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Sunday, 21 October 2012

ONDAS HARMÓNICAS - ORIGEM, CAUSAS E CONSEQUÊNCIAS


A qualidade da energia eléctrica é um dos temas mais abordados actualmente, fazendo parte do quotidiano das sociedades modernas. Consequentemente, começa-se a discutir a qualidade da energia fornecida pelas empresas distribuidoras aos consumidores. 

A qualidade de energia eléctrica tinha a ver, sobretudo, com a continuidade do fornecimento, visto que qualquer interrupção do serviço constituia um transtorno de carácter relevante.

 Exigia-se também, que as tensões e frequências fossem mantidas dentro de determinados limites considerados aceitáveis.

Foram adoptadas para os sistemas eléctricos dois tipos de frequências a nivel mundial: 50 e 60 Hertz. Estas frequências são normalmente chamadas de frequências  fundamentais. 

Portanto, as empresas productoras e distribuidoras de electricidade estão assim obrigadas a fornecer energia eléctrica aos consumidores com as frequências fundamentais. Essas frequências fundamentais apresentam um tipo de onda sinusoidal característica e que devem ser mantidas para garantir a qualidade no fornecimento de energia aos consumidores. 

Veja os seguintes vídeos de forma a revisar alguns aspectos sobre a geração de correntes e tensões alternadas e algumas formas de ondas.

Da corrente contínua à alternada:
Corrente alternada e formas de ondas:
Durante dezenas de anos a grande maioria dos receptores ligados às redes de energia eléctrica era preponderantemente constituído de cargas lineares. As cargas lineares são, por exemplo, resistências, inductâncias, condensadores, motores, onde as suas formas de onda de corrente e tensão são sempre sinusoidais (não deformadas), quando alimentadas por um sinal também sinusoidal. Por essa razão, sendo as tensões da alimentação sinusoidais, as correntes extraídas eram também sinusoidais e de mesma frequência, podendo apenas encontrar-se desfasadas relativamente à tensão. Veja abaixo um exemplo de onda sinusoidais para uma carga resistiva, onde a corrente encontra-se somente desfasada da tensão, não apresentando qualquer deformação.

Actualmente a realidade é muito diferente, as cargas ligadas aos sistemas eléctricos evoluíram. Hoje vários equipamentos electrónicos, com características não lineares são usados, extraindo correntes do sistema em forma de pulsos curtos, com isso acabam distorcendo as formas de onda de tensão e corrente, e dessa forma “poluindo” a rede eléctrica com harmónicas.


O que são ondas harmónicas?
Ondas harmónicas são ondas de frequências múltiplas inteiras da onda fundamental.  As harmónicas são classificadas em pares e ímpares, e definidas em função de suas sequências positiva, negativa e nula. Podemos observar na figura abaixo, ondas harmónicas ímpares de terceira, quinta, sétima e nona ordem. Contudo, existem igualmente harmónicas de ordem pares; segunda, quarta, sexta, etc.

Contudo, as ondas harmónicas são produzidas por cargas não-lineares, como computadores, reactores electrónicos, máquinas electrónicas, accionadores de motores de velocidade variável,  rectificadores, lâmpadas flourescentes, UPS, fotocopiadoras, micro-ondas, máquinas de soldadura, televisores, etc. Essas cargas não-lineares absorvem uma corrente com um tipo de onda diferente da tensão da fonte, e sobrepõem-se a onda fundamental produzindo uma onda destorcida e nociva ao sistema eléctrico como ilustra a onda total da figura acima.

Essas ondas harmónicas podem ser tanto de corrente como de tensão do sistema eléctrico. Portanto, existem deste modo ondas harmónicas de corrente e tensão. A figura abaixo mostra a influência da harmónica de quinta ordem sobre o sistema eléctrico.
A presença de harmónicas nos sistemas eléctricos resulta no aumento das perdas relacionadas com a distribuição e transformação de energia eléctrica, que podem provocar problemas de interferência em sistemas de comunicação e na degradação do funcionamento de significativa parte dos equipamentos ligados à rede.


As ondas harmónicas quando fluem na rede de distribuição diminuem a qualidade da energia eléctrica. A deformação das ondas pode resultar em inúmeros efeitos negativos no funcionamento dos equipamentos na rede eléctrica, tais como:
- Aparecimento de vibrações e ruído: Ferro-ressonância em transformadores e reactores, motores de indução ressonando com a compensação capacitiva, etc.
- Sobreaquecimento de núcleos ferromagnéticos: Aumento de perdas por histerese e correntes parasita em núcleos de motores, geradores, transformadores, reactores, relés, etc.

- Erro de medição de grandezas eléctricas: Medidores de energia com disco de indução, medidores de valor eficaz baseados no valor de pico ou valor médio, etc.

- Erro de actuação da protecção: Relés electromagnéticos accionando devido à contribuição das harmónicas, relés electrónicos e digitais com erro de calibração na presença de distorções, etc.

- Sobrecarga da rede de distribuição devido ao aumento do valor rms da corrente.

- Sobrecarga nos condutores neutros devido ao aumento cumulativo das harmónicas de terceira ordem criadas por cargas monofásicas.

- Sobrecargas, vibração e deterioração prematura de geradores, transformadores, motores, etc.

- Degradação dos bancos de capacitores do sistema de correcção do factor de potência.

- A Distorção da voltagem da fonte pode afectar as cargas sensíveis.

- Distorção e perturbações nas redes de telecomunicações.

- Distorção de ondas de corrente provocam accionamentos esporádicos que podem afectar ou parar as linhas de produção.

- Impacto económico devido a degradação e destruição prematura de equipamentos e sinais de telecomunicação. 


Quais são as harmónicas que devem ser medidas e eliminadas?  
As harmónicas mais frequentes nos sistemas de distribuição trifásicos são as ímpares. Normalmente, a amplitude das harmónicas aumenta a medida que a frequência aumenta. As harmónicas acima das 50 ordem são insignificantes e a sua medição não adiciona nenhum valor. Normalmente, fazem-se medições viáveis até as harmónicas de ordem 30.

As entidades productoras de energia fazem o monitoramento das harmónicas de ordem 3, 5, 7, 11 e 13. Sistemas de monitoramento modernos fazem a leitura e análise de harmónicas até a ordem 25.

Para mitigar e reduzir os efeitos das harmónicas, filtros activos e passivos são geralmente usados. Esses filtros limitam as harmónicas e distorções conforme o estabelecido por normas e padrões internacionais. Não deixe de ver o video no link abaixo sobre os filtros. 

Normas internacionais relativas ao consumo de energia eléctrica tais como IEEE 519, IEC 61000 e EN 50160, limitam o nível de distorção harmónica nas tensões com os quais os sistemas eléctricos podem operar e impõem que os novos equipamentos não “contaminem” as redes com harmónicas de corrente de amplitude superior a determinados valores. Dessa forma, evidencia-se a importância de resolver os problemas das harmónicas, tanto para os novos equipamentos quanto para os equipamentos já instalados. Nos links fornecidos abaixo vai também encontrar informação relacionada aos níveis e percentagens padronizadas para as redes de baixa (BT), média (MT) e alta tensão (AT) como mostra, por exemplo, o quadro a seguir:


A abordagem das ondas harmónicas nos sistemas eléctricos e extremamente importante e por isso parte integrante dos estudos de qualidade de energia e desenvolvimento de novos projectos de produção, transporte e distribuição de energia eléctrica.

Sendo esse tema tão vasto e abordado detalhadamente em vários artigos e vídeos na internet, deixo aqui alguns links interessantes para a sua melhor apreciação. Deverá prestar particular atenção aos tipos de cargas geradoras de ondas harmónicas, filtros, corrente no neutro, factor K e o  limite estabelecido pelos padrões internacionais para as percentagem das distorções totais das diferentes ondas harmónicas:

1 - Qualidade de energia – Harmónicas:
2 - Impacto dos problemas da qualidade de energia em instalações eléctricas:

 Videos: 
1 - Definições de tensões e correntes harmónicas:
2 - Classificações e efeitos das harmónicas:
3 - Harmónicas em Transformador:
4 - Efeitos sobre motores eléctricos
5 - Filtro Activo para correcção de Distorções Harmónicas

 
Compilado por:
Emméry Macedo

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Luanda, Angola
Consultoria e Prestação Serviços powered by Emméry Macedo - Engenheiro Eletrotécnico, BTECH, BEST CUM LAUDE, pela Durban University of Technology (DUT), Galardoado pelo Institute of Professional Engineering Technologists (IPET), Bacharel em Ciências Matemáticas pela Faculdade de Ciências da Universidade Agostinho Neto de Angola, Professor de Matemática e Física pelo IMNE- Garcia Neto, Professor de Electrόnica de Potência da Universidade Metodista, membro do IET - Institution of Engineering and Technology MIET nº 91651226, membro da Ordem dos Engenheiros de Angola OEA nº 2924, com certificação em ETAP, SKM, HV Switching, SAEP, etc...

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