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Harmónicos: origem, efeitos e soluções

ligado .

As correntes harmónicas são um dos fatores de maior influência na qualidade de rede das instalações, mais concretamente em referência à forma de onda. Ditas correntes provocam distorções que afastam o perfil da onda da referência senoidal ideal. Neste artigo, abordaremos os harmónicos desde a origem até às suas consequências, bem como as ferramentas ao alcance dos consumidores de energia elétrica para mitigar os seus efeitos.

A presença deste tipo de correntes parasitas nas instalações elétricas (tanto a nível doméstico, como a nível industrial) aumentou nos últimos anos devido à crescente implementação de cargas conhecidas como não lineares, que implicam a utilização de conversores eletrónicos para transformações CA-CC e CC-CA para fracionamento. Após a transformações mencionadas, as cargas acabam por consumir corrente com uma forma de onda distorcida.

Elementos tan comunes como los ordenadores requieren conversiones AC-DC
Elementos tão comuns como os computadores requerem conversões CA-CC.

Graças ao matemático Jean-Baptiste Fourier pode-se decompor dita forma de onda numa soma de correntes com frequências múltiplas da frequência fundamental (50-60 Hz).

Tratam-se, assim, de perturbações que têm origem nas próprias instalações, diferentes de outros fatores de qualidade de rede como poderiam ser a amplitude, a frequência ou a simetria, que são ocasionadas pelo fornecedor de energia.

Além dos mencionados efeitos na forma de onda em corrente, os harmónicos em corrente provocam também um efeito de distorção na onda de tensão, devido às quedas de tensão que se produzem ao circular ditas correntes através da impedância das linhas e transformadores.

Ditas distorções podem ser medidas mediante analisadores de redes e quantificam-se principalmente em percentagem de distorção ou taxa de distorção harmónica (THD). A nível internacional, existem normas que estabelecem os valores limite de distorção harmónica, que é importante minimizar porque os seus efeitos podem repercutir-se em instalações próximas de outros utilizadores (ver IEC-61000-2-2; 2-4; 3-2; 3-4; 3-12; IEEE-519-2014).


Depois desta introdução concetual, vejamos quais são as cargas não lineares mais comuns:

  • Conversores estáticos (grupos retificadores, variadores de velocidade, arrancadores suaves, carregadores de baterias...).
  • Equipamentos eletrónicos monofásicos como computadores, impressoras, autómatos programáveis, etc. Internamente trabalham em corrente contínua e dispõem de um condensador de filtro e um retificador à entrada.
  • Instalações de iluminação com lâmpadas de descarga.
  • Fornos de arco e equipamentos de soldadura.
  • Transformadores e reactâncias com núcleo de ferro, cuja magnetização não é linear.

cargas não lineares mais comuns

Um dos efeitos mais importantes da distorção em corrente causado pelas cargas listadas é um aumento da corrente eficaz na rede que acarreta um aumento desnecessário do consumo e problemas relacionados com o dimensionamento de cabos e transformadores.


As suas principais consequências são:

Sobrecarga de condutores

O aumento da corrente eficaz pode implicar que a corrente que vai circular pelos condutores seja superior à admissível dos mesmos, sendo necessário aumentar a secção destes, se não se tiver tido em conta o efeito causado pelas correntes harmónicas. Esta problemática pode ser especialmente crítica para os condutores de neutro, uma vez que os harmónicos triplos (de ordem ímpar múltipla de 3: 3, 9, 15), causados principalmente por cargas monofásicas, fazem com que o retorno das correntes harmónicas se produza pelo neutro somando-se entre elas. É essencial controlar o nível de excesso de intensidades no neutro, uma vez que o aquecimento excessivamente pode levar a degradações importantes, chegando inclusivamente a um corte do mesmo se não for devidamente controlado. O corte do neutro acarretaria uma sobretensão permanente na rede, destruindo equipamentos que não estejam protegidos contra esta situação.

Desclassificação dos transformadores

A presença de harmónicos na rede aumenta o valor das perdas por histerese e as perdas por correntes de Foucault nos transformadores, aumentando a sua temperatura de funcionamento reduzindo, assim, a sua vida útil. Assim, os transformadores afetados por correntes harmónicas sofrerão uma desclassificação da potência (perda de capacidade) na qual podem trabalhar sem gerar o aquecimento que exceda o normal.

Disparo de proteções

A corrente eficaz que circula pelos condutores pode ver-se alterada, de forma importante, com o aumento de corrente devido aos harmónicos da instalação, podendo chegar a superar os limites térmicos dos interruptores automáticos e fazendo-os disparar. Ainda que seja improvável, a presença de harmónicos pode chegar a provocar o disparo dos interruptores automáticos através de proteção magnética no caso de o fator de pico da onda de corrente superar o limite dos mesmos. É frequente encontrar fatores de pico elevados em cargas monofásicas como computadores ou iluminação de descarga. As correntes harmónicas têm um efeito indireto sobre o disparo de interruptores diferenciais, uma vez que o facto de circularem através de um diferencial não produzirá um disparo. Por outro lado, implicará um comportamento da rede a montante do diferencial caracterizado por uma elevada impedância perante as correntes harmónicas, fazendo com que estas circulem por capacidades parasitas ou elementos capacitivos conectados a terra (Filtros EMC), fazendo com que aumente o nível de fuga observado pela proteção diferencial ou provocando disparos intempestivos.

Ressonância e sobrecarga de baterias de condensadores

Os condensadores são elementos que podem apresentar ressonância em paralelo com o comportamento indutivo do transformador e da cablagem de alimentação da instalação. Esta ressonância faz aumentar muito a impedância do conjunto a uma frequência determinada que variará em função da potência da bateria de condensadores ou das condições de impedância do sistema de alimentação. Devido a estas características dos elementos capacitivos, e em combinação com a presença de harmónicos na rede, poder-se-ão produzir dois fenómenos prejudiciais para a instalação:

  • Em primeiro lugar, produz-se um aumento da taxa de distorção em tensão para toda a instalação onde se apresenta a ressonância, podendo afetar as restantes cargas.
  • Por outro lado, os mesmos condensadores e outros elementos da bateria de condensadores como os elementos de manobra, podem ficar danificados em consequência da sua menor impedância perante correntes harmónicas e do seu elevado grau de distorção em tensão que provocará um aumento do consumo de corrente dos condensadores podendo até queimá-los.

Uma vez tratadas as consequências dos harmónicos em corrente, vejamos as principais problemáticas relativamente aos harmónicos em tensão:

Distorção em tensão

A distorção em tensão é consequência da passagem de correntes harmónicas pelas impedâncias que fazem parte dos diferentes elementos de distribuição e alimentação da instalação. A distorção em tensão é especialmente relevante, dado que elevados níveis podem provocar avarias de equipamentos em instalações e, por este motivo, existem normas relativamente aos níveis de compatibilidade para este tipo de perturbações. A norma EN 50160 indica condições a cumprir tanto por parte do consumidor como parte do distribuidor no ponto de acoplagem (PCC), enquanto a norma 61000-2-4 estabelece limites máximos de distorção para o funcionamento correto de diferentes tipos de cargas. Em dita norma definem-se também diferentes classes de ambiente. A título de exemplo, o limite de distorção em tensão para a classe 1, que engloba cargas sensíveis como automatismos, computadores, etc. fixa-se em 5%. Isto significa que para valores superiores de distorção estes tipos de cargas podem ser afetadas e operar de forma inadequada.

Efeito sobre motores de indução

Os motores de indução verão aumentadas as suas perdas como consequência do aumento das correntes parasitas. Adicionalmente, e em função das sequências de rodagem que induzem os campos magnéticos provocados pelos harmónicos em tensão, o motor pode experienciar acelerações (sequência positiva), travagem (sequência negativa), ou ambos à vez, provocando vibrações e excentricidades que produzem o desgaste mecânico dos seus componentes. O estudo da desclassificação dos motores perante a taxa de distorção em tensão é indicado nas normas EN 60034-12 e NEMA MG1. Definitivamente, os fatores observados provocam uma perda de par no motor e uma diminuição do seu rendimento.

Perturbações de passagem por zero

Muitos dispositivos eletrónicos dispõem de controladores que ativam o funcionamento da carga com a passagem por zero da tensão. Isto emprega-se para minimizar os picos de corrente de comutação de muitas cargas indutivas e minimizar o seu impacto a nível de compatibilidade eletromagnética. Perante uma distorção em tensão, o funcionamento de ditos equipamentos pode ser totalmente errado, podem fazer com que se danifiquem, entrem em ciclo, se reiniciem, etc

Perturbações de passagem por zero

Uma vez analisadas as origens e os efeitos dos harmónicos, é importante destacar que o interesse para a sua eliminação das instalações elétricas não é puramente económico, mas está focado em garantir um fornecimento elétrico de qualidade. Ao contrário do que acontece com o fator de potência, hoje em dia não existem penalizações devido a problemas relacionados com a presença de harmónicos nas redes dos consumidores de energia elétrica.

A nível de poupança, pese embora se tenha comentado que os harmónicos fazem aumentar a corrente eficaz e isso implica um aumento do consumo energético, não é razoável implementar soluções de filtragem de harmónicos a fim de reduzir as perdas adicionais, uma vez que o equipamento exigido para tal finalidade acarreta um consumo que provavelmente não pressuporá uma poupança.


Então, com que objetivo se deve minimizar a presença de harmónicos nas nossas instalações?

A resposta a esta pergunta reside nas vantagens de dispor de energia elétrica de qualidade circulando pelo nosso sistema elétrico:

Evitar disparos desnecessários nas proteções e garantir o bom funcionamento dos equipamentos contribuirá para manter a continuidade no serviço, essencial em toda a atividade industrial.

O facto de manter as taxas de distorção em níveis reduzidos, permitirá conseguir poupanças excelentes na manutenção dos equipamentos, assegurando que estes trabalham sempre em condições ótimas e evitando avarias prematuras que afetarão tanto a continuidade no serviço, como o impacto económico de reparações ou substituições.

Além destas considerações, é necessário entender a segurança nas instalações elétricas como uma prioridade, sobretudo tendo em conta a presença de pessoal em interação com maquinaria e a prevenção de acidentes graves, como por exemplo, incêndios. Neste sentido, dispor de cablagem e equipamentos corretamente dimensionados para as condições de trabalho é algo chave na hora de minimizar falhas de isolamento e sobreaquecimento de componentes.

A proposta da CIRCUTOR: Filtros ativos AFQm

A última novidade da Circutor em matéria de filtração de harmónicos chega com o lançamento dos novos filtros ativos AFQm. A série AFQ renova-se com mais possibilidades graças a um design modular agora mais compacto, mais leve, mais eficiente e com a garantia de qualidade funcional do seu antecessor AFQevo.

O princípio de funcionamento do filtro AFQm é a injeção de correntes em contra fase em relação às correntes harmónicas circulantes na rede. O equipamento mede a taxa de distorção que chega e o compensa para obter o melhor ajuste possível a uma onda senoidal ideal, como ilustra a figura em seguida:

Princípio de funcionamento de um filtro ativo
Princípio de funcionamento de um filtro ativo

Desta forma, consegue-se uma filtração de alta precisão, contribuindo para manter um fornecimento elétrico de qualidade que se repercutirá numa maior eficiência e num melhor funcionamento global dos elementos na instalação, como se detalhou em pontos anteriores deste artigo.

Devido à elevada presença de harmónicos nas instalações elétricas da atualidade, os filtros ativos AFQm têm cabida numa variedade de aplicações, especialmente nas indústrias nas quais seja indispensável uma alta qualidade da forma de onda. filtração de alta precisão


Características do filtro ativo AFQm

Multifuncional
Multifuncional

O AFQm elimina os harmónicos e cuida da qualidade de fornecimento na sua instalação.

Filtro ativo multifunções com seleção prioritária entre as seguintes tarefas:

  • Filtração de correntes harmónicas
  • Equilíbrio de fase
  • Compensação de potência reativa

 

Prática
Prática

Instalação rápida e colocação em funcionamento em passos simples.

Basta realizar as conexões à rede do filtro e dos transformadores de medição, configurar o equipamento através do seu ecrã tátil e proceder à sua colocação em funcionamento. O próprio equipamento certificar-se-á de que o arranque se pode realizar com segurança graças a um sistema interno de autodiagnóstico.

Interativo
Interativo

O seu display a cores permite tanto configurar o equipamento, como visualizar o estado da instalação em tempo real.

  • Configuração do equipamento de forma confortável com um processo orientado e claro. Para conseguir um funcionamento ótimo do equipamento é possível selecionar individualmente os harmónicos a filtrar.
  • Solução de erros de conexão: Perante um problema comum como é a conexão errada dos transformadores de medição, basta aceder ao menu de configuração para o corrigir em poucos cliques.
  • Visualização em tempo real: Através do ecrã tátil também é possível visualizar, em tempo real, o estado do filtro, as leituras dos principais parâmetros elétricos, os diagramas fasoriais, formas de onda e o espetro de harmónicos. As informações apresentam-se de forma muito visual ao utilizador mediante gráficos e diagramas, para um reconhecimento instantâneo do comportamento da instalação e do equipamento. Neste sentido, o equipamento fornece informações dos 5 segundos anteriores à ativação de um alarme para um controlo total sobre o estado da instalação.

Solução de erros de conexãoVisualização em tempo real

Modular

Encontra a combinação que melhor se adequa às suas necessidades de filtração

Modular

A gama compacta AFQm consiste em 3 modelos de instalação em mural: 30A, 60A e 100A. Em comparação com o modelo anterior, os novos filtros ativos são agora mais compactos, mais leves e mais silenciosos e possibilitam um maior número de combinações. Para instalações com necessidades de maior capacidade de filtração, podem instalar-se modelos de 100A numa disposição tipo armário, conseguindo armários de até 400A. Neste tipo de configurações, apenas um dos módulos atuará como master, sendo este mesmo o encarregado pela gestão global do sistema de filtração. Deste modo, consegue-se uma poupança significativa em transformadores de medição e em cablagem elétrica, requerendo apenas 3 transformadores de medição conectados ao master e a cablagem do bus CAN entre os módulos slave. Em casos com uma procura de filtração ainda maior, a função master-slave pode ser alargada até 100 unidades conectadas em paralelo.

ModularModular

Comunicável

Gere o equipamento esteja aonde estiver através de PC ou de dispositivos móveis

O AFQm incorpora comunicações Ethernet TCP/IP e Modbus TCP para uma monitorização online através da página web, a partir da qual se podem extrair dados em formato Excel através de descarga direta (sem necessidade de software). Além disso, possibilita configurar o equipamento de forma completa, com todas as funcionalidades da configuração através do ecrã e permite realizar um acompanhamento do estado do filtro em tempo real e à distância.

A título de exemplo, poder-se-ia colocar o equipamento em funcionamento à distância, com pessoal in-situ apenas responsável pela instalação física do filtro e realizar as tarefas, como por exemplo, a supervisão de forma remota. Assim, conseguiremos poupar em custos de deslocação de pessoal técnico ao local da instalação, destinando este tipo de recursos quando for estritamente necessário.

Rastreável
Trazable

Todas as leituras ficam registadas na memória do equipamento para não perder qualquer detalhe

O filtro armazena leituras com uma periodicidade de um minuto e capacidade para 7 anos de registo de dados graças à sua memória interna de 2 Gb. Ditos registos poderão ser recuperados através de comunicações para uma análise de profundidade do comportamento da instalação.

Seguro

O equipamento integra todos os sistemas centrados para minimizar as suas necessidades de manutenção

O AFQm dispõe de uma série de sistemas que se encarregam de garantir a segurança do filtro em funcionamento:

  • Sistema de proteção para evitar o arranque se existir algum problema
  • Sistema antirressonância: o equipamento evita trabalhar em frequências concretas nas quais deteta ressonância
  • Sistema de gestão térmica inteligente: regulação da velocidade dos ventiladores e regulação da potência em condições de temperaturas elevadas
  • Ativação do modo seguro em caso de deteção de avaria
  • O equipamento realiza tarefas de autodiagnóstico do código e o hardware que as executam

Ativação do modo seguro

Consulte todas as informações referentes aos novos filtros ativos AFQm:

circutor32x32

Contacto

CIRCUTOR, SA
Vial Sant Jordi s/n, 08232
Viladecavalls (Barcelona) Spain
Tel: (+34) 93 745 29 00
Fax (+34) 93 745 29 14

Serviço de Assistência Técnica

(+34) 93 745 29 19

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