limprimir:yes 07/04/2012






Nas instalacoes eletricas em geral predominam as harmonicas pares, mas nos casos em que ocorre a

presence de uma componente contfnua tern-se tarnbern harmonicas fmpares. As harmonicas tarnbern

podem ter sequencias positivas, negativas ou nula, veja a figura 4.

• . » $ 1 -12 '

3

. .

5 ,

6

fie!t,

U IO

1 : 1 3 0 (Ii

240 t,

3<)0

360 0

~4 , H . ;m ' l '1 6D ' 1 io : :~ s

pares E ! fmp.m~s,

Em um motor assfncrono tritasico, alimentado por quatro condutores, de acordo com a figura 5, as

harmonicas de sequencia positiva tenderiam a forcar 0 motor a girar no mesmo sentido determinadopela componente fundamental (vide figural. 0 resultado seria uma sobrecarga do motor com aumento

da temperatura de seus enrolamentos e consequente reducao de sua vida util, Observe a figura 6.

F5, Resu ltado, 'D IIIl otcr t~1IIl

S Q J < J " , lc I . i IIu t l l r~d l ,J~ lc I~ .

Nesse mesmo motor, as harmonicas de sequencia negativa forcariarn 0 motor a girar em sentido

contrario ao produzido pela fundamental. Isso faria com que 0 motor freasse com a dissipacao da

energia em forma de calor. Tarnbern terfamos um sobreaquecimento e consequente reducao da vidautil,

As harmonicas de sequencia nula nao tern efeito sobre a rotacao do motor, contudo, somam-se

algebricamente no condutor neutro provocando 0 aparecimento de correntes que podem chegar a tres

vezes 0 valor da mesma corrente que percorre cada condutor, conforme mostra a figura 7.







CQrr~tl~!i!S

1 ! , , J l " o d a m € l : r u ( a u $

Pagina 4 de 9

o resultado desse "retorno" indesejavel e um superaquecimento do condutor neutro e ate mesmo a

queima de ban cos de capacitores.

I _ _ . , .Fase

1 - 1 1 -F1Is€--------"'----~

r . .. ..FOlS€I ' -----'l-=----=-__;"-'!---_1

~€LJ\ro---t-----''''---_+--./

1 '7 . r h i f ~ Q . . J l 2 e i ~ : 5 a u s n-illrm 6 r lo c t J ~

de s - e q L l E ! n t i i l l s nula no motor;

Analise do Espectro de Harmonicas

Uma forma de se obter visualizacao rapida das harmonicas de um sinal e com 0 uso de um analisador

de espectro. Esse instrumento decornpoe 0 sinal em componentes, representando sua intensidade

relativa por barras, veja a f igura 8.

F l ) n d O l , F I l ! ; l : r u t < l ! IlTtensida~e·i ' e l a t i v a I

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 a O %

.------------------- 50%

Trata-se de uma representacao no dominic de frequencies (veja a serie de artigos sobre 0 assunto

nesta mesma revista). Evidentemente, as harmonicas de um sinal se estendem a um infinito. Para

efeitos praticos, a representacao se limita ao nurnero finito, normalmente inferior a 40. Isso ocorre,

porque os sinais de ordem superior dificilmente podem causar algum efeito perceptivel nos

equipamentos alimentados.

Medic;ao de Harmonicas

2

F8. E:spE!(hll' da f L l n t l . a ·

mental e n<llrm6r1k.a~.

A maioria dos equipamentos de medida que se destina a rnedlcoes numa rede de energia, e projetada

para trabalhar com sinais perfeitamente senoidais. Assim, os multi metros comuns sao instrumentos

que medem valores medics.

Entretanto, quando 0 sinal a ser medido nao e senoidal, 0 resultado de uma rnedicao sera

completamente diferente do valor eficaz real da tensao ou corrente. Esses instrumentos se baseiam

num coeficiente de 1,11 para relacionar 0 valor eficaz com 0 valor medic, que corresponde ao valor

retificado. Na figura 9 temos 0 circuito tipico de entrada de um instrumento desse tipo.









n COWLI i t , o tI~~lIitra t l o i l tie oiiish LI·

m a n t o para madida d e r n.. , rm 6 [ 1 JD c o i l ~_

Todavia, se 0 sinal aplicado a esse instrumento nao for senoidal teremos uma falsa leitura conforme

ilustra a figura 10.

F ' 1 '0 , E . ~ e m p I0d~ IL J r na 1 'o iI lS -a

~eut lLJFa ( ~ I rn . i l l l [ 1 J ~0se n o i c i a l ~ _

Veja que para a forma indicada de onda, a relacao entre 0 valor eficaz e medic real e 2,1, enquanto

que 0 circuito do instrumento tem caracterfsticas que consideram sempre essa relacao como 1,11.

A medida de uma corrente de 10 A pode, na realidade, ser feita num circuito em que a corrente real ede 15 A, quando utilizado um instrumento desse tipo.

True RMS

Nao e a primeira vez que abordamos este assunto nesta revista. No entanto, sua irnportancia e tal

(quando se fala em qualidade da energia e quando devem ser feitas rnedicoes em circuitos onde

harmonicas possam estar presentes), que uma pequena revisao e importante.

Os instrumentos "true rms" utilizam um circuito de entrada, como 0 mostrado na figura 11, 0 que

permite obter 0 valor eficaz verdadeiro independentemente da forma de onda do sinal de entrada.









~ n _ C i r o : = u It'D a e ~D it r~ d !< J d e

u n stHDDIl e rotc" true rrns",

Evidentemente, existem limites para a sua atuacao, Por esse motivo, uma das especificacoes

importantes para este tipo de instrumento esta na largura da faixa de frequencies do sinal que pode

ser medido.

Para 0 caso da rede de energia, e preciso uma largura de faixa de pelo menos 1 kHz de modo que ate

a 1T" harmonica possa ser incluida. Esse e 0 minima que se exige para um instrumento usado em

instalacoes comerciais, dornesticas e industriais.

Onde as Harmonicas sao Geradas

Cargas lineares como as de tipo resistivo, indutivo ou capacitive, mesmo que tenham correntes e

tensoes defasadas, estas rnantern a forma de onda senoidal.

Porern, existem cargas que pelo uso de dispositivos eletronicos de cornutacao rapida (como os da

familia dos tiristores), fazem com que as correntes e tensoes em seus circuitos nao sejam

perfeitamente senoidais, conforme visto na figura 12.

f ' 1 2 . Ten S o l I D e ,[~ rre rote co-

rn uta d as pE !lo 1..15'0 d ! ~ t u ru ~ t~ r _

Essas cargas tern correntes e tensoes distorcidas, 0 que nos permite utilizar nas suas especif icacoes 0

termo "distorcao harmonica", pois, conforme vimos, essas distorcoes causam 0 aparecimento de

frequencies harmonicas.

Diversos sao os circuitos que podem gerar harmonicas, pelos motivos indicados:

Retificadores Carregadores

Os retificadores carregadores sao formados por uma ponte de diodos ou SCRs, observe a f igura 13.









E10--__ ~IL~1

E20-----=I.2"-'

1 ':30--- __ =L3:_rvCarga

Fl3. Cir(lIitotiplcO de urn

r~tlrlt.~rcr tnfiislto.

Esses circuitos geram uma grande quantidade de harmonicas fmpares cuja intensidade maior se

concentra na quinta e setirna harmonicas, conforme mostram a forma de onda e espectro da f igura 14.

Controles de Velocidade

fo rm a d e

ond ' , a

Os controles trifasicos, com a estrutura tfpica desenhada na figura 15, tern um elevado conteudo de

harmonicas.

~nwnsidatje {%h

!_nnn_nnnnn_.n_10Q%

- - - - - - - - - . - - - - - - - - - - - - - 50 %

5 . 7 11 '~3 17 19

Haooo I J i c a f r rm i em )

~14_ fmm~ de olf ld.:n E ! espec<

tro do FE ! tl fic~dor bif~ sIco.

F1S . CO l ll trO IE ! d e V e -

Icc:idi3de-Trlf~siro,

Em um variador tfpico a quinta harmonica contern 81 % de energia, enquanto que a setirna contern

42%. A presence de correntes em harmonicas de ordem mais elevada tarnbern e significativa.

Fontes de Allrnentacao Monofasicas

Na figura 16 vemos um circuito tfpico desse tipo de fonte.









1'16,. FOllt'E! di!! Allrnen-

h~~[) mOrlofiisiCiil,.

Pagina 8 de 9

Esse tipo de fonte comutada e encontrado em uma infinidade de equipamentos de uso dornestico e

comercial como computadores, impressoras, monitores de video, televisores, etc.

Como sao, em geral, equipamentos de baixa potencia, os efeitos da grande quantidade de harmonicas

que geram s6 se faz mais evidente em locais onde exista uma boa quantidade deles funcionando. Issosucede em predios de escrit6rios, instalacoes comerciais, etc.

A forma de onda na carga e a sua cornposicao harmonica sao ilustradas na figura 17.

I n tens i d !ade ( ' Y o ) I

100~

5 0 !

fU. form a d 12 onda 'E!i2'Sg::Ii!!ctron a

'C:~F9IiId!iil font!;! de ~llmellh~21[).

Observe que a 3a e 5a harmonicas sao as que mais contribuem para a deforrnacao do sinal. A taxa de

distorcao harmonica para este tipo de circuito chega aos 93% com um elevado fator de crista.

Maquinas de Solda

Uma caracterist ica desse tipo de equipamento e que seu consumo e instavel e ocorre em apenas uma

fase. Na figura 18 temos sua forma de onda.









A taxa de distorcao chega aos 58 %. A terceira harmonica e a que predomina com 56 % de

intensidade relativa.

conclusao

50!

Fill, Farm. ., de onda e e$pI;!ctro

para <J. lI l I iargulrnoi l de ~oltl~..

Conforme vimos, as formas de onda encontradas nos diversos tipos de dispositivos eletronicos e

eletricos fogem muito da senoidal ideal que a rede fornece. Isso implica na qeracao de harmonicas que

se refletem em toda a rede, podendo afetar 0 funcionamento de diversos tipos de dispositivos que sao

al imentados pela mesma rede.

Usar um instrumento capaz de dar uma inforrnacao real sobre a forma de onda e a intensidade de um

sinal numa rede, ou seja, um instrumento "true rms", e0

primeiro passo para se detectar os problemacausados por harmonicas.

* Materia originalmente publicada na revista Saber Eletronice; Ano: 47; W 460; Mar / Abr - 2012

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