4 harmonicas, Manuais, Projetos, Pesquisas de Eletrotécnica

Baixe 4 harmonicas e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Eletrotécnica, somente na Docsity! A MODERNA EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA E SEUS POSSÍVEIS EFEITOS SOBRE O DESEMPENHO OPERACIONAL DE EQUIPAMENTOS E INSTALAÇÕES ELETRICAS Distorções Harmônicas - Uma Revisão de Conceitos Gerais Eng. Marcos Isoni Diretor Técnico da Engeparc Engenharia Ltda e Consultor de Empresas 1. INTRODUÇÃO Objetivando apresentar uma revisão geral de conceitos técnicos, este artigo procura abordar as influências e possíveis efeitos da aplicação das modernas técnicas de eficientização energética e “up-grades” tecnológicos sobre o comportamento de equipamentos e instalações elétricas, notadamente no que se refere ao surgimento e aos impactos das distorções harmônicas. A abordagem desse tema, com foco nas instalações consumidoras de energia elétrica, é motivada por três importantes razões que, via de regra, têm contribuído para despertar grande interesse da comunidade técnica da área sobre o assunto. São elas : -a crescente ênfase que se tem dado à eficientização energética, principalmente nos segmentos industrial e comercial, através da disseminação de informações e do estímulo à implementação de medidas calcadas na utilização de equipamentos e sistemas energeticamente mais atrativos, tais como os sistemas de controle de velocidade dos motores elétricos de indução e os reatores (ou balastros) eletrônicos para as cargas de iluminação; sabe-se que tais medidas, embora interessantes sob o ponto de vista eletro-energético em vários casos, podem promover a elevação dos níveis de distorções harmônicas nas instalações elétricas e gerar uma série de problemas técnicos, se adotadas indiscriminadamente. -a elevação dos níveis de sensibilidade dos atuais equipamentos eletro-eletrônicos perante as variações da “Qualidade da Energia”, a maioria deles controlada através de sistemas microprocessados e outros componentes eletrônicos influenciáveis por muitos tipos de distúrbios que possam vir a ser gerados na rede elétrica onde encontram-se inseridos. -a maior conscientização dos usuários finais de energia elétrica quanto à necessidade de manutenção do bom desempenho energético de suas instalações internas, buscando a minimização de paralizações e a redução de problemas ocasionados pelos efeitos negativos eventualmente gerados por equipamentos presentes em seus próprios sistemas. O foco principal da abordagem aqui desenvolvida reside na correlação entre a moderna eficientização energética e seus possíveis efeitos sobre as características operacionais de equipamentos e das redes elétricas em si. O assunto é tratado basicamente em 2 etapas sistematizadas em 4 itens. Na primeira etapa (Itens 2 e 3) busca-se conceituar teoricamente, de maneira objetiva e didática, as “harmônicas” e caracterizar as distorções delas decorrentes. A segunda etapa (Itens 4 e 5) enfatiza, no Item 4, as fontes clássicas de distorções harmônicas e, de maneira genérica, seus possíveis efeitos sobre as instalações elétricas. No Item 5 são abordados, com enfoque qualitativo, os possíveis impactos dos modernos procedimentos de eficientização energética sobre a Qualidade da Energia nas instalações consumidoras, sobretudo no que se refere aos efeitos mais específicos das distorções harmônicas sobre os principais componentes normalmente presentes (motores elétricos, transformadores, condutores, sistemas de iluminação, dispositivos de proteção, medidores de energia, etc). As soluções geralmente adotadas para eliminar ou pelo menos minimizar os efeitos indesejáveis das distorções harmônicas (algumas delas apenas citadas no Item 6, Conclusões e Considerações Finais) não serão abordadas nesse artigo, pretendendo-se sistematizar o assunto em artigo técnico específico a ser possivelmente apresentando no futuro. 2. HISTÓRICO E CONCEITOS BÁSICOS A partir do início do século XX, e há até algumas décadas atrás, as instalações elétricas em geral supriam, quase que exclusivamente, apenas cargas de natureza linear, ou seja, cargas constituídas essencialmente por elementos resistivos, indutivos e capacitivos, perfazendo-se impedâncias consideradas constantes. As “cargas lineares” são as que obedecem à Lei de Ohm e caracterizam-se por drenar da rede elétrica correntes proporcionais à tensão a elas aplicada, preservando-se formas de onda com comportamentos compatíveis entre si, ainda que possa haver defasamentos angulares entre elas (note-se que para um elemento reativo - capacitor ou indutor — haverá um defasamento entre a tensão e a corrente, mas o comportamento ainda será linear). Aquecedores resistivos, lâmpadas incandescentes e motores elétricos são exemplos de cargas que se comportam linearmente. As figuras 1a e 1b indicam o comportamento das ondas de tensão e corrente (em configuração monofásica) para um aquecedor resistivo e para um motor elétrico convencional, cargas tipicamente lineares. CORRENTE(A) o 1120 TEMPO (5) CORRENTE ENSÃO FIGURA 1a MOTOR 1rizo TEMPO (5) — CORRENTE — TENSÃO FIGURA tb As componentes alternadas dessa série apresentam frequências que são múltiplas da frequência fundamental e são denominadas “harmônicas” (ver Boxe 1). No caso da energia elétrica no Brasil a frequência fundamental é 60 Hz (usualmente denominada “frequência industrial”) e suas harmônicas de 3º, 5º, 7º e 9º ordem por exemplo, correspondem, respectivamente, às frequências de 180 Hz (3x60Hz), 300 Hz (5x60Hz), 420 Hz (7x60 Hz) e 540 Hz (9x60Hz). Boxe 1 - O porque da denominação “harmônicas” O termo “harmônicas” vem da física, mais especificamente do estudo dos movimentos ondulatórios. Quando uma partícula ou uma onda se propagam oscilando periodicamente (repetitivamente) em torno de uma posição de equilíbrio, esse movimento pode ser traduzido matematicamente por funções senoidais ou co-senoidais, denominando-se “movimento harmônico”. Tecnicamente uma harmônica é a componente de onda periódica cuja frequência é um múltiplo inteiro* da frequência fundamental. Isso pode ser facilmente visualizado através da Figura 3. Nela apresentam-se três formas de onda distintas. Uma onda senoidal considerada à frequência industrial (60 Hz) e duas outras representando determinadas ondas harmônicas. Como para a segunda e a terceira ondas os ciclos se repetem, respectivamente, 3 e 5 vezes no mesmo período de tempo em que a onda fundamental descreve apenas 1 ciclo, verifica-se que elas representam as harmônicas de 3º e 5º ordem (ou a 3º e 5º harmônicas) relativamente à onda fundamental. Consequentemente, oscilam com frequências de 180Hz e 300Hz. Raciocínio análogo pode ser aplicado a outras ondas senoidais cujas frequências sejam outros múltiplos da frequência da onda fundamental. * Existem, também, harmônicas cujas frequências não são múltiplos inteiros da frequência fundamental e que são denominadas “inter-harmônicas”. Esse tipo de harmônicas é produzido, por exemplo, em circuitos de alimentação de fornos elétricos a arco devido, dentre alguns outros fatores, à característica aleatória e imprevisível dos arcos elétricos gerados entre os eletrodos. ONDA FUNDAMENTAL 3º HARMÔNICA 5º HARMÔNICA CORRENTE (A) CORRENTE (4) CORRENTE (4) o tão uso o uno uso o uizo uso TEMPO(S) TEMPO (5) TENPO(S) FIGURAS Na Figura 4 pode-se visualizar qual seria a forma de onda resultante da soma ponto a ponto das 3 formas de onda apresentadas na figura 3. O resultado é uma onda distorcida, que deixa de ser perfeitamente senoidal e que reflete uma “Distorção Harmônica”. Nesse caso específico, diz-se que a forma de onda resultante apresenta conteúdo de 3º e 5º harmônicas. Entretanto, os conteúdos harmônicos podem variar em uma ampla gama de frequências dependendo do tipo de carga em questão e da forma de controle da tensão e frequência aplicadas. ONDA FUNDAMENTAL + 3: HARMÔNICA + 5º HAMÔNICA. CORRENTE (A) o imo uso TEMPO (5) FIGURA 4 Esse fenômeno, causado nas instalações elétricas pelas cargas que apresentam-se como não- lineares (por características próprias ou quando submetidas ao controle operacional por meios eletrônicos), não se trata de um assunto do qual se tenha conhecimento apenas recentemente. Tais distorções são conhecidas há várias décadas. Entretanto, somente a partir dos últimos 20 anos os engenheiros da área elétrica têm estudado tais efeitos de forma mais abrangente e sistêmica, uma vez que tratam-se de distúrbios que podem vir a causar uma série de problemas nas instalações elétricas. Na realidade esse é um tema que vem adquirindo importância crescente nos últimos anos e que proliferou no meio técnico de maneira mais efetiva a partir da década de 1980, principalmente nos Estados Unidos, no âmbito do que se convencionou denominar “Power Quality” (termo adotado, na língua poruguesa, como “Qualidade da Energia”). A expressão “Qualidade da Energia” traduz um conceito bastante abrangente sob o qual abrigam-se a identificação, a avaliação e a busca da minimização de vários tipos de distúrbios que podem se manifestar nas formas de onda de tensão e de corrente resultando em insuficiência, operação indevida, falha ou defeito permanente em um sistema ou rede elétrica. A gama de problemas que fazem parte do escopo de abrangência da “Qualidade da Energia” é extensa : variações de tensão - transitórias, momentâneas (“sags” e “swells”) e sustentadas, variações momentâneas de frequência, flutuações de tensão, “flicker”, desequilíbrios de tensão e distorções harmônicas, dentre outros. Ainda não existe uma norma brasileira devidamente consolidada sobre esse assunto e, como fontes de diretrizes, referências e limites, têm sido adotadas documentações de fabricantes de equipamentos e normas internacionais. Nos últimos anos, diversas normas internacionais sobre o assunto foram publicadas, em particular a IEC 61800-3, IEC 61000-3-2, IEC 61000-3-4 e IEEE 519-92. Na abordagem aqui desenvolvida serão tratadas apenas as questões relativas especificamente às distorções harmônicas geradas internamente às instalações consumidoras e que podem ser consideradas como “subprodutos” da eletrônica de potência. Juntamente com as variações instantâneas ou transitórias de tensão e os “Voltage Sags” (depressões, afundamentos ou mergulhos de tensão), tais distorções podem ser consideradas os distúrbios que mais afetam os sistemas elétricos industriais, inclusive com influências desfavoráveis sobre o comportamento energético de equipamentos e instalações, como será visto mais adiante. 3. DISTORÇÕES HARMÔNICAS — ALGUNS CONCEITOS TÉCNICOS As ondas resultantes da distorção harmônica são ondas não-senoidais, desenvolvendo-se na mesma frequência e com o mesmo período da onda fundamental do sistema (observar novamente a Figura 4). Tais distorções são um fenômeno contínuo e estacionário, ou seja, estarão presentes sempre que sua fonte causadora encontrar-se em operação e desde que não se implementem meios para sua minimização ou eliminação. A forma mais usual de expressão de uma distorção harmônica é a Distorção Harmônica Total ou DHT (muitas vezes utiliza-se a sigla THD, equivalente à expressão “Total Harmonic Distortion”, na língua inglesa). Esse índice, expresso geralmente sob a forma percentual, representa a distorção devida a todos as harmônicas presentes em uma onda resultante e é calculado através das equações apresentadas a seguir. Equação básica : Obs. : Valores eficazes (RMS). 'Somatórialos quadradosie todasas amplitudeslas harmônicagresentes | Amplitudela onda fundamenta DHT(%)= 100 .Distorção Harmônica de Tensão (Total) : 100 [3%] .Distorção Harmônica de Corrente (Total) : 100[%] Componentes Harmônicos. 2 Imprime 1001/2001 110625 lb= 254774 DHT= 10,60% Frarm. arm. (3) THA) Angulo (ºy tom 100.00 ass em Hd 1021 0.81 2.65 192.39 tos 9.46 asas sa.48 to41 0.33 1.16 a46.24 1081 3.84 13.55 11.29 1061 0.18 0.6 258.44 tom 2.08 7.84 216.46 tos) 0.74 2.60 24.27 tos1 0.44 1.55 se. b o o.05 oo essi am 0.32 Liz Josias nz 0.54 1.50 217.00 us o.s2 Les 191.67 (a 0.60 212 sa1.29 ns 0.15 os a7s.64 ne 0.32 114 712 om 0.44 1.54 asm.00 ns 0.32 Li 394.07 s 0.37 130 22.19 1201 0.40 149 292.65 cem 0.50 125 | ssez 1221 0.59 2.09 2401 El 100%: 90% 80% 70%) 0% 50%) 40%) 30%) 20%) 10% mi Em 01 3 5 7 9 " 13 15 7 19 2 a 2 Figura 6- Exemplo de tela de software específico para decomposição (no caso, até a 25º harmônica) e análise preliminar de uma onda distorcida Percebe-se pela figura 5 que, nesse caso, a 3º harmônica, com representatividade individual de 9,46%, praticamente define o nível da DHT; (quantificada em 10,66%). A 5º e a 7º harmônicas, embora também contribuam para a distorção total, são bem menos representativas. As demais harmônicas presentes são praticamente desprezíveis. Alguns outros aspectos interessantes relacionados às harmônicas são citados a seguir. -Harmônicas pares : De maneira geral, as harmônicas de ordem par (2º, 4º, 6º, etc) são raras nas redes elétricas industriais. Isso ocorre uma vez que os dispositivos eletrônicos que incorporam funções de retificação / inversão (os grandes geradores de harmônicas), sejam eles trifásicos ou monofásicos, normalmente operam com retificações de onda completa e geram, na linha de alimentação, sinais distorcidos, porém, simétricos e periódicos. Pela teoria de Fourier, é possível demonstrar matematicamente que para todo sinal que possua simetria de meia onda seus componentes pares são anulados (os termos an e bn da Série de Fourier são nulos para n=2, 4, 6, etc (verificar a equação básica de Fourier no Item 2). Sendo assim, pode-se julgar que, a priori, a eventual presença de harmônicas pares é sinal 10 de que o controle dos semi-condutores nos dispositivos de retificação / inversão encontra-se desajustado. -“Harmônicas de ordem mais elevada : As harmônicas de ordem mais elevada e, portanto, com frequências superiores, apresentam amplitudes reduzidas fundamentalmente porque são suavizadas pelas próprias indutâncias presentes nas redes elétricas. Note-se que a reatância indutiva presente nas redes (e que configura-se como um dos tipos de oposição à circulação das correntes elétricas alternadas) é diretamente proporcional à frequência (XL=2mfL). -Dispersões, interferências e cancelamentos entre harmônicas : Em vários casos a incidência das harmônicas se dá de forma mais pronunciada em determinados trechos de uma rede elétrica, circulando apenas em parte da instalação e não atingindo o(s) circuito(s) de alimentação geral. Isso se deve à possibilidade de ocorrência de cancelamentos em função dos ângulos de fase das harmônicas eventualmente presentes, o que pode incorrer na minimização substancial de suas magnitudes nos principais alimentadores. Essa situação induz ao raciocínio de que uma medição de harmônicas não deve ser realizada apenas no circuito de entrada de uma dada instalação. Na realidade é importante que o rastreamento seja realizado nos circuitos onde localizam-se as cargas não lineares e onde as harmônicas possam, teoricamente, vir a gerar problemas. 4. PRINCIPAIS FONTES DE DISTORÇÕES HARMÔNICAS De maneira geral, as harmônicas podem ser classificadas como “harmônicas características” e “harmônicas não-características”. Uma “harmônica característica” trata-se de uma harmônica teoricamente previsível, ou seja, com amplitude e frequência esperadas, valores que, inclusive, podem ser determinados com boa aproximação durante a fase de projeto de uma instalação com base nas características do(s) equipamento(s) responsável(veis) pelo seu surgimento. As “harmônicas não características” são ondas imprevisíveis por surgirem em decorrência de efeitos aleatórios ou de modelamento prévio extremamente difícil. Comumente, as harmônicas características são as geradas por conversores de potência. As não características são geradas, via de regra, por lâmpadas de descarga e por equipamentos industriais com princípio de operação baseado no surgimento de arcos elétricos. Na atualidade as fontes de harmônicas mais significativas são os conversores estáticos de potência representados, de modo genérico, pelos retificadores e inversores. São equipamentos que têm sido largamente disseminados a partir das últimas duas décadas (maior difusão no Brasil a partir dos anos 80) e cuja utilização se intensificou principalmente no segmento industrial, tendendo a se acentuar nos próximos anos. Há conversores de diversos níveis de potência e dos mais variados portes, destinados a aplicações diversas e com ampla utilização em instalações residenciais, comerciais e industriais. A seguir serão citadas e comentadas as principais fontes de distorções harmônicas encontradas nas instalações elétricas. q e Sistemas de Retificação e Acionamentos CC No processo de retificação de uma onda alternada, um retificador “corta” a onda de corrente CA e permite que ela flua em apenas uma porção do ciclo da tensão de alimentação. O resultado à entrada do retificador (no lado da alimentação elétrica) é uma onda de corrente distorcida, normalmente rica em conteúdo harmônico. Os níveis de distorção e a configuração final da onda de corrente em cada fase da alimentação dependerão do número de pulsos utilizados para retificação (número de diodos ou de tiristores utilizados na(s) ponte(s) retificadora(s)) e do ajuste do ângulo de disparo no caso dos tiristores. Em um retificador as correntes harmônicas presentes são dadas pela fórmula: nK + 1 onde K é o número de pulsos do retificador e n é um número inteiro. Assim, para um retificador trifásico de 6 pulsos estarão presentes as harmônicas 52,72,112,132,172,19º, etc. Industrialmente é bastante usual a utilização de retificadores (em ponte) de 6 pulsos para, por exemplo, a alimentação do enrolamento da armadura (rotor) dos motores de corrente contínua. Acionamentos de maior porte podem empregar retificadores de 12 pulsos, o que reduz os regimes de condução de corrente de cada tiristor individualmente e minimiza algumas das mais significativas e danosas correntes harmônicas nesses casos, tais como a 52 e a 7º (estarão presentes apenas as harmônicas de ordem 11, 13, 23, 25, etc). Um sistema com 12 pulsos apresentará um conteúdo harmônico total da ordem de 10 a 15%. Para 18 pulsos, a distorção será provavelmente inferior a 10%. Entretanto, quanto maior for o número de pulsos adotado, maior será o custo do retificador dada a maior complexidade de seu circuito interno. e Fontes de Alimentação Monofásicas (Fontes Chaveadas) Os modernos equipamentos eletrônicos monofásicos tais como microcomputadores, impressoras, televisores, copiadoras, scanners, aparelhos de fax, centrais telefônicas, secretárias eletrônicas e demais equipamentos baseados em microprocessadores, empregam, quase que universalmente, fontes de alimentação chaveadas. Uma fonte chaveada é uma sucessão de dispositivos situados à entrada desses equipamentos, sendo ligada diretamente à linha CA sem a necessidade de transformador e compondo-se, basicamente, por uma ponte retificadora monofásica a diodo com retificação de onda completa, capacitor, circuito chaveador (transformação do sinal retificado em sinal CA novamente, porém, com alta frequência) e novo circuito retificador. As principais vantagens são peso e dimensões reduzidos, inexistência de transformador à entrada, operação eficiente e boa tolerância no que se refere a possíveis variações na tensão de alimentação. Entretanto, devido ao efeito do primeiro bloco funcional da fonte chaveada (ponte retificadora e capacitor), a corrente à entrada (no lado da alimentação elétrica) flue em pulsos de curta duração, caracterizando uma onda periódica não-senoidal e, portanto, possuidora de conteúdo harmônico. Uma característica própria de uma fonte chaveada é a de provocar um significativo conteúdo de 3º harmônica na corrente drenada da rede elétrica. Considerando-se que as correntes de 3? harmônica de cada fase são somadas nos neutros dos sistemas trifásicos (o que será abordado mais adiante neste artigo), verifica-se ser preocupante a crescente aplicação de equipamentos monotásicos (fase-neutro) dotados de fontes chaveadas principalmente em edificações comerciais mais antigas, para as quais os condutores neutro (geral e secundários) não tenham sido dimensionados levando-se em conta os possíveis efeitos das harmônicas. 12 e Dispositivos com princípio de funcionamento baseado em arco elétrico (Fornos a Arco, Soldas a Arco e Lâmpadas de Descarga) Lâmpadas de descarga operando com reatores eletromagnéticos ou eletrônicos (lâmpadas fluorescentes, a vapor de mercúrio, a vapor de sódio e a vapores metálicos), fornos a arco e equipamentos de solda a arco são cargas elétricas geradoras de distorções harmônicas uma vez que a tensão e a corrente dos arcos elétricos apresentam características não lineares. A partir do instante da ignição (início do surgimento do arco), a tensão (de arco) decresce à medida que a corrente (do arco) aumenta, situação que tende a um curto-circuito. Em algumas aplicações o comportamento do arco chega a ser aleatório e imprevisível, como no caso dos fornos e soldas a arco. No caso das lâmpadas de descarga, os reatores operam como impedâncias externas limitadoras de corrente de forma que haja a estabilização do arco (e do fluxo luminoso) de acordo com as capacidades termo-mecânicas dos bulbos. Tanto os reatores eletromagnéticos quanto os eletrônicos produzem distorções harmônicas. Os eletromagnéticos as produzem em função do próprio comportamento do arco (uma vez que a corrente elétrica distorcida circula através deles, fato que provoca o surgimento tensões distorcidas) e os eletrônicos, que utilizam- se de fontes chaveadas, geram distorções em função de suas próprias características eletro- eletrônicas (citadas no texto relativo a “Reatores Eletrônicos para Iluminação”, anteriormente). No caso dos fornos industriais a arco, a impedância que limita a tendência de elevação contínua dos níveis de corrente do arco elétrico é composta, principalmente, pela impedância própria do sistema supridor, pela impedância de cablagens de média tensão, pela impedância do transformador destinado à alimentação do forno e pela impedância de condutores secundários, barramentos e terminais de conexão. Correntes da ordem de 50.000 Ampéres (nos eletrodos de um forno) são relativamente comuns. O conteúdo harmônico gerado é aleatório e amplamente variável em função de uma série de fatores tais como as características da carga a ser fundida e as condições de fusão, a posição dos eletrodos e, fundamentalmente, as variações imprevisíveis no comportamento do arco elétrico entre tais eletrodos. A corrente é não-periódica com conteúdos harmônicos inteiros e fracionários (esses últimos, denominados “inter-harmônicos”. Medições e estudos citados em documentações técnicas específicas revelam que, nos circuitos de alimentação de alguns tipos de equipamentos dessa natureza, as harmônicas inteiras entre a 2? e a 7? predominam sobre as demais. Tais estudos mencionam também que no estágio de fusão as componentes harmônicas apresentam amplitudes típicas da ordem de 8 a 10% da onda fundamental. Durante o refino do material fundido (estando o mesmo já em fase pastosa ou líquida), a forma de onda se torna simétrica, desaparecendo as harmônicas pares, e a amplitude chega a cerca de 2 a 3% da fundamental. Entretanto, é importante salientar que esses valores podem alterar-se e atingir patamares bem mais significativos dependendo das características construtivas do forno, de sua rotina operacional e de outras peculiaridades eventualmente existentes. e Dispositivos com Núcleos Magnéticos Saturáveis Equipamentos e dispositivos dotados de núcleos laminados (em geral confeccionados com pacotes de chapas de aço-silício) tais como os transformadores e motores elétricos, também podem induzir o surgimento de correntes harmônicas quando sobre-excitados (submetidos a 15 tensões mais elevadas que as tensões nominais). Isso ocorre em função do comportamento não linear do aço, uma vez que, a partir de um determinado nível de tensão aplicada, o fluxo magnético gerado não varia na mesma proporção. Esse fenômeno é conhecido como “saturação magnética” e traduz a incapacidade físico-química do aço em manter a proporcionalidade entre a tensão aplicada e o campo magnético gerado pela corrente circulante. Em outras palavras, isso significa que há um limite a partir do qual uma elevação da tensão primária não mais incorre na elevação da magnetização do núcleo na mesma proporção, gerando-se correntes de magnetização desproporcionais à tensão e, portanto, não-lineares. Essa distorção incorre no surgimento de tensões secundárias também distorcidas. Com algumas exceções bastante específicas, os transformadores de força para utilização geral são, via de regra, projetados para operar satisfatoriamente abaixo do ponto de saturação, com uma densidade de fluxo adequada à manutenção das proporcionalidades das grandezas elétricas envolvidas. A operação desse tipo de equipamento pode ser ajustada a eventuais sobretensões permanentes na rede de alimentação por meio da utilização de comutadores de “taps” (derivações para ajuste de conexões elétricas), evitando-se o sacrifício das isolações, buscando-se manter um comportamento desejável entre as grandezas elétricas no primário e no secundário e, além disso, minimizando a possibilidade de surgimento de distorções harmônicas. Motores elétricos, em função de características construtivas próprias e principalmente quando submetidos a tensões mais elevadas que as de projeto, também podem absorver da rede correntes elétricas distorcidas. Tais distorções apresentam conteúdos harmônicos cujas frequências são dependentes do número de ranhuras (saliências e sulcos ao longo dos quais acomodam-se os condutores) presentes no estator e no rotor. 5. PRINCIPAIS EFEITOS DAS DISTORÇÕES HARMÔNICAS SOBRE EQUIPAMENTOS E INSTALAÇÕES A adoção maciça de equipamentos baseados na eletrônica de potência como meios para a eficientização energética de uma instalação elétrica pode incorrer no surgimento de distorções harmônicas que, por sua vez, podem vir a causar efeitos instantâneos e gerar, com o decorrer do tempo, problemas cumulativos indesejáveis. Efeitos instantâneos podem se manifestar por meio da ocorrência de perturbações em sistemas de telecomunicações, operação inadequada de equipamentos de comando e controle, falhas ou operação indevida de relés e/ou elementos de proteção em função de alterações nos valores das correntes circulantes, erros em medições elétricas, problemas no acionamento de cargas mecânicas (redução de conjugado ou torque nos motores elétricos), etc. Efeitos cumulativos manifestam-se, via de regra, sob a forma de sobreelevações de temperatura podendo gerar a redução de vida útil ou a queima prematura de equipamentos (inclusive transformadores de potência e motores elétricos) e a diminuição do tempo médio entre falhas (MTBF ou “Medium Time Between Failures”) de componentes eletrônicos. Além disso, podem ocorrer totalizações incorretas de grandezas elétricas monitoradas continuamente por sistemas de gerenciamento energético em tempo real. 16 A seguir serão citados e comentados de forma mais específica os principais efeitos das distorções harmônicas em redes elétricas internas e nos equipamentos mais comumente empregados em instalações industriais e comerciais. e Transformadores de Força As potências nominais dos transformadores de força baseiam-se em parâmetros de projeto que levam em consideração os limites permissíveis de aquecimento provocados por correntes alternadas senoidais à frequência fundamental (no Brasil, 60 Hz). Entretanto, perante o surgimento de ondas distorcidas possuidoras de conteúdos harmônicos consideráveis, verifica- se que a sobreelevação térmica nesses equipamentos é mais pronunciada que o esperado para correntes senoidais puras de mesmo valor. A razão desse sobreaquecimento reside no aumento das perdas no ferro e no cobre quando há a circulação de correntes harmônicas. Quando um material ferromagnético, como o aço-silício usado nos transformadores, é submetido a um campo magnético gerado por correntes alternadas, as partículas elementares de sua estrutura molecular (dipolos magnéticos que se assemelham a minúsculos imãs contendo um pólo norte e um pólo sul magnéticos) invertem seu sentido a cada inversão de polaridade da corrente elétrica. Esse processo de magnetização e alternância na orientação dos dipolos provoca o surgimento de perdas causadas pelo atrito entre eles, gerando-se calor nas lâminas do núcleo dos transformadores. Tais perdas são conhecidas como Perdas por Histerese e elevam-se proporcionalmente com o aumento da frequência das correntes circulantes devido à maior velocidade com que ocorrem as alternâncias na orientação dos dipolos. Concomitantemente com o aumento das Perdas por Histerese, a presença de harmônicas provoca também uma elevação das Perdas por Correntes Parasitas de Foucault, que tratam-se de perdas joulicas (aquecimento) decorrentes do efeito da variação do fluxo magnético que por sua vez gera a circulação de correntes elétricas nas lâminas do núcleo, em partes metálicas estruturais dos transformadores e em suas carcaças. Tais perdas são proporcionais ao quadrado da frequência das correntes circulantes. Além de elevar as perdas por histerese e por correntes de Foucault, as harmônicas provocam ainda um aquecimento extra devido ao agravamento do Efeito Pelicular (“Skin-Effect”), assunto que será abordado de forma específica no texto referente aos condutores elétricos, mais adiante. Outros aspectos importantes a considerar em se tratando da presença de distorções harmônicas referem-se à deformação da onda de tensão fornecida no secundário dos transformadores, à ressonância elétrica e ao Fator K. -Saturação magnética e deformação da onda de tensão secundária - Na prática, estando um transformador sob tensão de placa (ou próxima a ela) no primário e submetido a condições de carga próximas ao valor nominal, o mesmo opera com um nível de indução magnética relativamente elevado, porém, abaixo do ponto de saturação do núcleo (ponto a partir do qual uma elevação da intensidade do campo magnético não mais incorre em variação da indução ou da densidade de fluxo magnético no núcleo, e tal fluxo permanece constante). A eventual 17 Um outro efeito a ser considerado quando os transformadores estão submetidos à presença de harmônicas reside na variação do ruído audível decorrente das vibrações das lâminas da chaparia do núcleo magnético. Sob altas frequências, as alternâncias de polaridade dos grãos magnéticos do aço-silício ocorrem com maior velocidade gerando ruídos mais intensos e, muitas vezes, variáveis. e Motores Elétricos de Indução (Motores Assíncronos) A presença de conteúdo harmônico na tensão de alimentação dos motores de indução, gerando-se a absorção de correntes harmônicas, provoca a elevação das perdas no cobre e no ferro. As perdas no ferro, similarmente ao que ocorre nos transformadores, subdividem-se em perdas por correntes de Foucault e perdas por histerese. A elevação de tais perdas decorre da circulação de maiores níveis de correntes parasitas nas chaparias do rotor e do estator (perdas variáveis com o quadrado da frequência) e da geração de calor adicional no ferro da máquina em decorrência da elevação da velocidade de alternância magnética e do aumento do atrito entre os dipolos magnéticos da chaparia (perdas variáveis proporcionalmente à variação da frequência). A elevação das perdas no cobre devido às correntes harmônicas que circulam nos enrolamentos (tanto nas bobinas do estator quanto na gaiola e/ou enrolamentos do rotor) podem ser consideráveis. Essa elevação de perdas assume maior significância em motores do tipo “barras profundas” e “gaiola dupla” nos quais a impedância global do rotor aumenta com o aumento da frequência do campo magnético “enxergado” pelo próprio rotor (ver considerações técnicas no Boxe 3). Boxe 3 - Revisão de Conceitos - Motores de Indução de Gaiola Dupla ou de Barras Profundas e Efeitos das Harmônicas Princípio Básico de Funcionamento Apenas a título de revisão de conceitos, os motores de indução do tipo “Gaiola Dupla” ou “Barras Profundas” foram criados aproveitando-se um modo inteligente e simples que a engenharia de máquinas elétricas desenvolveu para se obter uma resistência de rotor que varie automaticamente com sua velocidade de giro. Tira- se proveito de que, com o rotor parado, a freguência por ele “enxergada” é igual à frequência do campo magnético girante no estator. À medida em que o rotor acelera, a frequência do campo “enxergada” pelo rotor decresce para valores bastante baixos, da ordem de 1 a 2 Hz à plena carga para um motor de 60 Hz, devido à pequena diferença entre a velocidade do campo magnético produzido no estator e a velocidade de giro do rotor (ambas as velocidades de giro se aproximam, fazendo com que o movimento relativo do campo em relação ao rotor seja mais lento). No caso do motor de gaiola dupla, por exemplo, como a máquina é projetada para que as linhas de fluxo magnético envolvam com mais intensidade os condutores da gaiola mais interna, esta fica sujeita a uma maior indutância e, consequentemente, a uma maior reatância indutiva quando a frequência do campo “enxergada” pelo rotor é elevada (momento da partida do motor, por exemplo). Sendo assim, as correntes induzidas no rotor para a geração do torque da máquina são quase que “expulsas” da gaiola mais intema (devido ao efeito de sua reatância indutiva nesse instante), vindo a circular com maior intensidade na gaiola mais externa cujos condutores possuem menor seção nominal e são confeccionados com uma liga de maior resistência ôhmica (ao contrário desta, a gaiola mais interna é projetada e construída para oferecer baixa resistência à circulação de correntes). O resultado é uma maior resistência global do rotor nesse instante e maiores perdas 20 joulicas (dada a concentração de corrente quase que exclusivamente em uma única gaiola). Porém, em contrapartida, como o torque de um motor de indução é diretamente proporcional à resistência do rotor, obtem-se um elevado torque de partida. À medida em que o rotor acelera, a frequência do campo magnético “enxergada” por ele decresce e a indutância na gaiola mais interna se reduz fazendo com que a reatância indutiva nessa região da máquina assuma valores bem inferiores. Nessa situação, permite-se que as correntes induzidas no rotor redistribuam-se de maneira mais equalizada entre ambas as gaiolas, o que possibilita, também, um menor aquecimento do rotor e menores perdas de energia no cobre. A mesma situação (desde rotor parado até rotor próximo da rotação nominal) ocorre no caso de um motor de gaiola profunda (ou de barras profundas), projetada e construída de forma que, ao longo da extensão de cada barra (no sentido da profundidade), a combinação de ligas possua características físico-químicas que incorram em resistência ôhmica variável (maior resistência nas adjacências do entreferro e menor resistência na direção do eixo). Esses efeitos que, em última análise, ocorrem tal como o Efeito Pelicular (“Skin Effect”) abordado no item relativo aos Condutores Elétricos, são aproveitados no caso dos motores de gaiola com as categorias normalizadas H e D, normalmente aplicáveis no caso de acionamento de cargas que requeiram conjugados de partida mais elevados e para os quais não seja imperativa a utilização de motores de indução de anéis, também conhecidos como motores de rotor bobinado. BARRA DE ROTOR “o BARRA SUPERFICIAL BARRA, PROFUNDA GAIOLA PROFUNDA GAIOLA DUPLA FIGURA 10 Efeitos na presença das Harmônicas Perante a presença das harmônicas os efeitos da elevação de frequência no rotor fazem-se sentir praticamente da mesma forma. Frequência elevadas induzidas no rotor provocam o surgimento de reatâncias indutivas mais acentuadas nas gaiolas internas (ou na parte mais intema da gaiola profunda), fazendo com que a corrente rotórica venha a circular mais intensamente nas regiões concentradas na periferia dos condutores que compõem o rotor, o que aumenta sensivelmente o seu aquecimento. Como tal situação perdura enquanto perdurar a presença das harmônicas, dependendo da condição de carregamento podem surgir pontos localizados de sobreaquecimento inadmissível que conduzem à danificação da máquina. Outra consequência da presença das harmônicas nos motores elétricos trata-se do Efeito Pelicular (abordado mais adiante no item relativo aos Condutores Elétricos) que ocorre nos condutores dos enrolamentos do estator fazendo com que as correntes de frequência mais elevada circulem quase que totalmente na periferia da seção de cobre, o que aumenta a resistência efetiva de tais condutores e eleva as perdas de energia. 2 Além disso, um importante efeito indesejável e prejudicial à operação dos motores reside no fato de que as harmônicas de sequência negativa, fundamentalmente a de ordem 5 (mas também a 11º,a 172, etc), geram torques em sentido oposto ao gerado pela onda fundamental, tendendo a reduzir a capacidade para acionamento da carga mecânica acoplada ao eixo girante. Esse efeito é interpretado pelo motor como um acréscimo de carga no eixo (torque resistente), o que provoca a absorção de parcela adicional de corrente no estator. Numa situação limite, caso a condição de carga seja elevada e as proteções de sobrecorrente estejam mal dimensionadas ou não “enxerguem” adequadamente a presença das harmônicas, pode ocorrer a queima do motor. Relativamente às alterações na eficiência operacional ou rendimento dos motores elétricos perante a presença das harmônicas, bibliografias específicas e estudos de caso reais detectaram elevações de perdas de cerca de 13% perante uma DHT, de 16%, relativamente aos valores de perdas obtidos com uma alimentação senoidal pura. O gráfico da Figura 11 mostra a variação típica das perdas nos motores de indução em função da distorção total da tensão de alimentação. (9% DE ACRÉSCIMO EM RELAÇÃO ÀS | PERDAS ELÉTRICAS NOMINAIS) PERDAS ADICIONAISDEVIDO ÀS HARMÔNICAS | 5 6 7.8 9 1 n 12 1 4 15 DISTORÇÃO HARMÔNICA EM % FIGURA 11 - PERDAS ELÉTRICAS ADICIONAIS DOS MOTORES DE INDUÇÃO Um outro efeito também detectável quando da presença de harmônicas consiste no aumento do ruído audível (devido a vibrações adicionais) quando comparado com o ruído percebido perante a aplicação de tensão não distorcida. e Motores Elétricos Síncronos Os efeitos causados pelas harmônicas de tensão nos motores síncronos são similares aos verificados em motores assíncronos de indução. De maneira geral, há uma elevação das perdas no cobre e no ferro. 22 posteriormente refinado pelos demais critérios de dimensionamento indicados na norma) deverá ser definida pelas seguintes fórmulas : -Para escolha dos cabos pela corrente de fase :1=| + -Para escolha dos cabos pela corrente de neutro :I = lBxpx3 fx 100 onde : lB= corrente de projeto do circuito (carga máxima + sobrecargas admissíveis) p= valor decimal correspondente à porcentagem prevista para as harmônicas de 3º ordem (1? coluna da Tabela 1 desse artigo ou Tabela 45 da NBR-5410) f= fator de correção (2º ou 3º colunas da Tabela 1 desse artigo ou Tabela 45 da NBR- 5410) e Condutor Neutro Como é do conhecimento dos profissionais e estudantes da área elétrica, em um sistema trifásico as tensões de cada fase com relação ao neutro (e também as tensões entre fases) encontram-se defasadas entre si de 120º elétricos. Considerando-se uma rede em configuração estrela a 4 fios (3 fases + neutro), não há corrente no condutor neutro quando as cargas são perfeitamente equilibradas entre as 3 fases. Mesmo perante eventuais desequilíbrios de carga, situação necessária para que haja circulação de corrente no condutor neutro, tal corrente (de desequilíbrio) em geral não se torna preocupante quando são alimentadas apenas cargas lineares. Esse fato tem sido explorado pelos projetistas de instalações há décadas, uma vez que, considerando-se a presença apenas de cargas lineares e/ou cargas geradoras de baixíssimos conteúdos harmônicos, em princípio um condutor neutro com seção nominal inferior à seção dos condutores fase (ou, no máximo, com a mesma seção) torna-se suficiente para atender aos desequilíbrios de carga. As versões mais antigas da norma NBR-5410/97 da ABNT (“Instalações Elétricas de Baixa Tensão — Procedimento”) indicavam, inclusive, tabelamentos específicos permitindo a utilização de condutores neutro com bitola inferior à dos condutores fase. Entretanto, perante a presença mais pronunciada de harmônicas o dimensionamento do condutor neutro requer maior atenção e rigor. Isso torna-se necessário uma vez que as correntes de 3º harmônica e seus múltiplos ímpares (9º, 152, 21º, etc) eventualmente circulantes pelas fases dos circuitos 3F+N estão em fase e somam-se algebricamente no neutro — ver Figura 12. Sendo assim atingem, nesse condutor, um valor eficaz equivalente ao triplo de seu respectivo valor eficaz verificado em cada fase (no caso de circuitos trifásicos equilibrados). As demais harmônicas eventualmente presentes nas três fases (5º, 72, 112, etc) não estão em fase e, quando somadas no neutro, resultam em valores superiores aos circulantes individualmente em cada fase, porém, inferiores ao triplo de cada valor individual. Correntes harmônicas pares eventualmente presentes, e quando equilibradas nas três fases, se cancelam no neutro já que serão iguais e defasadas de 120º elétricos, tal como a onda fundamental. 25 FIGURA 12 - CIRCUITO TRI FÁSICOA A QUATRO CONDUTORES COM CARGAS NÃO-LINEARES EQUILIBRADAS NAS TPÊS FASES: CORRENTES FUNDAMENTAL E DE 3: HARMÔNICA Face ao aqui exposto, perante a presença de harmônicas (cujas ordens e valores eficazes deverão ser previamente conhecidos) é possível e absolutamente correto obter-se um dimensionamento para o condutor neutro que incorra em uma seção nominal superior (em alguns casos significativamente superior) à dos condutores fase. O rigor no dimensionamento do condutor neutro é fundamental principalmente no caso de instalações destinadas à alimentação de blocos consideráveis de cargas monofásicas não lineares como é o caso de edificações comerciais e outras similares, com grande número de microcomputadores e demais equipamentos de tecnologia da informação (nos quais predominam as fontes monofásicas chaveadas, geradoras de altos conteúdos de 3º harmônica), além da presença de circuitos com lâmpadas fluorescentes. A ocorrência de sobrecarga excessiva do condutor neutro é particularmente problemática no caso de edificações mais antigas cuja modernização interna contempla a introdução de cargas de informática e reatores eletrônicos sem que a infra-estrutura elétrica seja reavaliada com o devido critério. Além das sobrecargas e sobreaquecimentos excessivos que podem surgir no condutor neutro perante a circulação de harmônicas (principalmente a 32 e seus múltiplos ímpares), outro efeito prejudicial às instalações diz respeito à possibilidade de surgimento de uma excessiva diferença de potencial entre os condutores Neutro e Terra (condutor PE). A circulação de correntes harmônicas significativas no neutro pode provocar um diferencial de tensão entre esse condutor e o condutor terra (diretamente conectado ao sistema de aterramento), uma vez que a impedância do neutro não é nula. Alguns equipamentos eletrônicos necessitam, para uma operação adequada, que essa diferença de potencial seja quase nula (em geral, inferior a 1 Volt). Uma boa medida para se evitar os efeitos indesejáveis decorrentes da circulação de elevados níveis de corrente no condutor neutro (fundamentalmente quando da presença de harmônicas) 26 consiste em se evitar, tanto quanto possível, a alimentação de equipamentos monofásicos não lineares em tensão fase-neutro. No caso de instalações atendidas por transformadores trifásicos com secundários em 220 / 127 Volts, deve-se estudar a possibilidade de alimentar os equipamentos monofásicos geradores de harmônicas em tensão fase-fase, descartando-se a utilização do condutor neutro para tais equipamentos. Não havendo condutor neutro para a alimentação de tais equipamentos não haverá circulação de harmônicas pelo neutro da instalação. Considerando-se que hoje em dia a quase totalidade das cargas de informática admitem alimentação bi-volt, que vários equipamentos eletrônicos podem ser alimentados em amplas faixas de tensão (alguns deles com regulagem automática sem a necessidade de seleção prévia) e que o mercado disponibiliza reatores eletrônicos e eletromagnéticos para a tensão de 220 V, essa medida pode viabilizar-se no todo ou em parte na grande maioria dos casos. e Capacitores Estáticos Os capacitores estáticos são normalmente utilizados em instalações elétricas para a correção do fator de potência, absorvendo correntes com ângulo de fase adiantado com relação à tensão para contrabalançar as correntes atrasadas drenadas por cargas indutivas. Dessa forma, eliminam eventuais ônus nas contas de energia devido ao baixo FP e, quando instalados na baixa tensão, proporcionam a obtenção de benefícios adicionais tais como a redução das condições de carregamento de alimentadores e transformadores (com a consequente redução das perdas “joulicas”) e a melhoria dos níveis de tensão em pontos mais distantes da(s) subestação(ões). Há um conceito errôneo de que os capacitores são causadores de distorções harmônicas. Na realidade eles não geram harmônicas; porém, podem agravar os problemas potenciais das harmônicas como será visto mais adiante. E relativamente comum, inclusive, que a presença das harmônicas (e suas consequências) em uma determinada instalação elétrica venha a ser conhecida apenas a partir do momento em que se utilizam capacitores para a correção do fator de potência. Perante a presença de correntes harmônicas (de frequência mais elevada) na rede, os capacitores podem ser submetidos a esforços térmicos inadmissíveis com a possibilidade real de queimas prematuras, uma vez que a reatância capacitiva diminui com o aumento da frequência. Sendo assim, as correntes harmônicas encontrarão um caminho de menor impedância através dos capacitores, elevando suas perdas Ôhmicas, gerando sobreaquecimentos que reduzirão sua vida útil e que poderão, inclusive, provocar explosões. Além disso, a aplicação de capacitores estáticos em instalações onde encontram-se cargas não lineares (e, portanto, geradoras de harmônicas), requer a avaliação de potenciais problemas relativos à ocorrência de ressonância. Apenas a título de revisão da teoria de circuitos elétricos, “Ressonância Elétrica” é a situação que ocorre a uma dada frequência particular para a qual os efeitos indutivo e capacitivo em um circuito se cancelam mutuamente, o que faz com que tal circuito “aparente ser” meramente resistivo. A ressonância pode ser do tipo “série” (quando o fluxo de corrente enxerga elementos indutivos e capacitivos em série) ou do tipo “paralela” (quando o fluxo de corrente enxerga elementos indutivos e capacitivos em paralelo), ou mesmo uma conjugação de ambas as situações. Em ambos os casos (considerando-se desprezível a 27 com a amplificação considerável dessas harmônicas e a circulação de correntes muito elevadas entre eles. Essa situação conduz à possibilidade real de queima excessiva de fusíveis ou atuação de disjuntores de proteção dos capacitores, ou mesmo a queima de capacitores e a redução da vida útil (ou até mesmo a queima) do transformador. Objetivando uma análise inicial, a estimativa da frequência de ressonância entre as indutâncias da instalação e um banco capacitivo também pode ser obtida pela seguinte expressão : Nh= onde : Pcc = potência de curto-circuito trifásico simétrico na barra de ligação dos capacitores, em kVA. Pcap = potência do banco de capacitores conectado à barra, em kVAr. Caso a aplicássemos desconsiderando a impedância da rede da concessionária de energia, considerando a impedância do transformador e pressupondo a ligação dos capacitores em local próximo ao transformador, obteríamos Nh = 7,1. Obs. : Analisando a expressão anterior verifica-se que para os bancos capacitivos automáticos, largamente adotados atualmente, a frequência de ressonância se altera a cada inserção ou retirada de capacitores em função das variações de carga e das necessidades instantâneas de manutenção do fator de potência dentro de limites previamente programados nos controladores. Sendo assim, a ressonância no ponto de ligação de um dado banco capacitivo automático poderá ocorrer para várias frequências, o que agrava a situação e requer avaliações técnicas pormenorizadas e o desenvolvimento de projetos bastante criteriosos. «Cálculos da distorção com e sem capacitores para o sistema do exemplo (supondo uma carga não linear injetando 70 A de 5º harmônica) : -Na ausência do banco capacitivo : Vh =X. x lh=5x2x3,141592 x 60 x 0,021x10º% x 70 = aprox. 2,8 V> (1,3% relativamente à tensão fase-neutro da rede) -Com a introdução do banco de capacitores : Vh = 70/ Yeq (h) Yeqg (admitância equivalente) = 2rfC — 1/(2mfL) = condição para ressonância paralela Yeg=(2x3,141592x5x60x 6630x10º)- (1/(2x3,141592x5x 60x 0,021x10º)) Yeg=12,5-25,2=-12,7 Vh=70/12,7=5,5V (2,5 % relativamente à tensão fase-neutro da rede) Conclusão : Pode-se concluir que, nesse caso hipotético, a inserção de capacitores no sistema aumentou a distorção na tensão além de estabelecer, com o transformador, uma frequência de ressonância próxima da 7? harmônica. Nesse caso, a eventual existência (e a não supressão) 30 de um conteúdo de 72 harmônica no QGBT poderia conduzir a efeitos danosos conforme citado anteriormente. e Fator de Potência e Cosp O Fator de Potência em um sistema senoidal puro é expresso matematicamente pelo cosseno do ângulo formado entre os vetores que representam a potência ativa (W) e a potência aparente (VA), como pode ser observado pela Figura 14. Potência Aparente: S = VI Potência Reativa Q= Viseny Potência Ativa Q= Vicos? FP = cosy= É FIGURA 14 - TRIÂNGULO DE POTÊNCIA E FP PARA SENÓIDE PURA Perante a presença de harmônicas, as grandezas elétricas passam a não mais ser expressas matematicamente por funções senoidais puras e lineares, o que incorre no surgimento de um desvio entre o Fator de Potência e o Cosq. Nesse caso o Fator de Potência será expresso pela relação entre a potência ativa e a potência aparente relativas ao sinal distorcido (sinal periódico não senoidal). O Cosq será expresso pela relação entre a potência ativa e a potência aparente relativas a cada uma das componentes harmônicas, que são ondas senoidais. Quando há distorções geradas por harmônicas as reatâncias indutivas elevam-se proporcionalmente com a elevação da frequência e o triângulo de potências é alterado, introduzindo-se uma nova (terceira) dimensão decorrente dos VA's necessários para sustentar a distorção do sinal (Figura1 5). Potência Ativa (W) ) ! | Potência | Reativa (Var) A Distorção do Potência / Sinal (VA) Aparente (VA) FIGURA 15 - VISUALIZAÇÃO ESPACIAL DAS POTÊNCIAS EM UM SISTEMA COM HARMÔNICAS 31 Pode-se concluir que o Fator de Potência equivale ao Cosy somente para senóides puras (tensão e corrente). Na presença de ondas distorcidas o Fator de Potência pode ser expresso por duas grandezas distintas, a saber : -Fator de Potência Real : Considera os ângulos de fase de cada harmônica e a potência reativa necessária para produzi-las; é o fator de potência que deve efetivamente ser corrigido. Para um sistema trifásico equilibrado esse índice pode ser expresso conforme indicado a seguir de forma genérica, considerando-se a presença de harmônicas de tensão e de corrente. V3.N,.l.cosp, +3.M,.l,.cos q; + 3.V, Cos q; ...+ 3.V, 1, COS, (3 .N ctateticaz«Notateficaz Obs.: Na expressão acima pressupôs-se a ausência de harmônicas pares, situação mais comum na prática (tais harmônicas também serão consideradas, caso presentes). O índice 1 refere-se à frequência fundamental. Os índices 3,5,...n referem-se a cada harmônica eventualmente presente. Os valores eficazes Viotal € ltotal referem-se às ondas resultantes distorcidas, decorrentes da composição das harmônicas presentes. FP, Feal sistema 20 equilbrado ) =Cosqy= -Fator de Potência de Deslocamento : Considera apenas a defasagem entre tensão e corrente para a frequência fundamental. Havendo a presença de harmônicas, é sempre mais elevado que o fator de potência real. Não havendo harmônicas, o fator de potência de deslocamento equivale ao fator de potência real. Para altos conteúdos harmônicos, ou seja, quanto mais significativa for a presença de harmônicas no sinal, mais difícil e complexa torna-se a tarefa de corrigir satisfatoriamente o fator de potência. A inserção de capacitores estáticos na rede pode tornar-se insuficiente uma vez que o baixo fator de potência passa não mais a ser atribuído apenas à presença de cargas indutivas, havendo a contribuição adicional da potência reativa necessária para sustentar a distorção do sinal. É importante salientar que, em instalações sujeitas à presença de harmônicas (e caso tais harmônicas também fluam pela alimentação geral), as medições convencionais das concessionárias de energia que determinem o fator de potência levando em conta apenas a relação entre as potência ativa e aparente à frequência fundamental (seja o cálculo feito pelos parâmetros de consumo mensais ou horários) estarão registrando fatores de potência superiores aos reais, uma vez que o Cosq (ou fator de potência real) não estará sendo medido. Um exemplo simplificado de um circuito RL monofásico elementar (representando uma instalação elétrica genérica) ilustrando a variação do fator de potência na presença de harmônicas pode ser observado pelas Figuras 16 e 17 e pelos cálculos a elas associados. 32 estáticos de frequência e relés diferenciais também são susceptíveis de alterações em suas características operacionais perante a presença de harmônicas. Entretanto, a bibliografia técnica especializada e catálogos mais detalhados de fabricantes desses tipo de equipamento citam que a operação de relés de proteção não chega a ser significamente afetada para níveis de distorção harmônica inferiores a 15%, sendo recomendável manter tais distorções controladas em um máximo de 10%. Disjuntores termomagnéticos, cujas curvas de atuação tempo-corrente são pré-definidas para a operação perante correntes à frequência fundamental, também podem ser afetados atuando “inesperadamente” uma vez que as correntes harmônicas também geram calor nos elementos térmicos destinados à atuação por sobrecargas e por sobrecorrentes de menor magnitude. Os elementos magnéticos desses disjuntores também poderão ser sensibilizados pela própria alteração do valor de pico da onda de corrente resultante (fundamental + harmônicas presentes). Na realidade, os disjuntores estarão protegendo adequadamente os circuitos contra as eventuais sobrecorrentes produzidas em decorrência das harmônicas. Entretanto, uma análise preliminar do problema por meio de medições realizadas através de instrumentos convencionais, tais como os amperímetros-alicate, estará evidenciando a circulação de correntes inferiores aos valores de atuação prováveis dos disjuntores, caracterizando disparos “aparentemente” indevidos. Apenas aparelhos capazes de “enxergar” o valor eficaz verdadeiro (“True RMS” indicarão o valor eficaz da onda resultante e não apenas o valor RMS da fundamental. e Medidores de Energia a Indução Medidores de energia do tipo a indução, tais como os ainda utilizados nos segmentos residencial, comercial e industrial de pequeno porte, podem apresentar erros dependendo do grau das distorções harmônicas presentes. De modo geral, as distorções provocam a alteração da classe de precisão de tais medidores. A bibliografia técnica específica cita que erros mais significativos são gerados apenas nos casos de elevada distorção harmônica de tensão, da ordem de 20% ou superior. Entretanto, vários testes reais também citados na literatura técnica evidenciaram a ocorrência de uma ampla faixa de erros com variações entre, aproximadamente, —10% e +10% relativamente aos valores corretos quando medidores de energia a indução foram inseridos em circuitos de alimentação de cargas não-lineares (acionamentos de velocidade variável) com DHT, da ordem de 5 a 6% e DHT; de cerca de 28 a 32%. e Sistemas de Comunicação e Controle As harmônicas e inter-harmônicas presentes na rede elétrica podem gerar problemas em sistemas de comunicação sendo, um de seus efeitos mais frequentes, a interferência caracterizada por ruídos nos sistemas de telefonia e transmissão de dados, além da possibilidade de influências indesejáveis que podem ocasionar a operação errática de sistemas de controle e comando. Em geral, tais problemas surgem devido à elevação do valor eficaz da corrente total circulante nas redes elétricas em virtude da presença das harmônicas, fato que contribui para a elevação das intensidades de campos magnéticos gerados, aumentando as chances da ocorrência de acoplamentos indutivos perturbadores entre a rede elétrica e as 35 redes de comunicação e controle, notadamente quando não há qualquer artifício de blindagem entre elas. A presença de harmônicas de frequências coincidentes com as frequências de operação de sistemas dessa natureza pode incorrer na operação indevida de tais sistemas provocando, via acoplamento indutivo, situações inesperadas e, em princípio, “inexplicáveis” tais como o acionamento súbito de alarmes e o bloqueio / travamento de sistemas informatizados sem razão aparente. A análise da influência efetiva dessas harmônicas sobre os sistemas de comunicação é um assunto relativamente complexo e específico, geralmente abordado em bibliografias técnicas relacionadas à Compatibilidade Eletromagnética (CEM). Avaliam-se fatores de ponderação que consideram, nos sistemas de transmissão de voz por exemplo, a resposta dos aparelhos telefônicos, o acoplamento entre circuitos, a sensibilidade do ouvido humano para várias frequências e outros parâmetros. A medida da intensidade dos acoplamentos entre linhas elétricas e de telefonia / dados é expressa, em função da frequência, pelo “fator de acoplamento” dado em dB (decibéis), indicando a relação dos campos magnéticos entre dois pontos (no caso de perturbações irradiadas — transmitidas entre circuitos sem interligação direta) ou a relação entre as tensões entre dois pontos (no caso das perturbações conduzidas — transmitidas por cabos de ligação ou circuito comum). e Dispositivos Microprocessados, Computadores, Periféricos e Equipamentos de Comando Numérico Os fabricantes de equipamentos dessa natureza citam, em documentações técnicas, os limites de distorções harmônicas suportáveis para a não ocorrência de funcionamento inadequado. Entretanto, tais limites são bastante variáveis de fabricante para fabricante, situando-se, na maioria dos casos, entre 3 e 7%. De maneira geral, as distorções acima de determinados limites podem gerar perdas de dados, danos em alguns componentes eletrônicos e problemas operacionais tais como o surgimento de torques pulsantes em micro-motores de acionamento de unidades de memória e armazenamento de dados. 36 A Tabela 2 apresenta percentuais orientativos extraídos da bibliografia técnica sobre o assunto que, de modo geral, podem ser adotados como referências em análises iniciais. Consideram-se tais percentuais como os níveis limite de distorções a partir dos quais espera-se o surgimento de efeitos danosos às instalações e equipamentos elétricos. TABELA 2 - Níveis Máximos de Distorções Harmônicas Suportadas por Componentes do Sistema Elétrico sem que Sejam Gerados Efeitos Indesejáveis Significativos TIPO DE EQUIPAMEN OU COMPONENTE D! SISTEMA Cabos Transformadores Motores de indução Máquinas Sincronas Capacitores Relés ido ste NS) Maiores níveis de perdas ôhmicas e dielétricas Maior nível de perdas Degradação do material isolante Redução de vida útil Sobreaquecimento devido às perdas por efeito Joule; Degradação do material isolante Torques oscilatórios e vibrações Redução da vida útil Maior nível de aquecimento particularmente nos enrolamentos amortecedores (rotor) Maior nível de aquecimento Redução da vida útil Possibilidade de queimas / explosões Atuação incorreta LIMITES RECOMENDAI o 2 —5SY plenacarga) 2 Siopó(vazio) n=2 cLIEEE n De acordo com o tamanho e impedância inversa da máquina n De acordo com o tamanho e impedância inversa da máquina 5 vn <10% n=2 2 (2) <1,543,5% n =2 ctIEC E (2) <1302,4% n 7 8 ctIEC o Snvn) <83% n=2 > Vne <10420% no 37