THD ou Distoro Harmnica TotalO que significa THD?A forma de onda da energia eltrica presente em nossa rede e nas tomadas senoidal uma forma de onda pura. A forma de onda pura gerada nas usinas hidreltricas e conforme a distribuio vai captando rudos e distores provocados pelas cargas.Quando a forma de onda senoidal foge ao padro pr-estabelecido, chamamos de distoro eltrica ou distoro da forma de onda. Uma forma de onda distorcida uma forma de onda deformada.Ao contrrio da senoidal que pura, quando maior distora, menor a qualidade da energia que estar alimentando o seu produto. Em nosso caso, que estar alimentando reator eletrnico.Considerando uma analogia com gua, se voc beber uma gua suja de um rio, voc vai matar a sua sede, porm vai beber de uma gua que no pura e voc pode ter algumas conseqncias mais tarde como contrair uma doena.Forma de onda a representao dos valores instantneos ( tenso e corrente ) em funo do tempo.Estas distores podero ser medidas com o que chamamos no ingls de THD ( Total Harmonic Distortion ), ou seja, Distoro Harmnica Total..Poderemos analisar os valores do THD atravs de aparelhos especficos que analisam a rede de energia eltrica.Resumido, quando a nossa energia eltrica gerada ( Tenso e Corrente )l, so ondas senoidais puras.Porm, ao longo do seu trajeto, ao levar a energia a todos os cantos e recantos para ser consumida por todo e qualquer produto que funciona com energia eltrica, assim como o nosso reator eletrnico a onda senoidal acaba ficando deformada pelas prprias cargas que esto alimentando gerando o THD que so as impurezas que retornam rede prejudicando equipamentos, aparelhos, transformadores que estiverem ligados nesta rede.Obs: De acordo com as normas vigentes para reatores eletrnicos, um reator para ser considerado de alto fator de potncia, precisa que seu THD seja < 32%, acima deste valor o reator passa ser de baixo fator de potncia.Porque o reator alto fator de potncia mais caro que o de baixo fator de potncia?Exatamente por possurem mais componentes que integram o circuito de filtro do THD e o circuito de proteo contra partida mal sucedida da(s) lmpada(s).

Harmnicos e inversores de freqncia: o que voc est perdendo com isto?

Com a utilizao de cargas eletrnicas de grandes potncias nas indstrias, o impacto das correntes harmnicas na rede eltrica precisa ser consideradoPor tratar-se de um assunto novo e muitas vezes desconhecido, devemos primeiramente entender o que so as correntes harmnicas, para depois compreender quais os novos parmetros eltricos usados para med-las. Em um segundo momento, faremos uma anlise de quais novos problemas sero encontrados e suas possveis solues prticas para reduzir o efeito das harmnicas na instalao eltrica.Veja tambmSeis solues para lidar com harmnicas em inversores de freqncia

Situao no-linear

Quando colocamos um motor de induo em acionamento, medimos com instrumentos corretos sua corrente. Geralmente, o formato que vemos na tela de um osciloscpio o mostrado nafigura 1 .

As perguntas que devem ser respondidas so as seguintes:

Qual o valor nominal dessa corrente? Qual a queda de tenso provocada ao longo de um cabo quando flui esta corrente? Qual o aquecimento causado nos cabos, dispositivos e conectores que se encontram ao longo do percurso dessa corrente? Qual a potncia do transformador que deve alimentar esta carga no-linear? As relaes entre as potncias ativas, reativas e aparente continuam as mesmas? Qual o fator de potncia dessa carga? Ocorre algum impacto na tenso de alimentao, caso coloquemos muitas cargas desse tipo?

Portanto, uma nova maneira de analisar esta caracterstica necessria para dimensionar o impacto da aplicao de um inversor de freqncia e analisar as opes que os fabricantes oferecem como soluo a este problema. Isto pode ser um diferencial na escolha de uma determinada marca para a aplicao que se pretende acionar atravs de um inversor.

O mtodo usado chama-se Anlise de Fourier, que consiste em decompor uma determinada forma de onda distorcida em suas componentes senoidais. Cada uma tem uma intensidade diferente, mas existe uma relao de nmero inteiro entre suas freqncias diferentes. Outra diferena entre elas seria o ngulo de fase, onde uma senide encontra-se deslocada com relao a uma senide fundamental que contenha a freqncia bsica da forma de onda distorcida que estamos analisando. Uma seqncia de figuras pode ilustrar melhor como esta anlise matemtica deve ser entendida.

Consideremos que a corrente de um inversor de aproximadamente 77 ampres e com a forma indicada nafigura 2. Para chegarmos a este valor devemos decomp-la nas componentes senoidais, que ficariam conforme ilustrado. A freqncia bsica ou fundamental teria esta forma.

Continuando o processo de decomposio, a primeira senide mltipla desta fundamental e, portanto chamada de harmnica, teria uma freqncia com valor igual a cinco vezes a da fundamental. Com a soma das duas, instante a instante, conseguiramos obter a forma de onda original com um bom grau de semelhana, considerando a amplitude correta, bem como o ngulo de fase conforme visto nafigura 3.

Continuando esse processo, vemos nasfiguras 4 e 5a presena das harmnicas de ordem 7 e 11 e, posteriormente, nafigura 6, uma onda intermediria que a soma das harmnicas de ordem 5, 7, e 11.

Este processo de decompor uma forma de onda distorcida na sua srie de senides, nos permite descobrir quais as correntes que fluem pelo circuito. Assim possvel calcular seus efeitos separadamente pela Lei de Ohm, como ensinado nas escolas. Depois, a soma desses efeitos equivalente ao efeito gerado pela onda original da corrente do inversor . Este processo pode ter a profundidade que desejarmos para obtermos a preciso necessria aos nossos objetivos. Por exemplo, o resultado de adicionarmos as harmnicas de ordem 13, 17, 23, 25, 29 pode ser observado nagura 7.

E nagura 8podemos comparar todas as formas de onda no mesmo grfico, dando uma boa idia de como elas se relacionam entre si e com a onda original.

Mas lidar com tabelas e grcos pode ser muito trabalhoso, ainda bem que existe um parmetro que muito usado para dimensionar o grau de distoro, e que, na prtica, utilizaremos nos clculos necessrios para dimensionamento da instalao eltrica.

A Distoro Harmnica Total ou THD (sigla em ingls) um valor percentual que relaciona a quantidade de harmnicos e a intensidade da corrente fundamental para nos informar a in uncia das correntes harmnicas de uma carga no-linear.

Para termos uma idia, o THD da forma de onda do exemplo dado neste artigo seria de 46,3 %.

Impacto do Inversor de freqncia

Mas, como esse parmetro serve para mensurar o impacto do uso do inversor num determinado circuito? Comparemos ento uma situao tpica onde um motor, antes acionado diretamente pela rede eltrica, passa agora a ser controlado pelo inversor de freqncia.

Alguns dados so mostrados para comparao e se destaca o aumento no consumo de potncia aparente (34 kVA na partida direta contra 37 kVA no uso do inversor). A perda por aquecimento aumentou 19% e a queda de tenso ao longo do cabo foi maior em 9%. Isto porque a corrente consumida do transformador aumentou 9,1%.

Uma outra caracterstica importante a piora do fator de potncia que passa a ser calculado de forma diferente, considerando-se a inuncia dos harmnicos (levando em conta a relao entre a potncia ativa e a aparente em todas as freqncias envolvidas e no somente em 60 Hz).

Isto porque o mtodo de clculo de alguns dos valores segue as seguintes equaes:

Fator de potncia real em funo do THD e do fator de potncia de deslocamento.

Corrente nominal de uma carga no-linear em funo da corrente de 60Hz e do THD.

E, portanto, os outros valores acima mencionados so inuenciados da forma j descrita.

Resumindo, podemos perceber as perdas energticas atravs dos seguintes fatores:

Aumento da corrente consumida pela carga = maior custo de energia eltrica.

Maior perda por aquecimento na instalao (cabos, conectores, contatores, disjuntores, fusveis ).

Gerao de ponto quente na instalao.

Desgaste excessivo da isolao por sobreaquecimento.

Maior consumo de ar-condicionado refrigerando uma sala onde se encontram os painis.

Temperatura de cabo em bandeja subterrnea acima da especificao => deteriorao acelerada de cabos.

Desarme de disjuntor ou queima de fusvel de forma acidental ou intermitente. => reespecificao do dispositivo.

Painis, gavetas de CCM com maior aquecimento => Maiores painis ou maior ventilao forada.

Maior queda de tenso =>possvel troca de cabo no bandejamento.

Pior fator de potncia real = maior custo de energia eltrica =Mais kVA fornecido para realizao de mesmo trabalho com mesmo kW => Redimensionamento de transformadores, geradores, etc.

Alguns outros riscos esto presentes quando um ou vrios inversores de freqncia esto operando numa mquina. Os principais so: o aparecimento da terceira harmnica quando usamos inversores com alimentao monofsica (motores de pequena potncia), causando um aquecimento maior no cabo neutro da instalao trifsica que contribui para espalhar o efeito do uso do inversor. Diversos dispositivos eletrnicos necessitam manter a tenso entre neutro e terra em valores aceitveis. O desbalanceamento pode ser provocado pelo neutro.

Outro risco de grande porte a possibilidade do aparecimento de ressonncia entre o banco de capacitores de correo do fator de potncia, a indutncia e a resistncia da prpria instalao eltrica e uma determinada freqncia das correntes harmnicas. Em locais onde a queima do fusvel de proteo dos capacitores muito freqente (ou at mesmo do prprio capacitor) deve ser estudada a configurao do circuito, posio dos inversores com relao aos capacitores e vrias medies devem ser realizadas para provermos solues que reduzam os harmnicos.

Talvez o impacto mais perigoso do uso dos inversores seja a distoro de tenso que pode aparecer quando a distoro de corrente muito significativa para a rede eltrica onde instalamos o inversor. Este o tpico de que tratam diversas normas, sendo a mais conhecida a recomendao IEEE 519.

Toda a importncia desta situao se deve ao fato de que, quando a tenso se distorce alm de um certo ponto, ela passa a alimentar as outras cargas de forma que at uma simples resistncia passa a ter correntes harmnicas e o efeito em cascata desse fenmeno pode tornar a situao incontrolvel. Principalmente em plantas industriais antigas, onde se adicionaram vrios inversores ou mesmo um inversor de grande porte num determinado local.

Nasfiguras 9 e 10temos duas situaes do mesmo inversor, com a mesma corrente distorcida (em vermelho), mas ligado num transformador de 1500 kVA: na 1 a tenso se mantm senoidal, mas na segunda situao com o mesmo inversor num transformador bem menor (75 kVA) resulta em tenso bastante distorcida. E esta distoro muito perigosa para as outras cargas que estejam presentes na mesma instalao.

Portanto, ao ligar um ou vrios inversores podemos constatar que outras cargas se comportam de forma esquisita, ou at mesmo param de funcionar (tais como: CLPs, medidores, sensores, rels, etc).

Assim sendo, alm da medio do THD da corrente dos inversores e da obteno de informao de cada fabricante, para realizarmos um estudo tcnico, devemos medir o THD da tenso em vrios pontos do circuito para determinar se a reduo dos harmnicos necessria; ou se preciso colocar um inversor de freqncia para acionar o motor em questo.

Toda esta anlise pode ser feita com clculos complexos em softwares especficos, onde um tcnico simula as condies operacionais com os dados do circuito e verifica a possibilidade de uso de filtros de harmnicos ou o emprego de uma tcnica para reduzir as correntes harmnicas sem prejudicar a performance do conjunto inversor motor. regra geral que o valor recomendado para o THD de tenso no ultrapasse os 5%.

Estes impactos nos trazem problemas ligados qualidade do fornecimento de energia eltrica, o que pode fazer equipamentos mais sensveis funcionarem mal, medirem erradamente e, at mesmo, pararem de funcionar. Tambm de forma reduzida as conseqncias so:

Mau funcionamento de equipamentos alimentados por tenso distorcida devido a vrias passagens por zero (ou at a no passagem) da onda de tenso.

Rudo transmitido a outras cargas devido distoro de tenso .

Sobreaquecimento e reduo de torque para motores de induo, necessitando serem sobre dimensionados.

Leitura incorreta nos medidores e rels, aumentando tempo de manuteno ou necessitando a troca => Aumento de custos.

Interferncia em linhas telefnicas e sistemas de comunicao => campo eletromagntico em freqncias acima de 60 Hz.

Probabilidade de aparecimento de ressonncia no sistema eltrico, criando sobretenso => acidentes, risco de exploso (capacitores), queima acidental de fusveis, parada de produo, multas de fornecedor de energia eltrica por baixo fator de potncia.

Problemas causados pelo achatamento da tenso => a alimentao incorreta de equipamentos eletrnicos, gerando mal funcionamento de sistemas de controle e comunicao .

Certamente, uma soluo para estes problemas deve ser procurada e diversos mtodos existem para atingirmos este objetivo. Cabe ao comprador de um inversor, analisar as ofertas disponveis no mercado, bem como solicitar do fabricante dados que o auxiliem nos clculos. Normalmente, no catlogo do produto analisado alguns acessrios so direcionados para reduzir harmnicos, ou indicado um departamento de Engenharia do fornecedor que possa encontrar a melhor soluo para uma determinada situao.

Na prxima edio da Revista Mecatrnica Atual voc ver quais so as solues possveis para resolver esse problema.

Solues possveis

Entre outros mtodos, veja abaixo alguns deles que analisaremos:

Reator/indutor na entrada CAReator/indutor no barramento CCRetificador 12 PulsosFiltro PassivoFiltro AtivoFiltro passa-baixa

Antes de detalharmos estas solues precisamos ter em mente que o THD de um inversor vria com a carga que trabalha. Ou seja, quando a corrente do motor reduz o seu THD tambm se modifica, sendo mais uma caracterstica no-linear do funcionamento do inversor.

Seis solues para lidar com harmnicas em inversores de freqncia

Na edio passada, o leitor pde ver o que so as correntes harmnicas e alguns parmetros eltricos usados para med-las. Veja agora seis solues possveis para resolver o problema na sua empresa.Em uma indstria, os pequenos motores no sofrem tanta influncia das distores harmnicas. Enquanto o THD (Distoro Harmnica Total) aumenta, a corrente diminui e sua influncia num determinado circuito tambm reduzida. Mas quando usamos um inversor de grande potncia, mesmo com a reduo de sua corrente, ainda assim sua influncia pode ser danosa ao circuito de alimentao e devemos analisar a pior situao possvel (abaixo de 40 % da corrente nominal).

Outra informao que devemos ter em mente a forma de onda bsica da corrente de um inversor de freqncia sem nenhum filtro. A ligao bsica do circuito, consiste de um transformador que alimenta diretamente o inversor e as nicas impedncias relevantes presentes: so as do cabo e do prprio transformador. A forma de onda com dois picos por semiciclo deve-se ao carregamento do capacitor do inversor. Para comparaes posteriores, devemos observar no grfico de espectro quais as harmnicas que esto presentes. O THD tpico de 80 % a 120% significa que para cada 100 ampres de corrente fundamental teremos de 80 a 120 ampres de correntes harmnicas. Para um pequeno motor no teremos problemas, mas caso tenhamos 20 x 5 HP, a corrente no pico pode chegar a 300 ampres.Veja tambmHarmnicos e inversores de freqncia: o que voc est perdendo com isto?

1Geralmente a mais usada quando o inversor no possui nenhum tipo de filtro, a colocao de um reator no circuito de entrada do inversor, adicionando uma impedncia de 3 a 5% no circuito de alimentao. Desta forma, o circuito fica com uma impedncia cada vez maior. Quanto maior for a freqncia da harmnica, reduzindo seus valores nominal e de pico (at quase a metade), maior ser a reduo das harmnicas de ordem 5 e 7 e o THD passa a ficar entre 60 e 30% .Trata-se da soluo mais econmica, desde que o filtro no venha dentro do inversor. O reator ocupa pouco espao e simples de montar. Pode ser usado um reator para vrios inversores, dando flexibilidade soluo. Tambm no torna o acionamento do motor dependente do filtro, apesar de passar a trabalhar com uma forte presena de harmnicas. Isto pode ser observado nafigura 1. Previne contra desarmes espordicos do inversor devidos a transientes de tenso causados por chaveamento na rede de alimentao.

Porm, esta soluo cresce o custo da compra do inversor. Ela aumenta a dissipao trmica dentro do painel e requer uma ventilao maior, com queda de tenso adicional. Pode chegar a at 5% no barramento CC em plena carga, o que faz o motor perder torque para acionar a mquina. Para aplicaes onde o controle do torque imprescindvel, esta caracterstica deve ser levada em considerao. Testes indicam que com a variao da carga, a tenso no barramento CC flutua muito mais com reator do que sem ele.

Para comparao de custos, podemos ver natabela 1qual o acrscimo de custo de um inversor com e sem reator. Podemos ver que, para pequenos inversores (exemplo: um de 0,5 HP) o acrscimo no custo para comprar um reator adequado de 60 %, mas para 100 HP este aumento de 25 %.

Como o impacto de um pequeno inversor irrelevante numa instalao, podemos aperfeioar a soluo com o uso de um reator maior para vrios inversores. Lembre-se que o efeito do reator melhor quando todos os inversores esto operando ao mesmo tempo e a plena carga. Se tivermos situaes onde isto no acontece, uma anlise via software deve ser realizada.

2A segunda soluo a ser analisada muito parecida com a primeira, porm o reator fica interno ao inversor, localizado no barramento CC, conforme mostra afigura 2. Esta soluo est presente na maioria dos inversores acima de 5 HP. constituda por dois enrolamentos numa bobina comum, um na parte positiva e outro na parte negativa, logo aps a ponte retificadora.

Nesta soluo, a suavizao da corrente, assim com o indutor na entrada est acima de 25% da corrente nominal. A corrente fica mais constante, fazendo o THD manter-se em torno de 30 a 40 % e o espectro, com melhora na reduo da 5 e 7 harmnicas.

Podemos ver que o reator no barramento CC apresenta uma reduo ainda maior no THD e tem a vantagem de vir como soluo pronta dentro do produto. Possui tamanho menor e melhor resposta na flutuao de tenso do barramento CC com relao ao percentual de carga que o inversor est operando. Outro ponto importante o aquecimento trmico menor, tanto dentro do inversor quanto nos cabos de alimentao. Para comparao, atabela 2mostra o custo adicional quando compramos inversor com ou sem reator no barramento CC.

3A partir desta terceira soluo, os custos so bem mais altos e devem ser analisados quando a necessidade de reduo das harmnicas grande, ou pior: quando a responsvel pelo funcionamento da planta industrial. Podemos construir um inversor, cujo retificador de entrada j produza um THD bem menor. Para tal, usamos um retificador de 12 pulsos que constitudo por dois retificadores comuns de seis pulsos, mas ligados de duas maneiras diferentes, conforme se v nasfiguras 3 e 4.

Apesar de ser um inversor mais sofisticado, o grfico de espectro mostra uma reduo das harmnicas bem drstica. Como qualquer soluo tcnica, o uso do retificador de 12 pulsos tem suas vantagens e desvantagens.

Para situaes onde a tenso de alimentao desbalanceada, o retificador de 12 pulsos tem seu desempenho de reduo de harmnicas prejudicado, chegando at a no ter o efeito esperado. Tambm para situaes de baixa carga (bem abaixo da corrente nominal) o desempenho comprometido.

4Para a quarta soluo usaremos o filtro passivo, que constitudo de um conjunto reator capacitor sintonizado na freqncia da harmnica que desejamos reduzir. Conforme vemos nafigura 5, ele colocado entre a subestao e o inversor e tem um bom resultado na reduo do THD, com a vantagem de ser produzido para uma harmnica especfica.

O resultado na reduo do THD (figura 6), com o teste de vrios modelos de filtros, demonstra que todos tiveram seu desempenho bem prximo um do outro. Tambm podemos ver a comparao com a soluo de 18 pulsos e de 6 pulsos. Constatamos, inclusive, que o resultado similar a um retificador de 18 pulsos com o custo bem menor, mas sua aplicabilidade prtica fica restrita a certas condies e cuidados.

Especial ateno deve ser tomada para evitar ressonncia com a rede de alimentao, onde ele pode absorver harmnicas de outras cargas que no a do inversor para a qual foi fabricado (as correntes capacitivas podem provocar instabilidade quando so alimentadas). O barramento CC do inversor passa a sofrer uma grande flutuao de tenso entre o trabalho em vazio e a plena carga, prejudicando o torque do motor. Filtro usado em rede de 50 Hz (na Europa) no deve ser posto em funcionamento numa rede de 60 Hz (no Brasil). Caso o filtro de ordem 5 se danifique, o filtro de 7 ordem deve ser sintonizado de novo para operar na nova freqncia. H a possibilidade de haver fator de potncia capacitivo em baixas cargas, resultando em multa da concessionria.

E, finalmente, esta soluo totalmente particularizada e estudada caso a caso, tendo um custo de engenharia mais elevado do que as outras, sendo tambm sem muita flexibilidade para futuras ampliaes e/ou modificaes que aconteam. Mais recentemente algumas opes esto aparecendo no mercado.

5Nossa quinta soluo um filtro ativo, que funciona com mais um circuito eletrnico colocado de forma a analisar a forma de onda em tempo real e atravs de um algoritmo de controle, um microprocessador gera uma corrente numa forma especfica somada corrente do inversor obtendo-se uma forma senoidal. Seu resultado um dos melhores possveis, pois extremamente adaptvel e pode ser dimensionado com folga para futuras ampliaes. Seu trabalho pode ser monitorado e registrado em computador para estudos posteriores. Nafigura 7podemos ver seu princpio de funcionamento.

Nessa soluo acontece a quase perfeita reduo das harmnicas, deixando o usurio livre para qualquer configurao de inversores que desejar, inclusive no caso de baixas cargas onde a distoro aumenta. No necessita nenhum acessrio especial e suporta bem o desbalano de tenso. Tem relativa pouca perda de energia (comparado com outras solues anteriores) e trabalha com diversas harmnicas ao mesmo tempo. No interfere na tenso do barramento CC do inversor.

Por outro lado, seu tamanho e custo so proporcionais potncia do inversor. Necessita de uma equipe de manuteno com forte conhecimento em eletrnica de potncia, pois seu circuito muito similar ao de um inversor, com transistores IGBT na mesma configurao, porm com mtodo de controle diferente do que aciona o motor. Hoje, sua viabilidade s possvel quando a soluo atinge a vrios inversores, ou feita em conjunto com outras menos dispendiosas. Entretanto, seu custo vem se reduzindo ao longo dos anos e, dentro em breve, dever se tornar mais vivel como soluo individual.

6Como sexta soluo podemos usar o filtro passa - baixas que possui bom desempenho e um custo relativamente menor que o filtro ativo. Conforme mostra afigura 8. a colocao deste tipo de filtro passivo na entrada do inversor faz com que somente um percentual muito reduzido de harmnicas fluam pela rede, tendo um THD comparvel com um retificador de 18 pulsos, mas sendo tecnicamente uma soluo bem mais simples .

Este tipo de filtro menos sensvel ressonncia da rede. Ele no altera muito seu desempenho com o desbalano de tenso. Tem custo menor que as anteriores, com fcil reposio de peas e manuteno, pois, basicamente constitudo de reatores e capacitores. Ele no altera a tenso do barramento CC entre funcionamento em vazio e a plena carga.

Alguns cuidados inerentes sua operao so: o fator de potncia pode ficar capacitivo com cargas abaixo de 40% da corrente nominal; os capacitores so dispositivos muito sensveis s perturbaes da rede e, portanto, carecem de mais ateno; seu tamanho proporcional potncia do motor; necessita de espao para instalao.

*Originalmente publicado na revista Mecatrnica Atual - Ano 6 - Edio 35 - Ago/Set/07