Distorções Harmônicas

Manutenção Elétrica Industrial EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DISTORÇÕES HARMÔNICAS NOS SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA As distorções harmônicas são geradas em função das deformações que ocorrem na onda da corrente eou na onda da tensão quando a rede elétrica alimenta cargas eletrônicas que possuem comportamento não linear Deformações na onda da tensão são geradas por problemas nas concessionárias de energia elétrica muitas vezes provocadas pela deformação na onda da corrente devido à grande quantidade de cargas eletrônicas conectadas nas redes de distribuição As harmônicas geram sobretaxas de corrente na rede de alimentação pois além da corrente na frequência fundamental 60 Hz circulam no sistema correntes em frequências múltiplas da fundamental As principais fontes geradoras de harmônicas são Drivers de motores inversores soft start servoacionamento Nobreaks sem filtro Retificadores Máquinas de solda Fornos à arco Máquinas de alta frequência Fontes chaveadas presentes em todos os equipamentos eletrônicos Reatores eletrônicos sem filtro As principais consequências geradas pelas correntes harmônicas nos sistemas elétricos industriais são Sobreaquecimento e queda de tensão nos condutores principalmente no neutro Presença de sobretensões e sobrecorrentes nas instalações Queima de capacitores em bancos de correção do fator de potência devido a alta ressonância Acionamento anormal de dispositivos de proteção disjuntores relés e chaves magnéticas Funcionamento intermitente de computadores Queda do fator de potência que gera multas e baixo aproveitamento da energia elétrica Interferência nos sistemas de telecomunicações e transferência de dados Alto índice de queima de motores elétricos em função das harmônicas de sequência negativa Queima e falha nos transformadores em função da 3º harmônica Queima de instrumentos de medidas conectados em painéis elétricos TIPOS DE CARGAS INDUSTRIAIS As cargas industriais podem ser divididas em dois grupos Cargas lineares resistivas indutivas e capacitivas Cargas não lineares que utilizam componentes semicondutores como diodos e transistores Quando a rede elétrica alimenta cargas lineares a onda da corrente é sempre senoidal como abaixo Como a onda da corrente é uma senoide perfeita observando o espectro da onda em um osciloscópio somente existe corrente na frequência fundamental em 60 Hz Quando a rede elétrica alimenta cargas não lineares a onda da corrente tornase pulsante e em algumas situações muito deformada Essa deformação é responsável pelo aparecimento das correntes harmônicas cujas frequências são múltiplas da frequência fundamental O circuito abaixo é um exemplo de cargas não lineares Durante o funcionamento deste circuito somente ocorre solicitação de corrente da rede de alimentação nos instantes de carga do capacitor Quando a senoide completa um ciclo aparecem pulsos na forma de onda da corrente e são tais pulsos que causam a deformação da senoide e o aparecimento das correntes harmônicas O espectro harmônico da corrente em circuitos não lineares apresenta frequências múltiplas da fundamental como abaixo Correntes harmônicas de 3º 5º 7º 9º 11º 13º 15º 17º e 19ª ordem estão presentes na forma de onda da corrente e geram sobretaxas de corrente na rede de alimentação Quando a forma de onda da corrente é simétrica estarão presentes apenas harmônicas ímpares De modo geral as harmônicas de ordem par 2º 4º 6º ordem são raras nas redes elétricas industriais uma vez que os dispositivos eletrônicos que incorporam funções de retificação inversão normalmente operam com retificações de onda completa e apesar de distorcerem a linha de alimentação os sinais distorcidos são simétricos e periódicos e pela teoria de Fourier todo sinal que possua simetria de meia onda têm seus componentes pares anulados Quando aparecem sinais harmônicos pares é sinal de que o controle dos semicondutores nos dispositivos de retificação está desajustado DEFINIÇÕES E NOMENCLATURA DAS HARMÔNICAS As harmônicas são definidas em função da sua ordem e sequência Harmônicas de sequência positiva quando aplicadas em um motor geram torque no sentido de rotação do motor Harmônicas de sequências negativas geram torque no sentido inverso ao sentido de rotação Esse efeito causa sobreaquecimento das bobinas e é a principal razão de queima de motores elétricos em redes com problemas de distorções harmônicas Harmônicas de sequência zero não causam torque mas circulam pela rede de alimentação e se somam no condutor neutro Geram aquecimento e perdas elétricas Cargas trifásicas não utilizam o neutro portanto as harmônicas de sequência zero não estão presentes Espectro harmônico para cargas monofásicas trifásicas Ordem Frequência Sequência 1º 60 Hz 3º 180 Hz 0 5º 300 Hz 7º 420 Hz 9º 540 Hz 0 11º 660 Hz 13º 780 Hz 15º 900 Hz 0 17º 1020 Hz 23º 1380 Hz A pior situação para a rede de alimentação ocorre quando conjuntos de cargas monofásicas não lineares são alimentados por uma rede trifásica Neste caso o espectro harmônico das correntes de linha será completo e as harmônicas de sequência zero estarão presentes e se somarão no neutro Exemplo Apesar das cargas serem balanceadas a corrente no neutro não é igual a zero pois é formada pelo somatório das correntes de sequência zero Se a corrente da terceira harmônica de cada fase for igual a 21 A por exemplo a corrente no neutro será igual a 63 ampéres CÁLCULO DO SOMATÓRIO DAS CORRENTES HARMÔNICAS Podemos calcular o somatório das correntes harmônicas na rede de alimentação em um sistema trifásico empregamos a equação 2 2 2 1º 3º 5º º 2 2 2 2 I h I h I h In h Ih Como os valores são de pico lidos na tela de um osciloscópio há a necessidade de dividir o valor de cada harmônica por raiz de 2 Como o somatório é vetorial devemos elevar cada elemento ao quadrado e após realizar o somatório extrair a raiz do valor final Exemplo Para os valores de corrente da tabela calcule o valor da corrente elétrica na rede de alimentação para os condutores fase e para o condutor neutro cargas monofásicas não lineares Valores de exemplo de correntes harmônicas Ordem Frequência Corrente na fase L1 Corrente na fase L2 Corrente na fase L3 Corrente no neutro 1ºh 60 Hz 30A 30A 30A 0 3ºh 180 Hz 21A 21A 21A 63 A 5ºh 300 Hz 9A 9A 9A 0 7ºh 420 Hz 2A 2A 2A 0 9ºh 540 Hz 19A 19A 19A 57 A 11ºh 660 Hz 08A 08A 08A 0 13ºh 780 Hz 077A 077A 077A 0 15ºh 900 Hz 05A 05A 05A 15 A 17ºh 1020 Hz 04A 04A 04A 0 19ºh 1140 Hz 03A 03A 03A 0 No condutor fase 2 2 2 2 2 2 2 2 2 30 21 9 2 19 08 077 05 04 03 26752 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 Ih A E no condutor neutro 2 2 2 63 57 15 4472 2 2 2 IN A O condutor neutro pode ser severamente danificado principalmente se sua seção transversal for reduzida Nesse exemplo a corrente do neutro é 67 superior a corrente na rede de alimentação Em suma Quando o sistema trifásico alimenta cargas monofásicas não lineares a corrente na linha do neutro será sempre maior do que nas fases portanto os condutores neutros devem ter sua seção transversal aumentada para suportar essa elevação da corrente DISTORÇÕES HARMÔNICAS NO SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA EXERCÍCIOS Para fazer no caderno 1 O que são distorções harmônicas em uma rede elétrica Como são causados 2 Por que se pode afirmar que distorções harmônicas fazem aumentar os valores de corrente em um sistema elétrico 3 Cite cinco problemas prejuízos que podem ser causados pelo problema de distorções harmônicas 4 O que são distorções harmônicas de sequência negativa e qual a sua influência nos prejuízos relacionados às máquinas elétricas o que podem causar 5 Por que sistemas trifásicos alimentando cargas trifásicas não possuem harmônicas de 3ª ordem 6 Um circuito elétrico monofásico de 120V alimenta uma carga não linear de 6 kW de potência Qual o valor da corrente elétrica no condutor fase sabendo que o circuito está funcionando com correntes harmônicas de 308 na 2º h 36 na 3ºh 125 na 4ºh 1459 na 5ºh 068 na 6ºh 1064 na 7º h 281 na 8ºh 167 na 9º h 019 na 10º e 121 na 11ºh A Qual o valor da corrente elétrica no condutor neutro B Quais são os valores das frequências das correntes harmônicas desse circuito 7 Um circuito elétrico monofásico de 220V alimenta uma carga não linear com dispositivos semicondutores de 55 kW de potência Qual o valor da corrente elétrica no condutor fase sabendo que o circuito está funcionando com correntes harmônicas de 36 na 3ºh 1459 na 5ºh 1064 na 7º h 167 na 9º h e 121 na 11ºh A Qual o valor da corrente elétrica no condutor neutro B Quais são os valores das frequências das correntes harmônicas desse circuito Ordem Frequência Corrente na fase L1 Corrente no neutro 1ºh 50 Hz 3ºh 5ºh 7ºh 9ºh 11º h I total Ordem Frequência Corrente na fase L1 1ºh 60 Hz 2ºh 3ºh 4ºh 5ºh 6ºh 7ºh 8ºh 9ºh 10º h I total 11º h 8 Um sistema trifásico que alimenta cargas monofásicas não lineares possui distorções harmônicas ímpares como na tabela a seguir Sabendo que os valores são de pico retirados de um osciloscópio preencha o restante da tabela indicando as frequências correntes nos condutores Calcule a corrente total eficaz nos condutores fase e no condutor neutro Desenhe um esquema típico representando sistemas monofásicos não lineares alimentados por uma rede trifásica Ordem das harmônicas Frequência Porcentagem harmônicas Corrente na fase L1 Corrente na fase L2 Corrente na fase L3 Corrente no neutro 1ºh 60 Hz 150 A 150 A 150 A 3ºh 36 5ºh 19 7ºh 10 9ºh 6 11ºh 4 13ºh 230 15ºh 110 17ºh 033 19ºh 014 21ºh 006 IN total