Universidade Federal de Pernambuco Centro de Tecnologia e Geocincias

Departamento de Eletrnica e Sistemas Curso de Especializao em Automao Industrial

Implementao de Filtro Ativo para Correo dos Parmetros de Qualidade de Energia, Relacionados a

Correntes

Antonio Sandro Paz

Orientador: Prof. Marcelo Cabral Cavalcanti

Monografia apresentada ao Departamento de Eletrnica e Sistemas da Universidade Federal de Pernambuco como parte dos requisitos para obteno do Certificado de Especialista em Automao Industrial

Recife, 2011

Implementao de Filtro Ativo para Correo dos Parmetros de Qualidade de Energia, Relacionados a

Correntes

Antonio Sandro Paz

Esta Monografia foi julgada adequada para obteno do Ttulo de Especialista em Automao Industrial, rea de Concentrao em Eletrnica de Potncia, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Ps-Graduao em Automao Industrial do Departamento de Eletrnica e Sistemas da Universidade Federal de Pernambuco.

___________________________________ Marcelo Cabral Cavalcanti, Dr.

Orientador

___________________________________ Edval J. P. Santos, Ph.D.

Coordenador do Curso de Ps-Graduao em Automao Industrial

Banca Examinadora:

___________________________________ Edval J. P. Santos, Ph.D.

Presidente

___________________________________ Marcelo Cabral Cavalcanti, Dr.

___________________________________ Maurcio Trindade, MSc

Recife, 21 maio de 2011

AGRADECIMENTOS

A meu pai (in memoriam) e a minha me pelo esforo e dedicao em garantir a

educao dos filhos, ainda que no tenham experimentado oportunidades semelhantes.

A minha esposa Cluma e aos meus filhos Daniel e Clarice pela compreenso e

colaborao para que este trabalho tivesse xito.

Ao meu orientador Prof. Marcelo pelo exemplo de responsabilidade e de dedicao

ao trabalho, e pela prontido nas orientaes sempre que foi solicitado.

Ao CINDACTA III por ter viabilizado os meios para a realizao da pesquisa.

Aos amigos Gedeone e Jaderson pela valiosa colaborao durante as atividades

prticas necessrias ao trabalho.

Ao Prof. Edval pela coordenao do Curso de Especializao em Automao

Industrial.

Aos estimados colegas do Curso de Especializao pelo excelente convvio.

RESUMO

Implementao de Filtro Ativo para Correo dos

Parmetros de Qualidade de Energia, Relacionados a Correntes

Antonio Sandro Paz Universidade Federal de Pernambuco, Departamento de Eletrnica e Sistemas

paz_sandro@hotmail.com

Maio/2011

Orientador: Prof. Marcelo Cabral Cavalcanti rea de concentrao: Eletrnica de Potncia Palavras-chave: Harmnicas, filtro ativo paralelo, qualidade de energia

Estudo exploratrio realizado com implementao de equipamento fabricado por empresa multinacional, objetivando identificar em que medida um filtro ativo paralelo (FAP) coerentemente dimensionado eficiente como recurso de mitigao automatizada de harmnicas aos nveis aceitveis pelas normas em vigor. Para tanto, foi necessrio discutir os fenmenos que afetam a qualidade de energia eltrica, priorizando o tpico distores harmnicas, suas causas, efeitos e estratgias para reduo das mesmas. A captao dos dados foi materializada na forma de medies realizadas com instrumentos de anlise da qualidade de energia, como o Fluke 435. A amostra foi composta de dois sistemas eltricos do CINDACTA III, sendo o circuito de maior interesse constitudo por um quadro de distribuio alimentado por UPS modulares Newave, que tem como cargas sistemas de comunicao satelital, servidores e computadores industriais do sistema de controle do trfego areo. Constataram-se melhorias significativas nos indicadores dos nveis de distoro harmnica aps a ativao do FAP: THDV reduziu de 6% para 2,3%; THDI de 33% para 4%; o diferencial de tenso entre neutro e terra variou de 7,7V para 2V; e a corrente no condutor neutro caiu de 97A para 11A. Houve tambm uma avaliao de custo-benefcio do FAP para o processo de reduo do potencial de neutro, na qual foi verificada a vantagem financeira do filtro, para o caso em estudo. Diante dos dados obtidos, identificou-se que, quando as distores harmnicas forem classificadas como um problema para um sistema eltrico, o FAP constitui uma soluo de excelente desempenho em 100% das aplicaes.

ABSTRACT

Implementation of Active Filter for Correction of Power

Quality Parameters Related to System Current

Antonio Sandro Paz Universidade Federal de Pernambuco, Departamento de Eletrnica e Sistemas

paz_sandro@hotmail.com

May/2011

Advisor: Marcelo Cabral Cavalcanti, Dr. Area of Concentration: Power Electronics Keywords: harmonics, active filter, power quality

This study involved the implementation of an active filter manufactured by a multinational company, to identify if a parallel active filter (PAF), consistently scaled, is efficient to automatically reduce the harmonics until standards acceptable levels. It was necessary to discuss the phenomena that affect power quality, emphasizing harmonic distortion, harmonics sources, effects and strategies for controlling them. A power quality analysis instrument, such as Fluke 435, was used to take the measurements. The sample consisted of two electrical systems installed at CINDACTA III. The main studied circuit consisted of a distribution panel, supplied by a Newave modular UPS. That panel supplies the following loads: satellite communication equipments, industrial servers and computers of air traffic control system. Significant improvements were observed at parameters that indicate the level of harmonic distortion, after activation of the PAF: THDV reduced from 6% to 2.3%; THDI from 33% to 4%; the neutral-ground voltage ranged from 7.7 V to 2; and the current in neutral conductor fell down from 97A to 11A. There was also a cost-benefit evaluation of PAF to the process of reducing the neutral voltage, where it was verified the financial advantage of the active filter at studied case. Data analysis indicated that, whenever the harmonic distortion is classified as a problem for an electrical system, the PAF consist of an excellent solution device in all applications.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Formas de onda de tenso da fonte de alimentao (a), da corrente (b) e da tenso da carga (c), em circuito com dispositivo de controle ................................................................... 30Figura 2: Forma de onda e espectro harmnico de corrente de fonte chaveada ....................... 31Figura 3: Curva de excitao de transformadores .................................................................... 31Figura 4: Lmpada fluorescente com reator eletrnico - (a) forma de onda e (b) espectro harmnico ................................................................................................................................. 32Figura 5: Forno a arco eltrico ................................................................................................. 33Figura 6: Espectro tpico de corrente de um forno a arco ........................................................ 33Figura 7: Espectro de corrente em transformador antes e depois da instalao de banco de capacitores, mostrando aumento de THD................................................................................. 35Figura 8: Transformador para confinamento de 3 harmnica e suas mltiplas ...................... 49Figura 9: Transformador para confinamento de 5 e 7 harmnicas ......................................... 50Figura 10: Filtros passivos de confinamento ............................................................................ 51Figura 11: Filtro sintonizado RLC - sintonia simples (a) e dupla (b) ...................................... 52Figura 12: Mdulo da impedncia versus frequncia num filtro sintonizado .......................... 53Figura 13: Filtro amortecido 1 ordem, 2 ordem, 3 ordem e filtro tipo-C ........................... 54Figura 14: Mdulo da impedncia versus frequncia do filtro amortecido .............................. 54Figura 15: Ligao tpica de um filtro ativo paralelo de harmnicas ....................................... 56Figura 16: Filtro ativo srie ...................................................................................................... 58Figura 17: Combinao de filtro ativo srie com filtro ativo paralelo (UPQC) ....................... 59Figura 18: Principais configuraes de filtros ativos hbridos ................................................. 59Figura 19: Smbolo e curva caracterstica do IGBT ................................................................. 61Figura 20: Circuito de potncia de um filtro ativo ................................................................... 62Figura 21: Referncia de corrente e de acionamento das chaves semicondutoras ................... 63Figura 22: Sinal PWM de dois nveis ....................................................................................... 65Figura 23: Sinal PWM e espectro de sinal PWM de trs nveis para inversor trifsico ........... 65Figura 24: Sistema de controle para uma das fases do filtro ativo paralelo ............................. 66Figura 25: Filtro ativo tipo paralelo empregando o inversor VSI controlado por meio de sensoriamento da corrente da rede (uma fase).......................................................................... 67Figura 26: Transformador de corrente ideal. A corrente no secundrio balanceada com a do primrio de modo a zerar o fluxo magntico no ncleo ........................................................... 68Figura 27: Exemplo de atuao do filtro ativo paralelo ABB .................................................. 71Figura 28: Diagrama esquemtico do filtro PQFS com as conexes do usurio ..................... 72

Figura 29: Painel do filtro PQFS na configurao mestre ........................................................ 73Figura 30: Diagrama do circuito de potncia do filtro ativo PQFS .......................................... 74Figura 31: Diagrama da interface do controlador do filtro ativo paralelo PQFS ..................... 76Figura 32: Interface frontal do controlador do filtro ativo paralelo PQFS ............................... 76Figura 33: Interface traseira do controlador do filtro ativo paralelo PQFS .............................. 77Figura 34: Diagrama de blocos do sistema eltrico usado para instalao definitiva do filtro ativo paralelo PQFS .................................................................................................................. 78Figura 35: Fotografia do QDCA2 indicando o disjuntor utilizado para alimentao do filtro ativo paralelo PQFS .................................................................................................................. 79Figura 36: Diagrama de instalao dos TC para filtro PQFS operando no modo 4-fios .......... 80Figura 37: Diagrama de blocos do sistema eltrico usado para anlise prvia do filtro ativo paralelo PQFS ........................................................................................................................... 81Figura 38: Medidas de potncia e fator de potncia rede UPS computadores antes do filtro .................................................................................................................................................. 82Figura 39: Medidas de tenso (a) e de corrente (b) - rede UPS computadores antes do filtro . 82Figura 40: Distores harmnicas totais de corrente e de tenso - rede UPS computadores antes do filtro ............................................................................................................................ 83Figura 41: Distores harmnicas individuais de corrente - rede UPS computadores antes do filtro .......................................................................................................................................... 83Figura 42: Medidas de potncia e fator de potncia rede UPS computadores aps o filtro .. 84Figura 43: Medidas de tenso (a) e de corrente (b) - rede UPS computadores aps o filtro .... 84Figura 44: Distores harmnicas totais de corrente e de tenso (a) e espectro harmnico de tenso (b) rede UPS computadores aps o filtro ................................................................... 84Figura 45: Distores harmnicas individuais de corrente rede UPS computadores aps o filtro .......................................................................................................................................... 85Figura 46: Leituras de tenso RMS fase-neutro e neutro-terra no QDCA2 jul/2010 ............ 87Figura 47: Leituras de corrente RMS de fase e de neutro no QDCA2 jul/2010.................... 88Figura 48: Medidas de potncia e fator de potncia no QDCA2 antes do filtro PQFS mar/2011 ................................................................................................................................... 91Figura 49: Medidas de tenso (a) e de corrente (b) no QDCA2 antes do filtro PQFS mar/2011 ................................................................................................................................... 92Figura 50: Distores harmnicas individuais de tenso no QDCA2 antes do filtro PQFS mar/2011 ................................................................................................................................... 92Figura 51: Distores harmnicas individuais de corrente no QDCA2 antes do filtro PQFS mar/2011 ................................................................................................................................... 92Figura 52: Distores harmnicas totais de corrente e de tenso no QDCA2 antes do filtro PQFS mar/2011 ..................................................................................................................... 93Figura 53: Medidas de potncia e fator de potncia no QDCA2 aps o filtro PQFS ............... 94

Figura 54: Medidas de tenso (a) e de corrente (b) no QDCA2 aps o filtro PQFS ................ 94Figura 55: Distores harmnicas totais e individuais de corrente e espectro de harmnicas de corrente no QDCA2 aps o filtro PQFS ................................................................................... 94Figura 56: Distores harmnicas totais e individuais de tenso e espectro de harmnicas de tenso no QDCA2 aps o filtro PQFS ...................................................................................... 95Figura 57: Sinais de tenso no QDCA2 aps o filtro PQFS ..................................................... 95Figura 58: Distores harmnicas totais e individuais de corrente e espectro de harmnicas de corrente no alimentador da UPS Modular aps o filtro PQFS no QDCA2 .............................. 96Figura 59: Distores harmnicas totais e individuais de tenso e espectro de harmnicas de tenso no alimentador da UPS Modular aps o filtro PQFS no QDCA2 ................................. 97Figura 60: Leituras de corrente no QDFE1 antes e aps a aplicao do filtro PQFS .............. 97Figura 61: Distores harmnicas de corrente no QDFE1 (principais componentes) antes e aps a aplicao do filtro PQFS ............................................................................................... 98Figura 62: Distores harmnicas de tenso no QDFE1 (principais componentes) antes e aps a aplicao do filtro PQFS ........................................................................................................ 98Figura 63: Sinais distorcidos das correntes das fases A, B e C e do condutor neutro no QDFE1 aps a aplicao do filtro PQFS ............................................................................................... 99Figura 64: Leituras de tenso, corrente, de potncia e de fator de potncia no filtro PQFS .. 100Figura 65: Distores harmnicas totais e individuais de corrente e espectro de harmnicas de corrente injetadas pelo filtro PQFS QDCA2 .......................................................................... 101Figura 66: Sinais das correntes geradas pelo filtro PQFS para compensar as harmnicas geradas pelas cargas do QDCA2 - fases A, B e C e condutor neutro ..................................... 101

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Categorias e caractersticas de distrbios eltricos. .................................................. 16Tabela 2: Componentes harmnicas induzidas no rotor, em funo de tenses harmnicas no estator ....................................................................................................................................... 36Tabela 3: Limites de tenso harmnica (Vh/V1)% para produtores de energia (concessionrias e cogeradores) ........................................................................................................................... 39Tabela 4: Limites de distoro de corrente para sistemas de distribuio em geral (120V a 69000V) .................................................................................................................................... 39Tabela 5: Limites de distoro individual de tenso em rede de baixa ou de mdia tenso .... 40Tabela 6: IEC 61000-3-2 - limites de corrente harmnica para equipamentos classe A .......... 41Tabela 7: IEC 61000-3-2 - limites de corrente harmnica para equipamentos classe C .......... 42Tabela 8: IEC 61000-3-2 - limites de corrente harmnica para equipamentos classe D .......... 42Tabela 9: IEC 61000-3-4 - limites de corrente harmnica para equipamentos monofsicos e trifsicos at 600V com 16A < I 75A por fase ...................................................................... 43Tabela 10: IEC 61000-3-6 nveis de compatibilidade de tenses harmnicas ...................... 43Tabela 11: Valores de referncia das distores harmnicas totais (em porcentagem da tenso fundamental) ............................................................................................................................. 44Tabela 12: Nveis de referncia para distores harmnicas individuais de tenso (em porcentagem da tenso fundamental) ....................................................................................... 44Tabela 13: Comparao entre filtros passivos e ativos............................................................. 60Tabela 14: Conexes do usurio para filtro PQFS ................................................................... 73Tabela 15: Conexes de entrada e sada do filtro PQFS, identificadas na Figura 29 ............... 73Tabela 16: Componentes principais do circuito de potncia do filtro ativo PQFS .................. 74Tabela 17: Parte frontal do gerenciador do filtro ativo PQFS .................................................. 76Tabela 18: Designao dos terminais do gerenciador do filtro ativo PQFS ............................. 77Tabela 19: Resumo das medies com e sem o filtro PQFS para o ponto de pr-anlise ........ 86Tabela 20: Tenses rms de fase e de neutro no QDCA2 jul/2010 ........................................ 87Tabela 21: Correntes rms de fase e de neutro no QDCA2 jul/2010 ...................................... 88Tabela 22: THDI no QDCA2 jul/2010 .................................................................................. 89Tabela 23: Harmnicas individuais de corrente de 3, 5 e 11 ordem no QDCA2 jul/2010 89Tabela 24: THDV no QDCA2 jul/2010 ................................................................................. 89Tabela 25: Harmnicas individuais de tenso de 3 e 5 ordem no QDCA2 jul/2010 .......... 90Tabela 26: Fator de potncia no QDCA2 jul/2010 ................................................................ 90Tabela 27: Resumo dos indicadores de distoro harmnica com e sem o filtro PQFS no QDCA2 ................................................................................................................................... 102

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

CINDACTA III - Terceiro Centro Integrado de Defesa Area e Controle de Trfego Areo

FAP - Filtro ativo paralelo

FFT - Transformada rpida de Fourier (Fast Fourier Transform)

FP - Fator de potncia

FPD - Fator de potncia de deslocamento

IEC - International Electrotechnical Commission

IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers

PCC - Ponto Comum de Conexo/Acoplamento, definido pela norma IEEE Std

519-1992 como o ponto mais prximo do consumidor, no lado da

concessionria, onde est ligado ou possvel a ligao de outros

consumidores.

QEE - Qualidade de energia eltrica

TC - Transformador de corrente

TDD - Taxa de distoro de demanda, definida pela IEEE Std 519-1992

THD - Distoro harmnica total

dB(A) - medida do nvel de presso sonora ponderado, LPA, definido pela NBR

10152 como sendo 10 log , onde

PO a presso sonora de referncia (20Pa) e PA o valor eficaz (RMS) da presso sonora determinada pelo uso do

circuito ponderado A, conforme IEC 651.

SUMRIO

CAPTULO 1 INTRODUO .......................................................................................... 131.1 MOTIVAO E OBJETIVOS ............................................................................................. 131.2 ASPECTOS METODOLGICOS ......................................................................................... 141.3 ASPECTOS GERAIS RELACIONADOS QUALIDADE DE ENERGIA .................................... 151.4 FUNDAMENTOS DOS SINAIS HARMNICOS .................................................................... 18

1.4.1 Definio .............................................................................................................. 181.4.2 Representao das Harmnicas ........................................................................... 191.4.3 Indicadores da Distoro Harmnica e os Princpios de Medio ..................... 221.4.4 Cargas Geradoras de Harmnicas ...................................................................... 271.4.5 Efeitos das Harmnicas ........................................................................................ 33

1.5 REGULAMENTAO E NORMALIZAO DOS LIMITES DE HARMNICAS ........................ 371.5.1 IEEE Std 519-1992 ............................................................................................... 381.5.2 EN 50160 .............................................................................................................. 401.5.3 IEC 61000-3 ......................................................................................................... 401.5.4 Regulamentao ANEEL: PRODIST 2010 Mdulo 8 ....................................... 44

1.6 CONSIDERAES FINAIS ................................................................................................ 45

CAPTULO 2 TECNOLOGIAS DISPONVEIS ............................................................. 472.1 MEDIDAS DE MITIGAO DE HARMNICOS EM SISTEMAS DE POTNCIA ....................... 47

2.1.1 Transformadores de Separao ........................................................................... 482.1.2 Filtros Passivos .................................................................................................... 502.1.3 Filtro (Condicionador) Ativo ............................................................................... 55

2.2 ESTRUTURA FSICA DE POTNCIA, DE ACIONAMENTO E DE CONTROLE DOS FILTROS ATIVOS .................................................................................................................................. 61

2.2.1 Chaves Semicondutoras ........................................................................................ 612.2.2 Princpio de Funcionamento do Inversor por Fonte de Tenso .......................... 622.2.3 Modulao e Lgica de Chaveamento para Filtragem Ativa .............................. 642.2.4 Monitorao e Controle da Corrente do Sistema Eltrico................................... 66

2.3 CONSIDERAES FINAIS ................................................................................................ 70

CAPTULO 3 SOLUO PROPOSTA ............................................................................ 713.1 FILTRO ATIVO PARALELO PQFS DA ABB ..................................................................... 72

3.1.1 Hardware Gerador de Corrente do Filtro PQF ................................................... 743.1.2 Controlador Principal do Filtro PQFS ................................................................ 75

3.2 MONTAGEM DO FILTRO PQFS DA ABB ........................................................................ 783.3 VERIFICAO DE MELHORIA DE DESEMPENHO ............................................................. 81

3.3.1 Pr-anlise Circuito de UPS e Rede de Computadores .................................... 813.3.2 Desempenho do Filtro PQFS nos Circuitos do QDCA2 ...................................... 86

3.4 CONSIDERAES FINAIS .............................................................................................. 105

CAPTULO 4 CONCLUSES ......................................................................................... 1074.1 MELHORIAS POSSVEIS, TRABALHOS FUTUROS ........................................................... 108

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ............................................................................... 109

13

Captulo 1 Introduo

1.1 Motivao e Objetivos

Idealmente, as ondas de tenso e de corrente em circuitos de corrente alternada so

senoides perfeitas. No entanto, em virtude do crescente aumento de popularidade da

eletrnica, a partir da dcada de 60, tais ondas nos sistemas de distribuio aparecem

distorcidas. Sendo esse desvio caracterizado como componentes harmnicas de corrente ou de

tenso. O termo THD (Distoro Harmnica Total) utilizado para quantificar o grau de

distoro, sendo apresentado como uma porcentagem da componente fundamental.

As correntes harmnicas podem provocar uma srie de problemas indesejados, como

reduo do fator de potncia, excitao de correntes ou tenses ressonantes entre indutncias

e capacitncias, aparecimento de vibraes e rudos, sobreaquecimento de capacitores,

sobrecorrente de neutro, dentre outros.

No processo de mitigao das componentes harmnicas de um sistema o filtro ativo

paralelo (FAP) tem despontado como uma soluo eficiente, entretanto, os trabalhos

acadmicos disponveis esto na maioria dos casos focados em simulaes computacionais ou

no desenvolvimento de filtros para sistemas de baixa potncia.

Este trabalho tem, ento, a inteno de realizar ensaios com um FAP produzido por

um fabricante multinacional de componentes eltricos tendo como objeto de pesquisa a

14

seguinte questo: em que medida um FAP coerentemente dimensionado eficiente como

recurso de mitigao automatizada de distores harmnicas aos nveis aceitveis pelas

normas em vigor?

Para responder ao problema formulado, permitindo assim a anlise e compreenso do

assunto, a pesquisa nortear-se- pelas seguintes questes:

a) Quais as perturbaes mais frequentes no processo de degradao da qualidade de

energia?

b) Quais os fatores intervenientes para as distores nas formas de onda de corrente e de

tenso?

c) Quais os efeitos e consequncias das distores harmnicas?

d) Quais as medidas mitigadoras das harmnicas na rede eltrica?

e) Existem desvantagens no uso de FAP?

O objetivo geral da pesquisa avaliar a eficincia de um FAP comercializado por

uma empresa multinacional, no processo de correo automatizada do nvel de distoro

harmnica de um sistema. Para atingi-lo, ser necessrio estabelecer objetivos especficos,

quais sejam:

a) Pesquisar conceitos e regras que regem os limites de harmnicas em sistemas eltricos;

b) Identificar circuitos eltricos com nveis de distoro harmnica inadequados qualidade

de energia;

c) Registrar e analisar os dados dos sistemas eltricos com e sem a atuao do FAP;

d) Pesquisar se existem interferncias do FAP nas cargas posicionadas em paralelo ao

mesmo.

Neste contexto, este estudo pretende difundir conhecimento acerca do uso de FAP no

tratamento de distores harmnicas. Acredita-se que os resultados da pesquisa sejam

importantes por permitirem a visualizao de resultados prticos.

1.2 Aspectos Metodolgicos

Para o desenvolvimento deste trabalho utilizou-se pesquisa bibliogrfica e de campo.

Na pesquisa bibliogrfica, foram consultadas fontes tericas como livros de Eletrnica de

15

Potncia, teses, manuais de equipamentos e artigos publicados em pginas da internet,

regulamentao brasileira e normas internacionais, que estabelecem limites tolerveis de

harmnicas para as instalaes eltricas.

A tcnica de pesquisa utilizada para a captao de dados, segundo critrio de

classificao adotado por Lakatos e Marconi [13], foi a pesquisa de campo do tipo

exploratria, materializada na forma de medies realizadas com instrumentos de anlise da

qualidade de energia, como o Fluke 435.

Os sujeitos da pesquisa foram dois circuitos eltricos do Terceiro Centro Integrado

de Defesa Area e Controle de Trfego Areo (CINDACTA III): o primeiro constitudo por

uma UPS RTA modelo BR60T e suas cargas (tipicamente computadores pessoais), com o

objetivo de familiarizar-se com o processo de instalao e operao do filtro; e o segundo um

quadro de distribuio da Sala Tcnica (alimentado por UPS modulares Newave), tendo

como cargas sistemas de comunicao satelital, servidores e computadores industriais do

sistema de controle do trfego areo.

A pesquisa bibliogrfica e a anlise dos dados tero como ponto de partida

concluses importantes relacionando qualidade de energia e o emprego de FAP para

mitigao de harmnicas, desenvolvidas anteriormente em teses de doutorado.

1.3 Aspectos Gerais Relacionados Qualidade de Energia

Ultimamente, tem ocorrido grande nfase na revitalizao de sistemas industriais,

com a incluso de muitos componentes de automao e de maquinrio mais moderno. Tais

aes, invariavelmente, significam o uso de equipamentos mais eficientes e controlados

eletronicamente, os quais so mais sensveis s variaes da fonte de tenso do que os

componentes eletromecnicos, exigindo, em consequncia, um suprimento de energia de

qualidade.

Dugan et al [7] resume qualidade de energia como a qualidade da tenso eltrica

disponibilizada para os equipamentos, ressaltando, porm, que os problemas de qualidade de

16

energia englobam uma vasta gama de fenmenos diferentes, como as distores harmnicas,

que so objeto principal de estudo deste trabalho.

Este captulo apresenta uma reviso bibliogrfica sobre as distores harmnicas nos

sinais de tenso e de corrente, utilizando uma abordagem sequencial recomendada para

avaliao dos fenmenos que afetam a qualidade de energia, onde se busca identificar o

problema (harmnicas); relatar as suas caractersticas (sintomas, causas e efeitos); e

apresentar as solues possveis, tendo em considerao as normas e regulamentos vigentes,

dando nfase aos filtros passivos e ativos paralelos.

O termo qualidade de energia eltrica (QEE) tem sido usado para descrever o

conjunto de limites de propriedades que permite que sistemas eltricos, seus componentes e as

cargas alimentadas operem de forma satisfatria, sem perda significativa de desempenho ou

de vida til.

Uma definio abrangente diz que QEE uma medida de quo bem a energia eltrica

pode ser utilizada pelos consumidores. Essa medida inclui caractersticas de continuidade de

suprimento e de conformidade com certos parmetros considerados desejveis para a

operao segura, tanto do sistema supridor como das cargas eltricas [6].

Os parmetros capazes de alterar as caractersticas dos sinais de tenso e de corrente

de uma instalao eltrica esto relacionados na Tabela 1, juntamente com suas condies de

durao e mtodos de caracterizao. Quando um ou mais desses fenmenos esto presentes,

diz-se que a qualidade do sinal foi afetada ou que houve perda da qualidade de energia.

Tabela 1: Categorias e caractersticas de distrbios eltricos.

Tipo de Distrbio Mtodo de Caracterizao

Durao Tpica

Intensidade Tpica de Tenso

TRA

NSI

TR

IOS

Transitrio Impulsivo

Nanossegundo

Microssegundo

Milissegundo

5 ns (tempo de subida)

1s (tempo de subida)

0,1ms (tempo de subida)

1ms

Transitrio Oscilatrio

Baixa frequncia:

Mdia frequncia:

Alta frequncia:

< 5 kHz

5 500 kHz

0,5 5 MHz

0,3 30s

20s

5s

0 4 pu

0 8 pu

0 4 pu

17

Tipo de Distrbio Mtodo de

Caracterizao Durao Tpica

Intensidade Tpica de Tenso

EV

EN

TO

S D

E C

UR

TA

DU

RA

O

Interrupo 0,5 ciclo 60s

< 0,1 pu

Afundamento de Tenso 0,5 ciclo 60s

0,1 0,9 pu

Elevao de Tenso 0,5 ciclo 60s

1,1 1,8 pu

FEN

M

EN

OS

SUST

EN

TAD

OS

Sobretenso > 1min 1,1 1,2 pu

Subtenso > 1min 0,8 0,9 pu

Interrupo > 3min

0,0 pu

Desequilbrio de Tenso permanente 0,5 2%

DC offset permanente 0 0,1%

Harmnicas 0 100 ordem permanente 0 20%

Interharmnicas 0 6kHz permanente 0 2%

Notching ou Cortes permanente

Rudos Largo espectro permanente 0 1%

Flutuao de Tenso < 25Hz intermitente 0,1 7%

0,2 2 Pst

Variaes de frequncia da

rede

< 10s

Fonte: DUGAN et al. McGraw-Hill, 2002.

Esses fenmenos podem ser resumidos em quatro tipos de perturbaes eltricas

bsicas:

Perturbaes na amplitude da tenso; Perturbaes na frequncia do sinal; Desequilbrios de tenso ou corrente em sistemas trifsicos; e Perturbaes na forma de onda do sinal.

18

As perturbaes na forma de onda do sinal, foco deste trabalho, sero discutidas a

seguir.

1.4 Fundamentos dos Sinais Harmnicos

As perturbaes harmnicas tornaram-se importantes a partir da dcada de 90,

quando a utilizao de equipamentos eletrnicos e eltricos comeou a aumentar.

Geralmente, os usurios reclamam das concessionrias de energia eltrica em relao QEE

fornecida, porm, na maioria dos casos, so os prprios equipamentos ligados instalao que

provocam a deteriorao da QEE. Equipamentos como computadores pessoais, reatores

eletrnicos, variadores de velocidade e fontes de alimentao em geral so exemplos de

cargas que tm seu funcionamento baseado em componentes de eletrnica de potncia tais

como: diodos, tiristores, transistores, triacs e diacs. incontestvel que todos esses

equipamentos simplificam a execuo de nossas tarefas, aumentam a produtividade, oferecem

momentos de lazer, porm provocam deformaes nas formas de onda presentes nas

instalaes eltricas, o que resulta nas chamadas tenses e correntes harmnicas.

1.4.1 DEFINIO

Harmnicos so componentes senoidais ou cossenoidais de uma onda peridica

distorcida, com frequncias que so mltiplas inteiras da frequncia fundamental. Um sistema

eltrico que opera em 60 Hz, a 2 harmnica 120 Hz, a 3 harmnica 180 Hz e a n-sima

harmnica n x 60 Hz. Os sinais com frequncias que esto situadas entre os mltiplos

inteiros da fundamental so denominados interharmnicas. Sinais com frequncias abaixo da

fundamental so chamados subharmnicas, e muitas vezes contribuem para o fenmeno da

cintilao da luz. Os harmnicos, interharmnicos e subharmnicos tm a propriedade de

causar deformao em uma onda senoidal, tornando-a distorcida.

Pode-se, ento, dizer que um sinal peridico contm harmnicas quando a forma de

onda desse sinal deformada em relao a um sinal senoidal.

19

A presena de harmnicas em um sinal eltrico no um fenmeno novo. No

entanto, somente nos ltimos anos a preocupao com esse distrbio tem se destacado, em

virtude da coexistncia de duas tendncias: o crescente uso de banco de capacitores nos

sistemas de potncia para a melhoria do fator de potncia, e a crescente aplicao na indstria,

comrcio e residncias da eletrnica incorporada aos equipamentos eltricos para aumento da

eficincia e confiabilidade dos equipamentos.

1.4.2 REPRESENTAO DAS HARMNICAS

Formas de ondas senoidais so condies almejadas nos sistemas eltricos uma vez

que componentes e equipamentos eltricos so projetados com base em um suprimento

senoidal. Entretanto, uma forma de onda senoidal algo que na prtica no comumente

encontrada.

Uma onda peridica distorcida pode ser decomposta em uma srie finita ou infinita

de ondas senoidais e cossenoidais, que possui uma componente denominada de fundamental e

um conjunto de ondas, denominadas de harmnicas, responsveis pelo maior ou menor grau

de distoro da onda distorcida.

A fundamental a onda de menor frequncia do conjunto. Cada mltiplo inteiro da

fundamental chamado de ordem da harmnica. O sistema eltrico brasileiro opera a uma

frequncia de 60 Hz, sendo esta a frequncia fundamental.

Para identificao das frequncias, amplitudes e fases das componentes harmnicas

presentes em uma onda distorcida, emprega-se a anlise de Fourier, a qual um processo de

converso de formas de onda no domnio do tempo em suas componentes de frequncias.

1.4.2.1 Anlise de Fourier

Dada uma funo peridica f(t), o teorema de Fourier estabelece que tal funo pode

ser representada pela srie infinita:

12

, (2.1)

onde

20

1

0, ,

1

1, ,,

em que = valor mdio de f(t) e a componente cc do sinal,

, amplitude ou valor de pico da componente de ordem h da srie, frequncia angular fundamental de f(t) definida como 2 , ordem da harmnica. As vantagens de se usar a srie de Fourier para representar formas de onda

distorcidas que cada componente harmnica pode ser analisada separadamente e, a distoro

final determinada pela superposio das vrias componentes que compem o sinal

distorcido.

A srie de Fourier, conforme apresentada na Eq. 2.1, representa um caso especial da

transformada de Fourier aplicada a um sinal peridico.

A Transformada de Fourier se aplica tambm a sinais no-peridicos, sob a

considerao que o perodo tem comprimento infinito, e permite mapear qualquer funo no

intervalo a do domnio da frequncia para domnio do tempo e vice-versa. Na prtica, para reduzir o tempo de processamento dos controladores utilizados em

sistemas de controle, bem como para melhor adequao da avaliao numrica por

computador, os dados de um sinal so em geral capturados na forma de uma funo

amostrada, representada por uma srie de N amostras por perodo. Para lidar com esses dados

amostrados, utiliza-se uma modificao da Transformada de Fourier, a Transformada Discreta

de Fourier.

Para elevados valores de N, o custo computacional para realizar a Transformada

Discreta de Fourier torna-se proibitivo. Por essa razo, a implementao da Transformada

Discreta de Fourier, por meio de um algoritmo da Transformada Rpida de Fourier (FFT)

forma a base dos mais modernos sistemas de anlise harmnico e espectral.

21

1.4.2.2 Espectro Harmnico

Os resultados obtidos por meio da FFT so usados para formar o chamado espectro

harmnico, o qual representa as componentes harmnicas de um sinal na forma de um

grfico de barras, onde cada barra representa uma harmnica com sua frequncia, valor eficaz

e defasagem.

O espectro harmnico uma representao da forma de onda no domnio da

frequncia. Teoricamente, o espectro harmnico de um sinal deformado qualquer chegaria ao

infinito. Na prtica, limita-se o nmero de harmnicas a serem medidas e analisadas at a

ordem 50, uma vez que, raramente, os sinais acima dessa ordem so significativos a ponto de

poderem perturbar o funcionamento de uma instalao.

1.4.2.3 Ordem, Frequncia e Sequncia das Harmnicas

Em um sistema trifsico equilibrado, os componentes harmnicos so de sequncia

positiva, negativa e nula, como pode ser visto a seguir, para as tenses de fase.

cos cos2 cos3 cos4 cos5

(2.2)

cos 120 cos2 240 cos3 360 cos4 480 cos5 600

(2.3)

cos 120 cos2 240 cos3 360 cos4 480 cos5 600

(2.4)

Quanto sequncia das harmnicas, tomando-se como exemplo um motor

assncrono trifsico alimentado por quatro condutores (3F+N), as harmnicas de sequncia

positiva tenderiam a fazer o motor girar no mesmo sentido que o da componente fundamental,

provocando, assim, uma sobrecorrente nos seus enrolamentos, que provocaria um aumento de

temperatura, reduzindo a vida til e permitindo a ocorrncia de danos ao motor. Tais

harmnicas de sequncia positiva provocam, geralmente, aquecimentos indesejados em

condutores, motores e transformadores.

As harmnicas de sequncia negativa fariam o motor girar em sentido contrrio ao

giro produzido pela fundamental, freando assim o motor e tambm causando aquecimento

22

indesejado. Por sua vez, as harmnicas de sequncia nula no provocam efeitos no sentido de

rotao do motor, porm, somam-se algebricamente no condutor neutro. Isso implica que

podem ocorrer situaes em que pelo condutor neutro circule uma corrente de terceira ordem

que trs vezes maior do que a corrente de terceira ordem que percorre cada condutor fase.

Com isso, ocorrem aquecimentos excessivos do condutor neutro e destruio de bancos de

capacitores.

Resumidamente, nota-se que para um sistema equilibrado:

A componente fundamental simtrica, com mesma magnitude, ngulo de defasagem de 120 entre as fases e sequncia de fase positiva ou direta abc;

As harmnicas 4,7,... (3k+1, k=1,2,3,...) tm sequncia positiva abc; As harmnicas 2,5,... (3k-1, k=1,2,3,...) tm sequncia negativa cba; As harmnicas triplas (3k, k=1,2,3...) apresentam o mesmo ngulo de fase, com mesma

direo, tendo, portanto, sequncia nula;

Se harmnicos esto presentes, ento componentes de sequncia negativa e zero existem mesmo que o sistema seja equilibrado;

A presena de harmnicas no neutro pode gerar sobreaquecimento no mesmo e aumento da tenso neutro-terra;

Quanto ordem, h dois tipos de harmnicas: mpares e pares. As mpares so encontradas nas instalaes eltricas em geral e as pares nos casos em que ocorrem

assimetrias do sinal devido presena de componente contnua.

1.4.3 INDICADORES DA DISTORO HARMNICA E OS PRINCPIOS DE MEDIO

Os principais indicadores utilizados para quantificar e avaliar a distoro harmnica

das ondas de tenso e de corrente em um sistema eltrico so:

a taxa de distoro harmnica (juntamente com o espectro em frequncia), o fator de potncia, o fator de crista e o fator de desclassificao.

23

1.4.3.1 Taxa de Distoro Harmnica Total (THD)

A THD (ou DHT) um dos ndices mais comuns usados para indicar o contedo

harmnico presente em um sinal.

A distoro harmnica total para tenso (THDV) normalmente quantificada pela

expresso 2.5, enquanto para corrente (THDI) utiliza-se a equao 2.6.

1

100%

(2.5)

1

100%

(2.6)

onde V1 e I1 representam a componente fundamental do sinal e os valores de Vh e Ih

representam as harmnicas de ordem 2,..., n pode-se utilizar os valores de pico ou eficaz.

As equaes 2.5 e 2.6 podem ser rearranjadas para expressar os valores de THD em

funo do valor eficaz verdadeiro e do valor eficaz da fundamental, conforme a seguir:

, 1 100%

(2.7)

, 1 100%

(2.8)

Para quantificar a distoro harmnica individual de tenso ou de corrente, utiliza-se

a percentagem de determinada componente harmnica em relao sua componente

fundamental, expresso como:

100%

100%

100%

(2.9)

24

Para sistema eltrico trifsico equilibrado a 4 fios, a tenso fase-neutro usada para o

clculo de THDV. Quando o sistema trifsico trifilar, a THDV calculada utilizando a tenso

fase-fase [4].

THDV inferior a 5% considerado normal, valores compreendidos entre 5 e 8%

revelam elevado nvel de poluio harmnica e THDV acima de 10% inaceitvel [25].

Para THDI, valores inferiores a 10% so considerados normais, valores

compreendidos entre 10 e 50% revelam significativo nvel de poluio harmnica e THDI

acima de 50% representa elevado grau de distoro [25].

A THD definida para a tenso uma boa indicao do valor das harmnicas, uma

vez que a componente fundamental relativamente constante. O mesmo no vale para a

corrente, haja vista que a alterao da componente fundamental (associado a variaes da

carga) pode ser muito significativa. Para a anlise do efeito das distores da corrente mais

significativo considerar os valores absolutos das harmnicas individuais do que a THD [6].

1.4.3.2 Fator de Potncia e Cos O fator de potncia (FP) uma medida que indica o quo eficientemente uma carga

retira potncia til da fonte de alimentao, e definido pela relao entre a potncia ativa (P)

e a potncia aparente (S):

||,

(2.10)

onde

,. ,.

(2.11)

.

(2.12)

Em uma instalao com componentes lineares o FP medido simplesmente pelo

cosseno do ngulo de defasagem entre as componentes fundamentais da tenso e da corrente.

Define-se, ento, o termo fator de potncia de deslocamento (FPD):

,. ,. ,. , .

(2.13)

25

Normalmente, os termos FP e cos so utilizados como sinnimos, o que somente apropriado quando no existem harmnicas no circuito.

Em condies de baixa distoro na tenso, ,. Em consequncia, o fator de potncia verdadeiro torna-se:

,. ,. ,.

,

,

(2.14)

Os circuitos que apresentam valores de FP e cos muito diferentes entre si possuem uma forte quantidade de harmnicas tanto de corrente quanto de tenso. Isso pode causar

aquecimentos excessivos na instalao e, sobretudo, srias avarias em bancos de capacitores.

Em contrapartida, valores muito prximos de FP e cos indicam a pequena presena de harmnicas nos circuitos.

Essas observaes ficam evidenciadas a partir da equao 2.15, a qual relaciona o FP

(expresso 2.14) e a THDI (expresso 2.6), para as situaes em que a distoro harmnica de

tenso baixa.

11

(2.15)

1.4.3.3 Fator de Crista (FC)

O fator de crista (FC) definido como a relao entre o valor de pico e o valor eficaz

de um sinal que pode ser de corrente ou de tenso, resultando um indicador adimensional.

Portanto, para onda de corrente, tem-se

(2.16)

e para tenso

(2.17)

Para um mesmo valor eficaz, a corrente de pico pode ser muito diferente,

dependendo do grau de deformao da onda. A corrente de pico de um conversor pode ser

quase trs vezes maior do que a corrente de pico da carga linear. Razo pela qual, nos

26

circuitos onde h a presena de harmnicas, o valor eficaz da tenso ou da corrente por si s

uma informao pouco significativa. Nesses casos, importante conhecer o valor de pico e a

THD.

1.4.3.4 Fator de Desclassificao (K)

Historicamente, a potncia nominal e o calor que um transformador dissipa em

regime de plena carga so calculados com base na hiptese de que o sistema composto por

cargas lineares que, por definio, no produzem harmnicas. No entanto, se pelo

transformador circular uma corrente que contenha harmnicas, ele sofrer um aquecimento

adicional, que poder lev-lo a uma avaria [19].

Os transformadores com fator K>1 so construdos para suportar maiores distores

na corrente do que os transformadores convencionais. Os transformadores so tipicamente

comercializados nas categorias K-4, K-9, K-13, K-20, K-30, K-40 e K-50. Nesses casos, o

fator K significa o aumento no nvel de tolerncia a correntes de Foucault [14].

O fator K utilizado para definir um transformador apropriado a atender uma carga

com harmnicos de corrente calculado por meio de:

(2.18)

onde h a ordem da harmnica e a distoro harmnica individual de corrente. O fator K calculado baseado na considerao de que a perda por corrente Foucault

no enrolamento do transformador produzida por cada componente harmnica de corrente

proporcional ao quadrado da ordem da harmnica e o quadrado da magnitude da componente

harmnica. Assim, fator K um coeficiente que descreve o calor adicional que ocorre num

transformador que alimenta cargas no-lineares [14].

Quando usado como fator de desclassificao, o fator K indica quanto se deve

reduzir a potncia mxima de sada quando existirem harmnicas. Para esses casos, o fator

definido da seguinte forma:

27

2 2

.

(2.19)

Para K definido conforme 2.19, a mxima potncia fornecida por um transformador

que alimenta carga de corrente no-senoidal dada por:

(2.20)

1.4.3.5 Aspectos Gerais Sobre Medies de Harmnicas

Os instrumentos convencionais de medio de tenso e de corrente so projetados e

construdos para leitura de sinais senoidais (que esto cada vez mais raros de serem

encontrados). Na presena de harmnicas, as leituras desses aparelhos podem apresentar

erros grosseiros que levam o profissional a tirar concluses erradas sobre o circuito analisado.

Portanto, quando se pretende quantificar os indicadores de distoro harmnica, necessrio

utilizar analisadores numricos de tecnologia recente, que possuam algoritmos de

determinao de valor eficaz verdadeiro (true RMS).

Moreno [19] apresenta comparaes entre leituras de instrumentos de valor mdio

(convencionais) e de valor eficaz verdadeiro, para sinais com diferentes graus de distoro.

Nessas medies foram constatadas diferenas de at 26% entre os resultados dos dois

instrumentos.

Para uma anlise mais detalhada, tm-se os analisadores digitais de qualidade de

energia que realizam a decomposio de um sinal peridico de tenso ou de corrente, usando

um eficiente algoritmo conhecido como transformada rpida de Fourier ou FFT (Fast Fourier

Transform), e calculam as amplitudes e fases do contedo espectral das componentes

harmnicas, a partir de amostras do sinal.

1.4.4 CARGAS GERADORAS DE HARMNICAS

Nos sinais com distores harmnicas, a deformao se apresenta de forma similar

em cada ciclo da frequncia fundamental. E tal deformao imposta pela relao no-linear

entre tenso e corrente, caracterstica de determinados componentes da rede. A causa das no-

linearidades so as descontinuidades devido ao chaveamento das correntes em conversores

eletrnicos, pontes retificadoras e compensadores estticos [6].

28

Dessa forma, as cargas lineares produzem correntes no-distorcidas quando

energizadas por uma fonte no-distorcida (senoidal). As cargas no-lineares produzem

correntes distorcidas quando energizadas por uma fonte no-distorcida (senoidal).

A distoro na tenso ocorre quando correntes distorcidas fluem atravs da

impedncia da fonte.

Segundo Leo [14], as cargas de um modo geral podem ser classificadas em:

Cargas Crticas ou Essenciais que no devem sofrer interrupo de fornecimento de energia ou operao indevida causada pelo suprimento de energia, sob pena de risco a

vidas humanas ou prejuzos vultosos. So exemplo de cargas desta natureza os centros de

controle de trfego areo, os grandes centros de processamento de dados, centros

cirrgicos de hospitais, etc.

Cargas Sensveis, no suportam variaes de tenso mesmo as de curta durao (inferior a 30 ciclos). Tal grupo constitudo pelas cargas utilizadas em modernas instalaes

industriais controladas por CLP (Controladores Lgicos Programveis), robs, motores de

velocidade controlada, computadores pessoais, redes locais de computador, impressoras,

conversores de frequncia, etc.

Cargas Perturbadoras, cuja operao pode causar perturbaes, como distores harmnicas, desequilbrios, flutuao de tenso, afundamentos de tenso, etc. So na sua

maioria cargas industriais com processos de retificao, fornos a arco e outras.

Ressalta-se que uma mesma carga poder desempenhar a condio de crtica,

sensvel e perturbadora simultaneamente [14].

1.4.4.1 Cargas Lineares

Genericamente, so consideradas cargas lineares aquelas constitudas por resistores,

indutores no saturveis e capacitores de valores fixos. Produzem correntes no-distorcidas

quando alimentadas por uma fonte no-distorcida (senoidal).

As cargas reativas (indutores e capacitores) tipificam a condio de cargas lineares

no-crticas, porm, perturbadoras e sensveis. Em sistemas de frequncia constante, a tenso

e corrente, nessas cargas, variam linearmente. No entanto, sob condies de frequncias

harmnicas, as cargas reativas podem ser agentes perturbadores do sistema ao entrar em

ressonncia, tornando-se sensveis em decorrncia dos efeitos da ressonncia pelo aumento de

corrente e de tenso [14].

29

1.4.4.2 Cargas No-Lineares

As cargas no-lineares produzem correntes distorcidas mesmo quando alimentadas

por uma fonte senoidal. Estas cargas podem ser divididas em convencionais e chaveadas.

As convencionais geram harmnicas, mas no possuem interruptores estticos. Como

exemplos de cargas no-lineares convencionais, tm-se os dispositivos saturveis, como

transformadores, mquinas eltricas, e reatores de ncleo de ferro [14].

As cargas no-lineares chaveadas so caracterizadas pela presena de interruptores

estticos. Trata-se de circuitos que fazem uso de diodos, transistores e tiristores e que

compem a eletrnica de potncia empregada em diversos equipamentos disponibilizados

para residncias, escritrios e indstrias, como: retificadores, inversores de frequncia,

televisores, computadores, copiadoras, iluminao varivel, etc. Desse modo,

aproximadamente 50% da energia eltrica passa por um dispositivo de eletrnica de potncia

que opera em modo de interrupo antes que seja finalmente utilizada [14].

Os interruptores estticos funcionam essencialmente em dois estados:

a) Estado de Conduo - Corresponde a um interruptor fechado. A corrente pelo dispositivo

pode alcanar valores elevados, porm a tenso praticamente nula e, portanto, a

dissipao de potncia no dispositivo muito pequena.

b) Estado de Bloqueio - Corresponde a um interruptor aberto. A corrente pelo dispositivo

muito pequena e a tenso elevada e, portanto, a dissipao de potncia no dispositivo

tambm muito pequena nesse estado.

Os interruptores eletrnicos so divididos em no-controlados e controlados. Os no-

controlados so os diodos cuja conduo natural (autocomutada), ocorre de acordo com a

polarizao da fonte: polarizao direta implica em conduo, e polarizao reversa implica

em bloqueio.

Nos interruptores controlados, a conduo se d mediante circuito de controle que

determina o instante de disparo para a conduo. Fazem parte deste grupo os transistores

bipolares, IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor), MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor

Field-Effect Transistor), Tiristores GTO (Gate Turn-Off Thyristor), MCT (MOS Controlled

Tyristor), IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor), etc [14].

Em sistemas que utilizam interruptores, a corrente nula em determinados intervalos

de tempo e a tenso na carga interrompida pelos semicondutores e deixa de ser senoidal

30

(Figura 1). Ao resultar na circulao de correntes no-senoidais pelo circuito, as cargas no-

lineares provocam o surgimento de distoro harmnica.

(a) (b) (c) Figura 1: Formas de onda de tenso da fonte de alimentao (a), da corrente (b) e da tenso da carga (c), em

circuito com dispositivo de controle Fonte: MORENO. Procobre, 2001.

1.4.4.3 Exemplos de Cargas Geradoras de Harmnicas

O uso de cargas com caractersticas no-lineares, as quais so importantes fontes de

correntes harmnicas, est muito difundido nos setores comercial e industrial. So exemplos

dessas cargas: conversores monofsicos e trifsicos (fontes de alimentao, retificadores,...);

transformadores; mquinas rotativas; iluminao a arco; e fornos eltricos a arco.

a) Conversores

Os conversores eletrnicos com sua capacidade de produzir correntes harmnicas

constituem a mais importante classe de cargas no-lineares nos sistemas de potncia.

Em edifcios comerciais comum a presena de cargas monofsicas com fontes

chaveadas monofsicas (presentes em computadores, aparelhos de fax, impressoras,...). Uma

caracterstica das fontes chaveadas monofsicas o alto contedo de 3 harmnica de

corrente. Como as componentes triplas so aditivas no neutro de um sistema trifsico, o

crescente aumento dessas fontes causa preocupao quanto sobrecarga no neutro, em

especial em instalaes mais antigas. H tambm uma preocupao com o sobreaquecimento

de transformadores devido combinao de contedo harmnico da corrente, fluxo de

disperso e elevada corrente no neutro [14].

31

Figura 2: Forma de onda e espectro harmnico de corrente de fonte chaveada Fonte: DUGAN et al, McGraw-Hill,2002.

Os conversores eletrnicos de potncia trifsicos diferem dos conversores

monofsicos em particular porque no produzem correntes de 3 ordem. Isto representa uma

grande vantagem, pois a corrente harmnica de 3 ordem a maior componente harmnica.

No entanto, os conversores trifsicos constituem significantes fontes de harmnicos como s

presentes nos acionamentos de velocidade varivel e fontes ininterruptas de energia - possuem

forte gerao de quinta harmnica.

b) Transformadores

Os transformadores de potncia so fontes de harmnicos uma vez que, quando em

operao acima de sua tenso nominal, so conduzidos para as regies saturadas de seu

ncleo ferromagntico (Figura 3), resultando em uma corrente de excitao muito maior do

que a normal em magnitude, e com harmnicos. Com isso, a corrente de magnetizao do

transformador assume carter no-senoidal, contendo harmnicas (em especial a de 3 ordem)

mesmo com a aplicao de tenso senoidal [14].

Figura 3: Curva de excitao de transformadores

Fonte: LEO. UFC, 2010

c) Iluminao

A iluminao tem experimentado significativa evoluo tecnolgica com um

aumento considervel na eficincia como resultado da aplicao de reatores eletrnicos. Em

especial, as lmpadas fluorescentes so lmpadas de descarga que utilizam reatores

32

(magnticos ou eletrnicos) para sua operao, e esto presentes em 77% dos ambientes

comerciais [7].

Reatores eletrnicos tipicamente geram harmnicas de corrente. A Figura 4 mostra o

espectro de harmnica de uma lmpada fluorescente com reator eletrnico, onde se constata

nveis de harmnicas at a 33 ordem.

(a)

(b)

Figura 4: Lmpada fluorescente com reator eletrnico - (a) forma de onda e (b) espectro harmnico Fonte: DUGAN et al, McGraw-Hill, 2002.

d) Fornos a Arco

Os fornos a arco eltrico direto so usados na indstria siderrgica para a produo

de ligas de ao a partir da fuso de sucatas, gerando o calor necessrio atravs do plasma de

arco eltrico que se estabelece entre os trs eletrodos de grafite e a sucata. Para sustentar o

arco de corrente alternada no plasma, necessrio que haja suficiente indutncia no circuito

de alimentao. Essas indutncias, ao mesmo tempo em que estabilizam e limitam a corrente

de arco, tambm impem um elevado consumo de reativos. Por isso comum encontrar FP <

0.8 em instalaes com fornos a arco [6].

Os fornos a arco so equipamentos eletro-intensivos, perturbadores, com grande

impacto na qualidade da energia. As perturbaes geradas so do tipo: harmnicos de corrente

podendo causar distores na tenso da rede, interharmnicos, desequilbrios, flutuao de

tenso e cintilao luminosa o principal gerador de cintilao. As flutuaes de tenso so

tanto mais percebidas quanto mais elevada a potncia dos fornos em relao potncia de

curto-circuito no PCC (ponto comum de conexo) [14].

33

Figura 5: Forno a arco eltrico Fonte: LEO. UFC, 2010 Os harmnicos produzidos por fornos a arcos usados para a produo de ao so

imprevisveis, por causa da variao do arco eltrico a cada ciclo, particularmente no estgio

inicial de fuso. O forno a arco gera uma gama de frequncias harmnicas e interharmnicas

de largo espectro contnuo (Figura 6), sendo predominante e de maior amplitude a 3, a 2, a

5 e a 4, nessa ordem, as quais predominam sobre as interharmnicas [14].

Figura 6: Espectro tpico de corrente de um forno a arco

Fonte: DECKMANN e POMILIO. UNICAMP, 2010

1.4.5 EFEITOS DAS HARMNICAS

A presena de harmnicas em um sistema de potncia pode acarretar uma srie de

efeitos indesejados e de difcil diagnstico com antecedncia, dentre os quais:

correntes no neutro em sistemas balanceados devido presena de componentes triplas que podem igualar ou exceder as correntes de fase;

aumento no nvel de tenso entre neutro e terra; aumento da temperatura nos condutores, em virtude de aumento da corrente eficaz e de

aumento das perdas por efeito Joule;

vibraes de acoplamentos;

34

rudo audvel (3 kHz); atuao de dispositivos de proteo (disjuntores, chaves seccionadoras) sem causa

detectvel por aparelhos convencionais;

danos a capacitores de correo do fator de potncia; queima de motores de induo; sobreaquecimento de transformadores; interferncia nos sistemas telefnicos e de comunicao; e reduo do fator de potncia da instalao. possvel, ento, ocorrer problemas em equipamentos de sistemas de potncia e

cargas, em consequncia de impactos associados presena de harmnicas, comprometendo o

funcionamento e desempenho de motores, cabos, capacitores, transformadores, etc. Alguns

exemplos dessa natureza so apresentados seguir.

1.4.5.1 Aquecimentos excessivos

O aquecimento um dos efeitos mais importante das correntes harmnicas. Pode

estar presente em fios e cabos na instalao eltrica, nos enrolamentos dos transformadores,

motores e geradores, etc. Devido ao efeito pele, medida que a frequncia do sinal de

corrente aumenta (harmnicas), ela tende a circular pela periferia do condutor, o que significa

um aumento da sua resistncia eltrica e, consequentemente, das perdas por efeito Joule.

1.4.5.2 Disparos de Dispositivos de Proteo

Os sinais de harmnicos podem apresentar correntes com valores eficazes pequenos,

porm com elevados valores de pico (alto fator de crista), o que pode fazer com que alguns

dispositivos de proteo termomagnticos e diferenciais disparem. Isso ocorre porque as

correntes harmnicas provocam um aquecimento ou um campo magntico acima daquele que

haveria sem a sua presena [19].

1.4.5.3 Ressonncia em Banco de Capacitores

O uso acentuado de capacitores instalados em redes eltricas para a correo de fator

de potncia e regulao de tenso pode causar condies de ressonncia que podem amplificar

o nvel dos harmnicos de tenso ou de corrente, uma vez que se colocam em paralelo os

capacitores e a instalao eltrica, que de natureza indutiva. Assim certas harmnicas podem

35

ser amplificadas, provocando danos principalmente aos capacitores, levando-os queima ou a

exploses.

A Figura 7 exemplifica um aumento na THDV aps a instalao de banco capacitivo

THD mdia de tenso se elevou de 2% para 2,5%, enquanto a de corrente aumentou de

8,5% para 10%.

Figura 7: Espectro de corrente em transformador antes e depois da instalao de banco de capacitores, mostrando

aumento de THD Fonte: DECKMANN e POMILIO. UNICAMP, 2010.

Os harmnicos afetam os bancos de capacitores da seguinte forma [14]:

Sobrecarga por correntes harmnicas uma vez que a reatncia dos capacitores diminui com a frequncia, tornando-os como sorvedouros de harmnicos. As tenses harmnicas

tambm produzem grandes correntes, causando a ruptura de fusveis de proteo dos

capacitores;

Aumento das perdas dieltricas tendo como consequncia direta o aumento de calor e perda de vida til;

Formao de circuito ressonante mediante combinao com a indutncia da fonte. Na presena de ressonncia, os harmnicos so amplificados. As tenses resultantes excedem

em muito a tenso nominal e a consequncia danificao do capacitor e a queima de

fusveis.

Dessa forma, antes de instalar um banco de capacitores, fundamental que sejam

quantificadas as harmnicas presentes e tomadas as providncias necessrias para torn-las

inofensivas aos capacitores.

36

1.4.5.4 Reduo do Fator de Potncia

A contribuio da distoro harmnica como um parmetro responsvel por reduzir o

fator de potencia pode facilmente ser identificada a partir da anlise da equao 2.15.

Dentre os diversos efeitos provocados pela presena de harmnicas nas instalaes

eltricas, este um dos mais incmodos, em virtude dos possveis prejuzos financeiros.

1.4.5.5 Tenso Elevada entre Neutro e Terra

A circulao de correntes harmnicas pelo condutor neutro provoca uma queda de

tenso entre esse condutor e o terra, uma vez que a impedncia do cabo no zero. A IEEE

Standard 1100-1992 recomenda o limite de 2V para tenso entre neutro e terra, a fim de evitar

prejuzo na operao de equipamentos eletrnicos.

1.4.5.6 Induo de Harmnicas nos Rotores de Motores e de Geradores

Um dos grandes efeitos de tenses e correntes harmnicas em mquinas rotativas

(induo e sncrona) o calor produzido, causando aumento de temperatura. As componentes

harmnicas, portanto, afetam a eficincia da mquina, e tambm podem afetar o torque

desenvolvido.

A Tabela 2 resume as harmnicas induzidas no rotor de motores como consequncia

de tenses harmnicas no estator.

Tabela 2: Componentes harmnicas induzidas no rotor, em funo de tenses harmnicas no estator

Ordem Harmnica

Frequncia (Hz)

Sequncia Harmnica no Estator

Rotao da Harmnica

Harmnica no Rotor

1 60 + 1 forward -

5 300 - 5 backward 6

7 420 + 7 forward 6

11 660 - 11 backward 12

13 780 + 13 forward 12

17 1020 - 17 backward 18

19 1140 + 19 forward 18

23 1380 - 23 backward 24

25 1500 + 25 forward 24

Fonte: IEEE Std 519 - 1992.

37

Existem duas preocupaes quanto presena dessas harmnicas no rotor:

aquecimento do rotor e torques pulsantes ou reduzidos. Os torques pulsantes podem causar

fadiga do material e em casos extremos, interrupo do processo produtivo, principalmente

em instalaes que requerem torques constantes como o caso de bobinadeiras na indstria

de papel-celulose ou de condutores eltricos [14].

1.4.5.7 Aumento das Perdas nos Transformadores

Para transformadores trifsicos, as harmnicas triplas mpares (3, 9, 15, 21,...)

esto sempre em fase e por esta razo, em geral, o primrio conectado em delta de modo a

prover um caminho para circulao destas componentes, que ficam retidas no sendo

injetadas no sistema de alimentao.

No entanto, a 5 e a 7 harmnicas da corrente de excitao do transformador so

injetadas no sistema, causando distoro de corrente e tenso. Os efeitos dessas harmnicas

nos transformadores so:

aumento de perdas no cobre e perdas por correntes parasitas nos enrolamentos causadas pelas correntes harmnicas;

aumento nas perdas no ncleo causadas pelos harmnicos de tenso com aumento nas perdas por histerese e corrente de Foucault.

Como consequncia do aumento de perdas, tem-se um aumento no calor gerado no

transformador, que faz com que a vida til dos transformadores seja reduzida [14].

1.5 Regulamentao e Normalizao dos Limites de Harmnicas

Regulamentao e Normalizao so assim entendidas:

Regulamento Tcnico:

Documento aprovado por rgos governamentais em que se estabelecem as caractersticas de

um produto ou dos processos e mtodos de produo com eles relacionados, com incluso das

disposies administrativas aplicveis e cuja observncia obrigatria.

38

Norma Tcnica:

Documento aprovado por uma instituio reconhecida que fixa padres reguladores visando a

garantir a qualidade do produto industrial, a racionalizao da produo, transporte e consumo

de bens, a segurana das pessoas, a uniformidade dos meios de expresso e comunicao, etc,

e cuja observncia no obrigatria.

As principais normas e regulamentos tcnicos que dispem sobre os fenmenos

eltricos relacionados Qualidade de Energia Eltrica, em especial relativas s harmnicas,

so:

IEEE Std 5191992 "Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems", que descreve nveis aceitveis de harmnicas para o ponto de

entrega de energia pela concessionria;

Norma IEC 61000-3-2: Limites para emisso de harmnicas de corrente (para equipamentos com corrente 16 A por fase);

Norma europia EN 50160, descreve as caractersticas principais no ponto de entrega ao cliente da tenso de alimentao por uma rede de distribuio pblica em baixa e mdia

tenso;

Procedimentos de Distribuio de Energia Eltrica no Sistema Eltrico Nacional PRODIST. Mdulo 8 Qualidade da Energia Eltrica ANEEL [4].

Ressalta-se que os limites de distoro harmnica definidos pelas normas no

constituem garantia de funcionamento perfeito de uma carga. No entanto, tais limites esto

fortemente calcados na experincia acumulada e em constataes de operao de

equipamentos em sistemas com nveis de distoro harmnica [14].

1.5.1 IEEE STD 519-1992

A IEEE Std 519-1992 desenvolveu limites para os harmnicos baseada em:

limitar a injeo de harmnicos de corrente para consumidores individuais de modo que no causem nveis de distoro de tenso inaceitveis, segundo o tamanho do consumidor;

limitar a distoro harmnica total da tenso do sistema suprido pela concessionria.

39

Segundo a IEEE Std 519-1992, o controle sobre a quantidade de corrente harmnica

injetada no sistema acontece na instalao do consumidor. Considerando que a injeo de

correntes harmnicas est dentro dos limites razoveis, o controle sobre a distoro da tenso

exercido pela entidade que tem controle sobre a impedncia do sistema (a concessionria).

Os ndices de conformidade para a tenso (Tabela 3) na norma IEEE Std 519-1992

discriminam somente os nveis da tenso nominal dos circuitos no Ponto Comum de Conexo

(PCC) com limites globais de THDV e um nico limite para todas as ordens de harmnicas

(Vh/V1) em um mesmo nvel de tenso.

Tabela 3: Limites de tenso harmnica (Vh/V1)% para produtores de energia (concessionrias e cogeradores)

Tenso de Barra Limite Mximo Individual (%)

Mximo THDV (%)

69kV 3,0 5,0 115kV a 161kV 1,5 2,5

> 161kV 1,0 1,5

Fonte: IEEE Std 519-1992.

A concessionria dever ser capaz de fornecer tenso com as caractersticas listadas

na Tabela 3, desde que as correntes harmnicas injetadas pelos consumidores em um

alimentador de distribuio sejam limitadas de acordo com a norma IEEE Std 519-1992,

conforme indicado na tabela reproduzida a seguir:

Tabela 4: Limites de distoro de corrente para sistemas de distribuio em geral (120V a 69000V)

Mxima distoro de corrente harmnica em % IL

Ordem da harmnica individual (harmnicas mpares)

< 11 11 h < 17 17 h < 23 23 h < 35 35 h TDD < 20* 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0

20 < 50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0

50 < 100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0

100 < 1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0

< 1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0

As harmnicas pares so limitadas pares so limitadas a 25% dos limites das harmnicas mpares indicadas acima

* Todo equipamento de gerao est limitado a esses valores de distoro de corrente independentemente da relao

Fonte: IEEE Std 519 - 1992.

40

onde,

ISC = mxima corrente de curto-circuito no ponto de conexo,

IL = mxima corrente de projeto (componente fundamental) no PCC,

TDD = taxa de distoro de demanda.

Os limites estabelecidos na Tabela 4 para distoro harmnica de corrente tm o

objetivo de controlar a distoro harmnica individual de tenso a um valor mximo de 3% e

a distoro harmnica total de tenso em no mximo 5%.

1.5.2 EN 50160

A norma europeia EN 50160 estabelece, para os harmnicos de tenso em rede de

baixa ou de mdia tenso, o limite de distoro harmnica total de tenso como THDV < 8%,

e valores individuais conforme tabela a seguir:

Tabela 5: Limites de distoro individual de tenso em rede de baixa ou de mdia tenso

Harmnicas mpares Harmnicas Pares

No mltiplas de 3 Mltiplas de 3

Ordem h Tenso relativa (%)

Ordem h Tenso relativa (%) Ordem h Tenso relativa (%)

5 6,0 3 5,0 2 2,0

7 5,0 9 1,5 4 1,0

11 3,5 15 0,5 6 a 24 0,5

13 3,0 21 0,5

17 2,0

19 1,5

23 1,5

25 1,5

Nota: no so indicados valores para harmnicas de ordem superior a 25 por serem, em geral, de pequena amplitude e muito imprevistas devido a efeitos de ressonncia.

Fonte: EN 50160.

1.5.3 IEC 61000-3

As normas europeias IEC para limites de correntes harmnicas em sistemas de

potncia em baixa tenso so: IEC 61000-3-2, para equipamentos com corrente nominal

41

menor ou igual que 16A por fase, e IEC 61000-3-4, para equipamentos com corrente nominal

maior que 16A por fase.

Para o propsito de limitao de correntes harmnicas, tais normas classificam os

equipamentos como:

Classe A: Equipamentos trifsicos equilibrados, aparelhos domsticos exceto aqueles identificados como Classe D, ferramentas com exceo das ferramentas portteis,

dimmers para lmpadas incandescentes e equipamento de udio;

Classe B: Ferramentas portteis; Classe C: Equipamentos de iluminao; Classe D: Computadores pessoais, monitores de vdeo, televisores, com potncia menor

ou igual a 600W.

Equipamentos no identificados em uma das trs classes B, C ou D devem ser

considerados como equipamentos de Classe A. Os acionamentos de motores esto na classe

A.

Os limites estabelecidos pela norma EN/IEC 61000-3-2 para corrente harmnica por

classe de equipamento conectado em baixa tenso com I 16A/fase so mostrados nas tabelas a seguir.

Tabela 6: IEC 61000-3-2 - limites de corrente harmnica para equipamentos classe A

Ordem h Corrente harmnica mxima permissvel (A)

Harmnicas mpares

3 2,30

5 1,14

7 0,77

9 0,40

11 0,33

13 0,21

15 h 39 0,15 15 Harmnicas Pares

2 2,30

4 1,14

6 0,77

8 h 40 0,23 8 Fonte: IEC 61000-3-2.

42

Para os equipamentos Classe B, os harmnicos da corrente de entrada no devem

exceder os valores mximos permissveis dados na Tabela 6 multiplicados pelo fator 1,5.

Tabela 7: IEC 61000-3-2 - limites de corrente harmnica para equipamentos classe C

Ordem h Corrente harmnica mxima permissvel expressa como porcentagem da corrente de entrada na

frequncia fundamental (%)

2 2

3 30 5 10

7 7

9 5

11 h 39 (somente mpares) 3 Fonte: IEC 61000-3-2.

Tabela 8: IEC 61000-3-2 - limites de corrente harmnica para equipamentos classe D

Ordem h Corrente harmnica mxima permissvel por watt (mA/W)

Corrente harmnica mxima permissvel (A)

3 3,4 2,30

5 1,9 1,14

7 1,0 0,77

9 0,5 0,40

11 0,35 0,33

13 h 39 (somente mpares)

3,85 0,15 15

Fonte: IEC 61000-3-2.

Os limites para as Classes C e D so, portanto, proporcionais, enquanto para A e B

so constantes.

As recomendaes das normas IEC 61000-3-4 referem-se a equipamentos eltricos e

eletrnicos com corrente nominal de entrada maior que 16A por fase, conectados a sistemas

de distribuio CA de baixa tenso dos seguintes tipos:

tenso nominal de at 240V, monofsico, dois ou trs condutores; tenso nominal de at 600V, trifsico, trs ou quatro fios; frequncia nominal de 50 ou 60Hz. Os limites definidos pela norma IEC 61000-3-4 dependem da relao de curto-

circuito.

43

Tabela 9: IEC 61000-3-4 - limites de corrente harmnica para equipamentos monofsicos e trifsicos at 600V com 16A < I 75A por fase

Ordem h (%) (%)

3 2,6 50,4

5 10,7 25,0

7 7,2 16,9

9 3,8 8,8

11 3,1 7,2

13 2,0 4,6

15 0,7 1,6

17 1,2 2,8

19 1,1 2,6

= corrente fundamental Fonte: IEC 61000-3-2. A observncia da norma IEC implica o atendimento dos limites definidos na norma

IEEE Std 519-1992.

Tem-se, ainda, a norma IEC 61000-3-6 (e IEC 61000-2-2), que especifica percentual

de distoro harmnica para a tenso em redes de baixa, mdia (V 35 kV) e alta tenso. Os nveis de distoro so especificados para harmnicas individuais de tenso.

Tabela 10: IEC 61000-3-6 nveis de compatibilidade de tenses harmnicas

Harmnicas mpares Harmnicas Pares

No Triplas Triplas

Ordem h

Harmnica Tenso (%) Ordemh

Harmnica Tenso (%) Ordem h

Harmnica Tenso (%)

BT-MT AT BT-MT AT BT-MT AT

5 6 2 3 5 2 2 2 2

7 5 2 9 1,5 1 4 1 1

11 3,5 1,5 15 0,3 0,3 6 0,5 0,5

13 3 1,5 21 0,2 0,2 8 0,5 0,5

17 2 1 > 21 0,2 0,2 10 0,2 0,2

19 1,5 1 12 0,2 0,2

23 1,5 0,7 > 12 0,2 0,2

25 1,5 0,7

> 25 0,2 1,3 25 0,2 0,5 25

Limite de 8% para sistemas BT-MT Fonte: IEC 61000-3-6.

44

1.5.4 REGULAMENTAO ANEEL: PRODIST 2010 MDULO 8

A ANEEL, rgo responsvel pela regulamentao do setor eltrico brasileiro, define

um conjunto de normas voltado ao sistema de distribuio com o documento Procedimentos

de Distribuio (Prodist).

O mdulo 8 do PRODIST Rev. 2, de 01.01.2011, sobre "Qualidade da Energia

Eltrica", define a terminologia, caracteriza os fenmenos, parmetros e valores de referncia

relativos conformidade de tenso em regime permanente e s perturbaes na forma de onda

de tenso, estabelecendo mecanismos que possibilitem ANEEL fixar padres para os

indicadores de QEE.

Em relao distoro harmnica, os valores de referncia considerados no mdulo

8 do PRODIST esto indicados na Tabela 11. Estes valores servem para referncia do

planejamento eltrico em termos de QEE e que, regulatoriamente, sero estabelecidos em

resoluo especfica, aps perodo experimental de coleta de dados. Devem ser obedecidos

tambm os valores das distores harmnicas individuais de tenso indicados na Tabela 12.

Tabela 11: Valores de referncia das distores harmnicas totais (em porcentagem da tenso fundamental)

Tenso nominal do Barramento Distoro Harmnica Total de Tenso (THDV) [%]

1 10 1 13,8 8 13,8 69 6 69 230 3

Fonte: ANEEL PRODIST, Mdulo 8, 2010.

Tabela 12: Nveis de referncia para distores harmnicas individuais de tenso (em porcentagem da tenso fundamental)

Ordem h Distoro Harmnica Individual de Tenso (%)

1 1 13,8 13,8 69 69 230

mpares no mltiplas de 3

5 7,5 6 4,5 2,5

7 6,5 5 4 2

11 4,5 3,5 3 1,5

13 4 3 2,5 1,5

17 2,5 2 1,5 1

19 2 1,5 1,5 1

23 2 1,5 1,5 1

25 2 1,5 1,5 1

>25 1,5 1 1 0,5

45

Ordem h Distoro Harmnica Individual de Tenso (%)

1 1 13,8 13,8 69 69 230

mpares mltiplas de 3

3 6,5 5 4 2

9 2 1,5 1,5 1

15 1 0,5 0,5 0,5

21 1 0,5 0,5 0,5

>21 1 0,5 0,5 0,5

Pares

4 2,5 2 1,5 1 6 1,5 1 1 0,5 8 1 0,5 0,5 0,5

10 1 0,5 0,5 0,5 12 1 0,5 0,5 0,5

>12 1 0,5 0,5 0,5

Fonte: ANEEL PRODIST, Mdulo 8, 2010.

Vale destacar que no Brasil, ainda no h normalizao para os nveis de distoro

harmnica de corrente.

1.6 Consideraes Finais

Neste captulo foram apresentados os aspectos metodolgicos do trabalho, definindo

o problema de pesquisa e os objetivos da mesma; e posteriormente uma reviso bibliogrfica

sobre as questes ligadas presena de harmnicas nos sinais de tenso e de corrente.

Para a reviso bibliogrfica, buscou-se, inicialmente, relatar sobre os indicadores da

presena de harmnicas em um sistema eltrico, quais os seus efeitos e quais as cargas

responsveis pela formao das mesmas. Em seguida, foram abordadas as normas e

regulamentaes nacionais e internacionais que propem limites de harmnicas para

assegurar a boa operao dos sistemas, e que servem de parmetros para as principais

alternativas tecnolgicas usadas para mitigao de harmnicas de corrente ou de tenso, que

so apresentadas a seguir.

46

47

Captulo 2 Tecnologias Disponveis

2.1 Medidas de Mitigao de Harmnicos em Sistemas de Potncia

A distoro harmnica est presente em maior ou menor proporo em todos os

sistemas de potncia. E, em princpio, os harmnicos devem ser mitigados somente quando se

tornam um problema [7].

Quando um problema ocorre, as opes comuns para controlar os harmnicos so

[7]:

reduzir as correntes harmnicas produzidas pela carga atravs de procedimentos e mtodos para controlar, reduzir ou eliminar harmnicos em equipamentos nos sistemas de

potncia, em especial conversores de potncia, transformadores, geradores e capacitores;

modificar a resposta em frequncia do sistema usando filtros, indutores ou capacitores; adicionar filtros para drenar as correntes harmnicas retirando-as do sistema, bloqueando

as correntes harmnicas, impedindo-as de entrar no sistema, ou suprindo as correntes

harmnicas localmente.

A maneira mais comum de mitigar harmnicos atravs da utilizao de filtros, os

quais tm como principal objetivo reduzir a amplitude de tenses e correntes de uma ou mais

frequncias harmnicas.

48

Os filtros so classificados como passivos e ativos. Os primeiros, assim so

chamados por utilizarem elementos passivos (resistores, indutores e capacitores), enquanto os

filtros ativos utilizam a eletrnica embarcada em conjunto com elementos passivos para

realizar a mitigao.

Evitar circulao de correntes harmnicas, alm de beneficiar aqueles dispositivos

que sofrem danos por sua circulao, tais como cabos, transformadores e capacitores,

significa tambm diminuir a distoro de onda de tenso. Isso ser possvel pela diminuio

das correntes harmnicas nas impedncias dos cabos presentes no sistema eltrico, causando

assim uma menor queda de tenso harmnica.

Algumas estratgias para controlar, reduzir ou eliminar harmnicos decorrentes de

equipamentos nos sistemas de potncia sero discutidas a seguir.

2.1.1 TRANSFORMADORES DE SEPARAO

Os transformadores, geralmente utilizados como elementos de modificao de

tenses e correntes, tambm so empregados em algumas ocasies para modificar o regime do

neutro da instalao, para isolar galvanicamente trechos de circuitos ou ainda como medida

auxiliar na proteo contra contatos diretos.

Os transformadores vm sendo tambm aplicados na rea de harmnicas, sobretudo

por sua propriedade de poder isolar as cargas da fonte. Com isso, possvel confinar os

equipamentos problemticos em termos de gerao de harmnicas em um dado setor da

instalao, evitando que os mesmos prejudiquem o restante do sistema montante do

transformador.

Os transformadores utilizados especificamente para o confinamento e controle das

harmnicas no devem ser encarados como equipamentos convencionais, uma vez que esto

submetidos a um aquecimento excessivo (maiores perdas), o que faz com que sofram um

maior fator de desclassificao (K), alm de estarem sujeitos a um maior nvel de rudos,

vibraes, etc.

Dependendo da forma como so ligados os enrolamentos primrio e secundrio de

um transformador, este se torna adequado para o confinamento de certas ordens de

harmnicas.

49

a) Transformador de separao para 3 harmnica e suas mltiplas

A utilizao de transformadores com a ligao tringulo/estrela provocar o

confinamento da terceira harmnica e suas mltiplas inteiras. Essa soluo muito vantajosa,

uma vez que a terceira harmnica e suas mltiplas no iro poluir a instalao montante do

ponto onde foi instalado o transformador.

Com isso, os diversos componentes da instalao situados antes do transformador

podem ser dimensionados sem nenhuma preocupao adicional em relao s harmnicas,

sobretudo o condutor neutro.

O emprego de transformadores tringulo/estrela particularmente recomendado para

a alimentao de quadros que atendam a equipamentos que possuam fontes monofsicas, tais

como computadores pessoais, mquinas de fax, copiadoras, eletrodomsticos em geral, etc

(Figura 8).

Figura 8: Transformador para confinamento de 3 harmnica e suas mltiplas Fonte: MORENO. Procobre, 2001.

b) Transformador de separao para 5 e 7 harmnicas e suas mltiplas

Se as cargas geradoras de harmnicas so trifsicas, predominam principalmente as

harmnicas de 5 e 7 ordens. Nesses casos, uma tcnica recomendada para segregao dessas

harmnicas consiste na utilizao de um transformador com duplo secundrio, onde se realiza

uma defasagem angular de 30 entre os enrolamentos [19].

Outra soluo consiste no emprego de transformador delta/delta-estrela (/-Y). O sistema trifsico disponvel no secundrio ligado em Y apresenta uma defasagem de 30 em

relao ao primrio, e o secundrio ligado em apresenta uma defasagem de 0 em relao ao

50

primrio. Com isso, tambm se obtm uma defasagem de 30 entre as tenses (Figura 9) dos

dois secundrios, permitindo o cancelamento das harmnicas de ordem 6n 1, para 1 n < , quando se somarem montante (primrio). Como resultado, obtm-se uma reduo da taxa de

distoro da corrente (THDI) e, em particular, das harmnicas de 5 e 7 ordens. Isso porque,

com essa defasagem angular, as harmnicas de ordem 5 e 7 de um dos enrolamentos esto

em oposio de fase em relao s mesmas ordens de harmnicos do outro enrolamento.

O mesmo ocorre com as harmnicas de 17 e 19 ordem e, portanto, utilizando-se

essa configurao, as primeiras harmnicas que podem aparecer so de ordem 11