Uma carga elétrica deve apresentar uma onda de tensão sinusoidalmente perfeita. No entanto, é difícil de preservar, tendo em conta as condições ideais para o fazer, vão ocorrer certos desvios de tensão e de corrente nas suas respetivas ondas, ou seja , distorção da sua forma de onda, que é conhecido pelo fenómeno de distorção harmónica.
No passado, os harmónicos representavam um problema menor, devido à simplicidade dos projetos e no facto de os equipamentos de energia não apresentarem a elevada complexidade que os caracteriza atualmente. No entanto, presentemente, a distorção harmónica é um dos maiores fatores a ter em conta na qualidade de energia, sendo uma preocupação para todos os engenheiros na gestão de sistemas elétricos de energia, principalmente causados pela saturação de transfor- madores e fornalhas industriais. A principal preocupação era o efeito que a distorção harmónica
2.8 Harmónicos 19
poderia ter sobre as máquinas elétricas e o aumento do risco de falhas das condições de sobreten- são desenvolvidas nos condensadores de correção do fator de potência. [25]
2.8.1 Fundamentos teóricos de harmónicos
A componente harmónica num sistema AC de energia é definida como sinusoidal de uma forma de onda periódica, que tem uma frequência igual a um inteiro múltiplo da frequência fun- damental do sistema. Os harmónicos, em formas de onda de tensão ou corrente, podem ser con-
cebidos como perfeitamente sinusoidais de frequências múltiplas da frequência fundamental:2.6
[25]
fh= (h) × ( f undamental f requency) (2.6)
Sendo: h - Um numero inteiro.
Em sistemas de 60 e 50 Hz, respetivamente2.7e2.8:
fh= (5) × (60) = 300Hz (2.7)
fh= (5) × (50) = 250Hz (2.8)
A figura2.7, mostra uma forma de onda ideal de 60 Hz com um valor de pico de cerca de 100
A por unidade.
Figura 2.7: Forma de onda sinusoidal distorcida pelo terceiro, quinto e sétimo harmónicos
Se considerarmos a componente fundamental e as primeiras 3 componentes harmónicas (3a,5ae7a), essas formas de onda podem ser expressas como:2.9,2.10,2.11,2.12.
20 Qualidade de Energia
i3= Im3sin(3ωt − δ3) (2.10)
i5= Im5sin(5ωt − δ5) (2.11)
i7= Im7sin(7ωt − δ7) (2.12)
A figura2.7 mostra as ondas de correntes do fenómeno de distorção harmónica, por sua vez
existirá também, a presença de harmónicos adicionais que vão interferir na distorção.
A expressão da forma de onda de distorção resultante é:2.13
IT = Im1sin(ωt) + Im3sin(3ωt − δ3) + Im5sin(5ωt − δ5) + Im7sin(7ωt − δ7) (2.13)
Desta maneira, uma soma de formas de onda perfeitamente sinusoidais pode originar uma forma de onda distorcida. Por outro lado, uma forma de onda distorcida pode ser representada como sobreposição de uma onda de frequência fundamental, com outras formas de onda de dife- rentes frequências e amplitudes harmónicas.
2.8.2 THD
A distorção harmónica total (THD) é um índice importante amplamente usado, para descrever problemas de qualidade nos sistemas de transmissão e distribuição, que considera a contribuição de cada componente harmónica individual no sinal. THD é definido matematicamente pelas equações para tensão e corrente, respetivamente:2.14e2.15.
T HDV = q ∑∞h=2Vh2 V1 (2.14) T HDI= q ∑∞h=2Ih2 I1 (2.15) 2.8.3 Causas
A avaliação da propagação harmónica numa rede de distribuição, requer uma representação precisa da fonte, ou seja, a causa da distorção. Fontes fracas, poderão provocar uma distorção har- mónica significativa que pode, por sua vez, afetar um grande números de clientes. Isto poderá ser problemático, quando ocorrer distorção harmónica em mais de um local, por exemplo, em insta- lações industriais. Assim, estas instalações, podem estar inadvertidamente a degradar a qualidade de energia.
2.8 Harmónicos 21
A qualidade de energia significa receber uma onda de tensão sinusoidal com variações de RMS e de THD dentro de certos limites e parâmetros pré-estabelecidos. Muitas vezes, no entanto, é difícil cumprir esses regulamentos, principalmente devido à utilização de grandes cargas e sempre que existir conversão de energia por meio de processos de retificação ou inversão. Esta distorção origina o aparecimento de estruturas com ruído, geralmente consideradas poluídas, do ponto de vista energético.[25]
Presentemente a distorção é produzida por:
• Transformadores saturados que são regularmente utilizados em valores de pico ou sobre tensão muito elevada;
• Fornalhas elétricas industriais; • Lâmpadas fluorescentes; • Conversores de energia.
2.8.4 Regulamentação
Os padrões e limites para o controle harmónico são elaborados pelo IEEE nos EUA e IEC (Comissão Eletrotécnica Internacional) na União Europeia. Em 1981, o IEEE, emitiu a norma 519-1981 que visava fornecer diretrizes e práticas recomendadas para o ajuste de comutação, dis- torção de tensão e limites de cintilação produzidos por conversores de energia. A norma apresen- tou alguns efeitos na distorção harmónica, mas fez pouco para considerar a forte interação entre produtores harmónicos e a operação do sistema de potência.
O foco principal, da norma revista na IEEE-519 em 1992, era que as limitações dos clientes em relação à quantidade máxima de harmónicos de correntes no ponto de conexão com o utilizador de energia, não representam uma ameaça para distorção da voltagem excessiva. O cumprimento desta norma exige a verificação de limites harmónicos na interface entre produtor e cliente. Níveis de taxa de distorção harmónica (THD), recomendados para corrente e tensão, foram estabelecidos na revisão de 1992 do IEEE-519. Interferência na comunicação com sistemas produzidos por conversores CC de baixa tensão foi abordada na revisão da norma.
Na IEEE-519, os limites de distorção harmónica, recomendados, devem ser verificados por meio de comparação com medições no PCC, ou seja, a interface entre a concessionária de energia elétrica e o cliente. Uma questão importante é que os níveis podem ser excedidos 50% sob con- dições incomuns com duração inferior a uma hora. Além disso, recomenda o uso de funções de distribuição de probabilidade a partir de medições de campo, afirmando que se os limites forem excedidos por apenas um período “curto”, tal condição pode ser considerada aceitável.
Para redes elétricas de 69 kV e menores, por exemplo, a distorção de tensão total é limitada a 5%, sendo que nenhuma taxa de distorção harmónica de tensão individual deve exceder 3%. No que diz respeito à distorção harmónica de corrente, a norma IEEE-519, define os limites em função da relação entre a corrente de curto-circuito na corrente média do PCC correspondente à
22 Qualidade de Energia
2.8.5 Efeitos e Consequências
Tanto clientes habitacionais como industriais, apresentam problemas e preocupações com a geração de harmónicos de corrente. Considerando que a um nível residencial os problemas são criados por equipamentos domésticos (vários aparelhos de TV, computadores, dispositivos de en- tretenimento, iluminação fluorescente), é cada vez mais difícil estabelecer regras para a imple- mentação de ações corretivas a este nível.
Como resultado, um número considerável de clientes de eletricidade fica exposto aos efeitos da distorção harmónica tanto em cargas industriais e comerciais como em residenciais.
Efetivamente, mesmo a nível industrial, o conceito de filtros harmónicos está longe de ser adequadamente conhecido, isto é causado pela falta de informação sobre o efeito que os harmóni- cos produzem nas cargas não-lineares, podem impor a processos, equipamentos e em aplicações comerciais: [25]
• Efeitos térmicos em transformadores;
• Efeitos nocivos em baterias de condensadores; • Dispositivos de Iluminação;
• Interferência nas telecomunicações; • Efeitos térmicos em máquinas rotativas.
2.8.5.1 Efeitos térmicos em transformadores
As redes industriais e comerciais modernas são cada vez mais influenciadas por quantidades de correntes harmónicas produzidas por uma variedade de cargas não-lineares como transmissões de velocidade variável, fornalhas elétricas industriais e iluminação fluorescente.
Todas essas correntes são obtidas por meio de transformadores de serviço. Um aspecto par- ticular dos transformadores, é que, sob condições de saturação, eles tornam-se numa fonte de harmónicos, apresentam correntes que aquecem os condutores e consequentemente, a corrente aumenta o valor eficaz e produz calor adicional.
2.8.5.2 Efeitos nocivos em baterias de condensadores
O aumento de tensão pode sobrecarregar e encurtar a vida das baterias de condensadores. A tensão e a temperatura, são os impulsionadores das condições que podem levar a bateria de condensadores à rutura dielétrica.
A distorção harmónica é, definitivamente, outro fator que contribui para impor tensões nas baterias de condensadores, este é um fenómeno sério na indústria com grandes conversores de energia não filtrados.