Trabalho harmônicos

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Salvador, 2011

CIMATEC Centro Integrado de Manufatura e Tecnologia

Salvador Bahia

Alan

Davi Freire da Silva

Paulo

Etc

CARGAS GERADORAS DE HARMÔNICOS



Salvador, 2011

Alan

Davi

Paulo

CARGAS GERADORAS DE HARMÔNICOSRelatório técnico apresentado como requisito

parcial para obtenção de aprovação na

disciplina Qualidade da Energia Elétrica, do

curso técnico em eletrotécnica do SENAI,

unidade CIMATEC.

Professor: Eduardo



Salvador, 2011

RESUMO

O objetivo deste trabalho é identificar e classificar os

principais geradores de distúrbios harmônicos na rede

elétrica, além de expor exemplos e propor soluções

analisando os prós e os contras de cada método de correção

ou atenuação de tais efeitos.



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SUMÁRIO

1 Introdução.......................................................................5

2 Caracterização dos Sinais Harmônicos.............................53 Cargas Lineares e Não Lineares........................................6

4 Variadores de Velocidade................................................8

5 Fonte de Alimentação Monofásica.................................106 Lâmpadas Fluorescentes................................................11

7 Conclusão......................................................................14



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1 INTRODUÇÃO

O conhecimento do que são harmônicas, suas principais causas e efeitos torna-se

necessário para qualquer estudante da energia elétrica em geral visto que os

problemas causados espalham-se por toda a rede independente do nível ou tipo

de carga instalada.

É também indispensável a utilização dos meios corretos de medição evitando a

leitura de valores errôneos de corrente e tensão, podendo desta forma escolher

o método adequado para amenizar os efeitos deste distúrbio que tende a se

tornar cada vez mais intenso.

2 CARACTERIZAÇÃO DOS SINAIS HARMÔNICOS

Uma tensão ou corrente harmônica pode ser definida como um sinalsenoidal cuja freqüência é múltiplo inteiro da freqüência fundamental do sinalde alimentação. A forma de onda de tensão ou de corrente em um dado pontode uma instalaçãopode ter o aspecto do sinal T que está mostrado na figura 1 (onda deformada).Observando essa situação, vemos que o sinal T é a soma ponto a ponto dossinais 1 e 5 formados por senóides perfeitas de amplitudes e frequênciasdiferentes, chamadas de harmônicas.

Figura 1: Onda deformada e suas componentes harmônicas.

Consequências imediatas das harmônicas:Disparo indevido dos semicondutores de potência em retificadorescontrolados e reguladores de tensão, devido a múltiplas passagens pelo zero etensão ocasionando operações errôneas e falhas na comutação decircuitos; Erros nos medidores de energia elétrica, possibilitando a geração de contasmaiores, além de erros em demais instrumentos de medida;



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Forças eletrodinâmicas produzidas por correntes instantâneas comharmônicas presentes, provocam vibrações e ruídos acústicos em dispositivoseletromagnéticos; Conjugado mecânico pulsante em motores de indução, devido a camposgirantes adicionais, causando vibrações e maiores perdas por diferentesescorregamentos entre rotor e estes campos, além de aquecimento, bináriospulsantes, ruído audível e redução da vida útil das máquinas elétricas rotativas; Interferência eletromagnética em equipamentos de telecomunicações ecircuitos de controle (cabos de força e controle em paralelo); Aumento das perdas no ferro e no cobre (aquecimento), saturação,ressonâncias, vibrações nos enrolamentos além de redução de capacidade vidaútil dos transformadores; Origina operações falsas ou errôneas na operação de relés de proteção,disjuntores e fusíveis podendo danificá-los; Aumento nas perdas dos condutores elétricos; Mau funcionamento ou falhas de operação em equipamentos eletrônicosligados à rede elétrica, tais como computadores, controladores lógicos

programáveis (PLCs), sistemas de controle comandados por micro controladores,entre outros. Cabe lembrar que estes equipamentos controlamprocessos de industriais.

CONSEQÜÊNCIAS A LONGO PRAZO DAS HARMÔNICAS Sobreaquecimento de capacitores, provocando ruptura de dielétrico; Perdas adicionais em transformadores devido ao aumento do efeito pelicular,histerese e correntes de Foucalts; Sobreaquecimento de transformadores devido ao aumento do valor rms dacorrente. Com isso temos a redução do tempo de vida útil dostransformadores devido à presença de harmônicos;

Sobreaquecimento de cabos e dispositivos de uma instalação elétrica, devidoao aumento da impedância aparente com a frequência; Desgaste excessivo da isolação dielétrica devido à sobretensão sofrida; Deterioração do dielétrico devido ao aumento considerável na dissipaçãotérmica dos condensadores; Redução da vida útil das lâmpadas e flutuação da intensidade luminosa( flicker para o caso de ocorrência de sub-harmônicos); Capacitores, queima de fusíveis, e redução da vida útil; Redução da vida útil de motores além da impossibilidade de atingir potênciamáxima.



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3 CARGAS LINEARES E NÃO LINEARES

As cargas lineares são capacitivas, indutivas ou resistivas onde as formas deonda se mantêm sempre senoidais.

Exemplo gráfico de ondas de tensão e corrente em carga linear.

No caso das cargas não lineares as formas de ondas são alteradasprincipalmente por controladores responsáveis por iluminação variável,

velocidade ajustável, etc.A energia elétrica passa por dispositivos de eletrônica de que fazem uso dediodos, transistores e tiristores, sendo que praticamente todos eles operam emmodo de interrupção.

Para exemplificar esse tipo de carga, fez-se uma medição em um ventiladoralimentado pelo inversor de onda quadrada. A tensão e a corrente medidas sãomostradas na a seguir



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Verifica-se que com esse tipo de alimentação há a impossibilidade doequipamento atingir sua máxima potência e uma alimentação freqüente dessetipo de tensão poderá causar a redução da vida útil do aparelho. Observa-senotadamente a redução na rotação do aparelho e o aumento de ruído audível.

4 VARIADORES DE VELOCIDADE

Muito utilizados com o objetivo de obter melhorias na partida de motores alémde proporcionar economia de energia, os variadores de velocidade são cada diamais utilizados.Apesar de aumentar a vida útil dos motores ligados a eles, estes equipamentos

são cargas extremamente poluidoras, alcançando valores de distorção decorrente superiores a 100%. Ou seja: os valores das correntes harmônicassomadas superam o valor da fundamental.

4.1 Inversores de Frequência Um inversor de frequência é um dispositivo capaz de gerar uma tensão e

frequência trifásicas ajustáveis, com a finalidade de controlar a velocidade de ummotor de indução trifásico.A figura abaixo mostra resumidamente o diagrama em blocos de um inversor defrequência escalar:

Seção Retificadora

Os seis diodos retificadores situados no circuito de entrada do inversor, retificam atensão trifásica da rede de entrada (L1, L2 e L3). A tensão DC resultante é filtrada

pelo capacitor C e utilizada como entrada para a Seção Inversora.

Seção Inversora Na seção inversora, a tensão retificada DC é novamente convertidaem Trifásica AC. Os transistores chaveiam várias vezes por ciclo, gerando um trem

de pulsos com largura variável senoidalmente (PWM). Esta saída de tensão pulsada,

sendo aplicada em um motor (carga indutiva), irá gerar uma forma de onda decorrente bem próxima da senoidal através do enrolamento do motor.



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Abaixo, um exemplo da forma de onda de um motor trifásico ligado a um inversor

de frequência.

4.1 Soluções para harmônicos causados por inversores de frequência.

Quando o inversor não possui nenhum tipo de filtro uma das soluções maisutilizadas é a colocação de uma impedância no circuito de alimentação.Desta forma, o circuito fica com uma impedância cada vez maior. Quanto maior

for a frequência da harmônica, reduzindo seus valores nominal e de pico (até

quase a metade), maior será a redução das harmônicas de ordem 5 e 7 e o THDpassa a ficar entre 30% e 60%.Trata-se da solução mais econômica, desde que o filtro não venha dentro doinversor. O reator ocupa pouco espaço e é simples de montar. Pode ser usadoum reator para vários inversores, dando flexibilidade à solução. Também nãotorna o acionamento do motor dependente do filtro, apesar de passar atrabalhar com uma forte presença de harmônicas.



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Outra solução bastante eficaz é o uso do filtro passivo, que é constituído de umconjunto reator capacitor sintonizado na frequência da harmônica quedesejamos reduzir. Conforme vemos na figura a seguir, ele é colocado entre asubestação e o inversor e tem um bom resultado na redução do THD, com avantagem de ser produzido para uma harmônica específica.

O resultado na redução do THD, com o teste de vários modelos de filtros,demonstra que todos tiveram seu desempenho bem próximo um do outro.

Também podemos ver a comparação com a solução de 18 pulsos e de 6 pulsos.Constatamos, inclusive, que o resultado é similar a um retificador de 18 pulsoscom o custo bem menor, mas sua aplicabilidade prática fica restrita a certascondições e cuidados.

5 FONTE DE ALIMENTAÇÃO MONOFÁSICA

São fontes comutadas presentes em quase todo tipo de aparelhos eletrônicos. Éo tipo de distorção harmônica mais comum nas instalações elétricas e um

problema difícil de ser resolvido.Em lugares como escritórios, call centers ou centrais telefônicas, o número de

computadores é muito grande. E associado a eles encontram-se impressoras,fotocopiadoras, fax, scanners, e outros equipamentos que utilizam correntecontínua para seu funcionamento. No caso das centrais telefônicas, sãoinstalados imensos retificadores e grandes bancos de baterias a fim de alimentaros equipamentos que são 99% alimentados por corrente contínua.As correntes harmônicas provenientes deste tipo de equipamento são muito

altas principalmente devido à presença de harmônicos de 3ª ordem apesar detambém encontrarmos as de 5ª, 7ª 9ª...



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Abaixo um esquema típico de uma fonte de alimentação monofásica.

6 LÂMPADAS FLUORESCENTES

Introduzidas no mercado desde 1938, sempre foram conhecidas pela relaçãoentre a capacidade de iluminação e a economia. devido à crescente demandapor lâmpadas, à introdução de modelos compactos, à fabricação em larga

escala e consequente redução de custo unitário, as lâmpadas fluorescentes vêmgradativamente substituindo as ineficientes lâmpadas incandescentes. Aslâmpadas fluorescentes compactas (LFC) destacam-se neste sentido, uma vezque podem ser diretamente conectadas a soquete tipo E-27. Já no Brasil,passaram a ser mais utilizadas a partir da crise energética de 2002.De maneira geral, lâmpadas florescentes, mesmo as tubulares com reatores

eletrônicos ou as compactas, possuem baixo fator de potência. Muitosfabricantes atestam que seus produtos possuem fator de potência próximo daunidade, mas esta propriedade refere-se a fator de potência comosendo apenas a defasagem entre as formas de onda de corrente e tensão. Asdistorções harmônicas de corrente inseridas no sistema devido aos

chaveamentos dos circuitos eletrônicos não são abordadas nas embalagens.Assim sendo, as LFC introduzem distorções na forma de onda da corrente narede, o que, em baixos níveis poderia não caracterizar um problema. No entanto,em níveis mais elevados, a circulação dessa corrente em elementos resistivosoriginará tensões que, somadas à fundamental, provocarão distorções na tensãofornecida. Esta situação pode caracterizar-se quando há um grande número deLFC na instalação elétrica considerada.



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Exemplo de formas de onda resultante de uma instalação que contém muitaslâmpadas fluorescentes compactas (LFC).

Materiais e métodos utilizados na avaliação feita pela UFSC: A. Materiais

Cinco modelos diferentes de lâmpadas foram avaliados durante os ensaios.Dentre eles, lâmpadas fluorescentes compactas, fluorescentes tubulares e umalâmpada incandescente. Esta última foi tomada como referência. Uma brevedescrição destes modelos é apresentada na Tabela I.TABELA I LÂMPADAS UTILIZADAS

B. Métodos

As medições foram realizadas em uma bancada didática em medidas elétricasfabricada pela WEG, e fizeram uso de parte de seu instrumental, a saber,amperímetro, voltímetro, wattímetro e medidor de fator de potência.Para cada um dos arranjos de lâmpadas empregado, forma registrados os

valores instantâneos de fator de potência, potência, e iluminamento a 1 metrode distância. Foram registrados, também, as formas de onda de tensão ecorrente.

De posse destas informações, efetuou-se o cálculo da DHT das formas de onda, aeficiência luminosa a 1 m e o percentual de perdas, segundo as equações (1), (2)e (3), respectivamente.



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Para observação e registro das formas de onda de tensão e corrente foiempregado um osciloscópio TDS 2014 (Tektronix), com taxa de amostragem de1Gs/s, juntamente com uma ponta de prova amperimétrica Fluke 80i-110s, comalcance entre 50mA a 100A e resposta de frequência de DC a 1kHZ. Para amedição do nível de iluminamento foi empregado um luxímetro Chauin Arnoux,modelo C.A 810, posicionado a 1 metro da fonte luminosa e sempre no foco dalâmpada.Após a preparação das amostras a serem empregadas no experimento, foraminstaladas as lâmpadas na bancada, submetendo-as à tensão nominal deoperação das mesmas: 220 V. É importante salientar que a tensão dealimentação do laboratório já continha uma DHT de 4,7%.

V. RESULTADOSOs resultados das medições para a LI são apresentados na Tabela II.As formas de onda de tensão e corrente relativas a essa lâmpada podem serobservadas na Figura que segue a tabela.TABELA II RESULTADOS COLETADOS LI



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7 CONCLUSÃO

Como sempre, o desenvolvimento traz consequências. Atualmente é

praticamente inevitável o aumento de quantidade de distorções harmônicas nasinstalações elétricas, já que os computadores se tornaram itens indispensáveis em

diversas áreas da vida moderna e os motores elétricos continuarão sendo muito

utilizados devido ao alto rendimento e baixo custo de manutenção.

Cabe a nós, estudantes da eletricidade e de suas aplicações, medir os valores

destas distorções na rede, analisar suas principais fontes e escolher as melhores

formas de atenuá-las.

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