É possível que o estudante de engenharia elétrica escute falar a respeito de harmônicos muito antes de entender de onde eles vêm ou qual o real impacto da circulação dessas componentes no sistema elétrico de potência. Você sabe o que são harmônicos? Vamos apresentar um pouco a respeito do tema nesse texto.
Conceitos Gerais
Quando falamos de um sistema elétrico ideal, as tensões fornecidas devem seguir um contrato de fornecimento, sendo perfeitamente senoidais e equilibradas. No entanto, podemos verificar que, na prática, os sinais de corrente e tensão encontram-se distorcidos. Este desvio é normalmente expresso em termos das distorções harmônicas de corrente e tensão, e normalmente causadas pela operação de cargas com características não lineares.
Um dispositivo não linear é um equipamento que não produz uma corrente senoidal quando lhe é aplicada uma tensão senoidal. Esses elementos são classificados em três importantes categorias:
- Dispositivos a arco: fornos a arco, máquinas de solda, etc.;
- Dispositivos saturados: transformadores, reatores, etc.;
- Equipamentos de eletrônica de potência: conversores, retificadores, etc.;
De forma simples, podemos dizer que um harmônico é um componente de uma onda periódica cuja frequência é um múltiplo inteiro da frequência fundamental, que no caso da energia elétrica brasileira é de 60 Hz.
Distoções Harmônicas
Vale a pena ressaltar que harmônicos são fenômenos contínuos e não devem ser confundidos com fenômenos de curta duração, os quais duram apenas alguns ciclos. Distorção harmônica é um tipo específico de energia suja, que é normalmente associada à crescente quantidade de acionamentos estáticos, fontes chaveadas e outros dispositivos eletrônicos nas plantas industriais, isto é, associado com cargas não lineares.
Para determinar o grau de distorção presente na tensão e/ou corrente, recorremos à ferramenta matemática conhecida por série de Fourier. As vantagens de se usar a série de Fourier para representar formas de onda distorcidas é que cada componente harmônica pode ser analisada separadamente e a distorção final é determinada pela superposição das várias componentes constituintes do sinal distorcido
A natureza e a magnitude das distorções harmônicas geradas por cargas não lineares dependem de cada carga em específico, mas duas generalizações podem ser assumidas:
- Os harmônicos que causam problemas geralmente são os componentes de números ímpares;
- A magnitude da corrente harmônica diminui com o aumento da frequência.
Consequências das distorções harmônicas
Altos níveis de distorções harmônicas em uma instalação elétrica podem causar problemas para as redes de distribuição das concessionárias, para a própria instalação e para os equipamentos instalados. As consequências podem chegar até a parada total de importantes equipamentos na linha de produção.
As componentes harmônicas geradas por cargas não lineares propagam-se pela rede elétrica, resultando em sérios danos aos equipamentos elétricos e/ou eletrônicos. Dentre os principais efeitos causados podemos citar:
- Má operação de equipamentos eletrônicos, de controle, de proteção, de medição e outros;
- Sobretensões gerando comprometimento da isolação e da vida útil do equipamento;
- Sobrecorrentes ocasionando efeitos térmicos nocivos aos equipamentos;
- Efeitos sobre a resistência dos condutores elétricos.
Mitigação de Harmônicos
Diante de tantos problemas causados por harmônicos, torna-se necessário tomar medidas preventivas ou corretivas, no sentido de reduzir ou eliminar os níveis harmônicos presentes nos barramentos e linhas de um sistema elétrico
Dentre as diversas técnicas utilizadas destacam-se:
- Filtros passivos: são constituídos basicamente de componentes R, L e C por meio dos quais se obtêm os filtros sintonizados e amortecidos. Estes filtros são instalados geralmente em paralelo com o sistema supridor, proporcionando um caminho de baixa impedância para as correntes harmônicas. Podem ser utilizados para a melhoria do fator de potência, fornecendo o reativo necessário ao sistema. Entretanto, existem alguns problemas relacionados à utilização destes filtros, dentre os quais se destacam o alto custo, a complexidade de sintonia e a possibilidade de ressonância paralela com a impedância do sistema elétrico.
- Filtros ativos: um circuito ativo gera e injeta correntes harmônicas com defasagem oposta àquelas produzidas pela carga não linear. Assim, há um cancelamento das ordens harmônicas que se deseja eliminar. Embora bastante eficiente, este dispositivo apresenta custos elevados (superiores aos filtros passivos), o que tem limitado sua utilização nos sistemas elétricos.
- Compensadores eletromagnéticos
- Moduladores CC
Gostou do tema e gostaria de aprofundar um pouco mais o seu entendimento? Só dar uma conferida nas referências e boa leitura!
Referências:
https://www.osetoreletrico.com.br/wp-content/uploads/2013/03/Ed85_fasciculo_qualidade_cap2.pdf
https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/4449923/mod_resource/content/1/Aula_08_a.pdf
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