1) O documento discute problemas de qualidade de energia elétrica, especialmente harmônicos, suas causas e efeitos. 2) Harmônicos são gerados por cargas não-lineares e podem causar aquecimento excessivo, disparos de proteção e outros problemas. 3) Existem medidas preventivas e corretivas para harmônicos, incluindo filtros ativos e passivos.

1. Qualidade De Energia Eléctrica
Trabalho elaborado por :
Krion

2. Índice
Pág.
Introdução .........................................................................................................................3
Problemas De Qualidade Da Energia Eléctrica.................................................................4
Harmónicas .......................................................................................................................8
Efeitos E Consequências Das Harmónica.........................................................................9
Medidas Preventivas .....................................................................................................9
Acções Correctivas Para Harmónicas .............................................................................10
Filtros Passivos: ..........................................................................................................11
........................................................................................................................................11
Anexos ...........................................................................................................................12
Caso Reais De Problemas Provocados Por Harmónicas ...........................................12
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3. Introdução
A qualidade da energia eléctrica entregue pelas empresas distribuidoras aos
consumidores industriais sempre foi objecto de interesse. Porém, até há algum tempo
atrás, a qualidade tinha a ver, sobretudo, com a continuidade dos serviços, ou seja, a
principal preocupação era que não houvesse interrupções de energia, e a que as tensões
e frequência fossem mantidas dentro de determinados limites considerados aceitáveis.
Durante dezenas de anos a grande maioria dos receptores ligados às redes de energia
eléctrica consistiam em cargas lineares. Por essa razão, e uma vez que as tensões da
alimentação são sinusoidais, as corrente consumidas eram também sinusoidais e da
mesma frequência, podendo apenas encontrar-se desfasadas relativamente à tensão.
Ilustração 1 Tensão e corrente de um sistema eléctrico de cargas linear.
Com o desenvolvimento da electrónica de potência os equipamentos ligados aos
sistemas eléctricos evoluíram, melhorando em rendimento, controlo e custo, permitindo
ainda a realização de tarefas não possíveis anteriormente. Contudo, esses equipamentos
têm a desvantagem de não funcionarem como cargas lineares, consumindo correntes
não sinusoidais, e dessa forma “poluindo” a rede eléctrica com harmónico. Os prejuízos
económicos resultantes deste e de outros problemas associados aos sistemas eléctricos
são muito elevados, e por isso a questão da qualidade da energia eléctrica entregue aos
consumidores finais é hoje, mais do que nunca, objecto de grande preocupação.
Ilustração 2 Harmónicos
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4. Problemas De Qualidade Da Energia Eléctrica
Entre os problemas de qualidade de energia, a interrupção do fornecimento é,
incontestavelmente, o mais grave, uma vez que afecta todos os equipamentos ligados à
rede eléctrica, à excepção daqueles que sejam alimentados por UPS´s (Uninterruptable
Power Supplies – sistemas de alimentação ininterrupta) ou por geradores de
emergência. Contudo, outros problemas de qualidade de energia, como os descritos a
seguir, além de levarem à operação incorrecta de alguns equipamentos, podem também
danificá-los:
• Distorção harmónica: surgem devido à presença de cargas não-lineares na rede
de distribuição. Essas cargas não possuem uma relação linear entre tensão e a
corrente como cargas resistivas, capacitivas e indutivas. Estas podem ser geradas
por equipamentos eléctricos e electrónicos que possuem componentes não-
lineares tais como: díodos, transístores, entre outros.
Ilustração 3 Harmónica
• Ruído (interferência electromagnética): corresponde ao ruído electromagnético
de alta-frequência, que pode, por exemplo, ser produzido pelas comutações
rápidas dos conversores electrónicos de potência (Ex.: se ligar a televisão e uma
varinha magica na mesma rede...e terá de forma simples um efeito na imagem da
televisão.
Ilustração 4 Ruído (interferência electromagnética)
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5. • Flutuação da tensão (flicker): acontece devido a variações intermitentes de certas
cargas, causando flutuações nas tensões de alimentação (que se traduz, por
exemplo, em oscilações na intensidade da iluminação eléctrica).
Ilustração 5 Flutuação da tensão (flicker)
• Interrupção momentânea: ocorre, por exemplo, quando o sistema eléctrico
dispõe de disjuntores com religador, que abrem na ocorrência de um curto-
circuito, fechando-se automaticamente após alguns milissegundos (e mantendo-
se ligados caso o curto-circuito já se tenha extinguido).
Ilustração 5 Interrupção momentânea
• Sobretensão momentânea: pode ser provocada, entre outros casos, por situações
de defeito ou operações de comutação de equipamentos ligados à rede eléctrica.
Ilustração 7 Sobretensão momentânea
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6. • Subtensão momentânea: também conhecido por “cava de tensão”, pode ser
provocada, por exemplo, por um curto-circuito momentâneo num outro
alimentador do mesmo sistema eléctrico, que é eliminado após alguns
milissegundos pela abertura do disjuntor do ramal em curto.
Ilustração 8 Subtensão momentânea
• Inter-harmónicos: surgem quando há componentes de corrente que não estão
relacionadas com a componente fundamental (50 Hz); essas componentes de
corrente podem ser produzidas por fornos a arco ou por ciclo-conversores
(equipamentos que, alimentados a 50 Hz, permitem sintetizar tensões e correntes
de saída com uma frequência inferior).
Ilustração 9 Inter-harmónicos
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7. • Micro-cortes de tensão: consistem em pequenos cortes periódicos na forma de
onda da tensão, que resultam de quedas de tensão nas indutâncias do sistema
eléctrico, ocorridas devido a cargas que consomem correntes com variações
bruscas periódicas (caso dos rectificadores com filtro capacitivo ou indutivo).
Ilustração 6 Micro-cortes de tensão
• Transitórios: ocorrem como resultado de fenómenos transitórios, tais como a
comutação de bancos de condensadores ou descargas atmosféricas.
Ilustração 7 Transitórios
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8. Harmónicas
As correntes harmónicas são geradas pelas cargas não-lineares ligadas a uma rede. As
cargas não-lineares absorvem uma corrente diferente da forma de onda da tensão que a
alimenta, gerando uma perturbação na onda da corrente.
A circulação de correntes harmónicas gera tensões harmónicas através das impedâncias
da rede, é então uma deformação da tensão de alimentação.
Antigamente predominavam cargas lineares com valores de impedância fixa
(iluminação incandescente, cargas de Aquecimento, motores sem controlo de
velocidade). Actualmente surgiram cargas não-lineares geradoras de poluição eléctrica
(harmónicas). Os dispositivos geradores de harmónicas são apresentados em todos os
sectores industriais, comerciais e domésticos (Ex.: accionamentos tiristorizados,
accionamentos em corrente contínua ou alternada, rectificadores, conversores
electrónicos de potência, fornos de indução, máquinas de solda a arco, aparelhos de
televisão, balastros electrónicos para lâmpadas de descarga, controladores electrónicos
para uma enorme variedade de cargas industriais, etc.).
Quase todos os equipamentos electrónicos com alimentação monofásica ou trifásica
incorporam um circuito rectificador à sua entrada, seguido de um conversor comutado
do tipo cc-cc ou cc-ca. Um dos tipos de rectificadores mais utilizados em equipamentos
de baixa potência é o rectificador monofásico de onda completa com filtro capacitivo,
que possui uma corrente de entrada altamente distorcida. O elevado conteúdo
harmónico da corrente distorce a tensão de alimentação devido à queda de tensão na
impedância das linhas.
Os controladores de fase, muito utilizados para controlar a potência em sistemas de
aquecimento e ajustar a intensidade luminosa de lâmpadas, também produzem formas
de onda com conteúdo harmónico substancial e interferência electromagnética de alta-
frequência. Mesmo as lâmpadas fluorescentes normais contribuem significativamente
para os harmónicos na rede, devido ao comportamento não linear das descargas em
meio gasoso e ao circuito magnético do balastro, que pode operar na região de
saturação.
Para além da distorção das formas de onda, a presença de harmónicos nas linhas de
distribuição de energia origina problemas em equipamentos e componentes do sistema
eléctrico.
A presença de harmónicas na alimentação de máquinas eléctricas provoca a alteração
das suas características de funcionamento: aumento das perdas de energia e consequente
aumento do aquecimento, alteração da distribuição do campo magnético com aumento
do ruído e das vibrações da máquina.
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9. Efeitos E Consequências Das Harmónica
Os efeitos da poluição harmónica revelam-se quer ao nível das redes de distribuição de
energia quer ao nível do funcionamento dos equipamentos dispersos pelo sistema.
Assim os problemas que podem ocorrer são, entre outros, os seguintes:
• Aquecimento excessivo;
• Disparo de dispositivos de protecção;
• Vibrações;
• Aumento da queda de tensão e redução do factor de potência da instalação;
• Tensão elevada entre neutro e terra;
• As linhas e os cabos de transporte de energia registam perdas óhmicas
(resistivas) suplementares, dada a circulação das correntes harmónicas e
atendendo ao facto de, devido ao efeito pelicular, a sua resistência para esses
componentes variar de acordo com o harmónico;
• Os harmónicos de corrente provocam perdas óhmicas suplementares nos
enrolamentos principais e nos enrolamentos amortecedores dos alternadores, por
outro lado, a interacção entre correntes harmónicas e o campo magnético
fundamental pode originar binários oscilatórios que provocam vibrações nos
veios dos alternadores e consequentemente o aumento da fadiga mecânica das
máquinas;
• Nos transformadores os harmónicos de corrente provocam o aumento das perdas
nos enrolamentos e os harmónicos de tensão criam correntes de Foucault
(corrente parasita é quando o fluxo magnético varia);
• O tempo de vida útil das lâmpadas de incandescência é fortemente reduzido
podendo atingir metade da sua vida útil;
• Televisões, relés de protecção, disjuntores, fusíveis, computadores e sistemas de
medição de energia podem apresentar perturbações funcionais significativas;
• Aumento considerável na dissipação térmica dos condensadores.
Medidas Preventivas
• Aumento da potência de curto-circuito;
• Aquisição de equipamentos com emissão de baixa teor de harmónicas;
• Evitar situações de ressonância;
• Impedir que as harmónicas de correntes gerem harmónicas de tenção:
 Determinar as harmónicas de tensão em diferentes pontos da
instalação;
 Redimensionar as reservas dos condensadores;
 Redesenhar as redes de alimentação;
 Separar cargas poluentes de não poluentes;
 Melhorar as malhas de protecção. Fomentada
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10. Acções Correctivas Para Harmónicas
Filtro activos:
• Paralelo: O filtro activo de potência do tipo paralelo tem como função
compensar os harmónicos das correntes nas cargas, podendo ainda compensar a
potência reactiva (corrigindo o factor de potência). Permite ainda equilibrar as
correntes nas três fases (eliminando a corrente no neutro).
o Série: O filtro activo de potência do tipo série é o dual do filtro activo paralelo.
A sua função é compensar as tensões da rede eléctrica, para os casos em que
estas contenham harmónicos, de forma a tornar as tensões na carga sinusoidais.
Ilustração 8 Filtro Activo Série Ilustração 9 Filtro Activo Paralelo
Factores que devem ser tidos em consideração:
• O filtro é dimensionado para uma carga caso esta seja alterada, a eficácia do
filtro é anulada;
• Filtragem simultânea em várias harmónicas;
• Não varia com o tempo;
• É uma solução de custo elevado que apenas resolve o problema localmente;
• A sua montagem é simples e produz resultados imediatos;
• Não faz contacto com as instalações vizinhas;
• Permite compensar outros fenómenos, flicker e desequilíbrios.
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11. Filtros Passivos:
• O mais simples dos filtros passivos consiste num indutor em série com a
entrada do equipamento poluidor, que frequentemente consiste num rectificador
com um filtro capacitivo na saída.
Ilustração 10 Filtro Passivo (paralelo) Ilustração 11 Filtro passivo (série)
Factores que devem ser tidos em consideração:
• O calculo teórico do filtro é indispensável;
• O resultado é fortemente dependente do local onde se coloca o filtro;
• É uma solução económica e pode ser executada rapidamente;
• Necessidade de instalar tantos filtros como harmónicas a filtrar;
• Variável no tempo;
• Dificuldade de reforçar a potência;
• Contacto entre instalações vizinhas.
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12. Anexos
Caso Reais De Problemas Provocados Por Harmónicas
“Um novo sistema de computação foi instalado num prédio pertencente a uma
companhia de seguros. Uma vez ligada a alimentação o disjuntor principal
disparou, cortando a alimentação de todo o sistema. Após várias verificações, os
engenheiros descobriram que a interrupção tinha sido provocada pelo valor
excessivo da corrente no neutro do sistema trifásico. Apesar do sistema estar
equilibrado a corrente no neutro tinha um valor igual a 65% do valor das
correntes na fase, o que levava ao desarme do disjuntor, já que o relé da corrente
no neutro estava ajustado para 50% do valor das correntes na fase. Cabe aqui
ressaltar que, num sistema trifásico equilibrado a corrente de neutro deve ser
igual a zero. Contudo, quando a corrente está distorcida, contrariamente ao que
normalmente ocorre, os harmónicos de corrente múltiplos de 3 somam-se no
neutro, em vez de se cancelarem. Estudos demonstram que as correntes no
neutro têm aumentando nos edifícios comerciais. Isto se deve à utilização
crescente de equipamentos electrónicos, tais como, computadores, impressoras,
fotocopiadoras, aparelhos de fax, etc. Esses equipamentos utilizam rectificadores
monofásicos à entrada, que produzem harmónicos de corrente de 3º ordem, tais
como o 3º, o 9º e o 15º harmónico. Para que se evitem problemas de
sobreaquecimento dos condutores de neutro. Estes devem ser
sobredimensionados, ou, melhor ainda, os harmónicos de 3ª ordem devem ser
compensados. Noutro caso documentado, uma companhia de distribuição de
energia eléctrica reportou a avaria de um transformador de 300 kVA cuja carga
não excedia o seu valor nominal de potência aparente. O transformador foi
substituído por outro idêntico, e este apresentou os mesmos problemas pouco
tempo depois. A carga desses transformadores consistia sobretudo em sistemas
de accionamento electrónico de velocidade variável para motores eléctricos, cujo
consumo de correntes possui elevado conteúdo harmónico. Actualmente, de
forma a evitar que os transformadores avariem, ou tenham o seu tempo de vida
útil reduzido, é importante que se conheça a distorção harmónica das correntes
que estes fornecem às cargas, de forma que, em função desse valor, seja aplicado
ao transformador um factor de desclassificação de potência (factor K – derating
factor). Ou seja, em função da distorção harmónica, é reduzido o valor da
potência nominal do transformador.”
Artigo retirado da Revista o Electricista, de 2004.
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