D ISTORÇÃO H ARMÓNICA

Uma onda periódica não sinusoidal pode ser decomposta em ondas sinusoidais com frequências variáveis e múltiplas da frequência fundamental do sinal que lhes deu origem. A amplitude de cada um destes harmónicos é habitualmente apresentada em valores percentuais da amplitude da componente fundamental que é a componente cuja frequência é a mesma da onda que é decomposta. Na rede eléctrica nacional a frequência fundamental das ondas de corrente e tensão é de 50Hz o que significa que a frequência de um harmónico de ordem h será:

( )

50

h

f = ×h Hz .

Figura 15 – Fundamental, 3º e 5º harmónico [5]

Na Figura 15 são apresentadas as componentes fundamental, de 3ª e de 5ª ordem de uma hipotética onda periódica. Adicionando as componentes harmónicas à componente fundamental, da Figura 15 obtém-se a forma de onda original que é apresentada na Figura 16.

Figura 16 – Forma de onda original [5]

O valor da distorção harmónica é a quantificação do desvio que a onda apresenta em relação à sinusóide perfeita. Este fenómeno é geralmente quantificado em termos de THD, ou em português, DHT (“Distorção Harmónica Total”) cujo cálculo é efectuado pela seguinte expressão:

∑

U

No caso das cargas lineares a corrente que as atravessa é directamente proporcional à tensão de alimentação o que significa que se a tensão de alimentação for perfeitamente sinusoidal, também a corrente o será (Figura 17).

Figura 17 – Característica de uma carga linear [5]

Em cargas não lineares a corrente que circula não é sinusoidal (Figura 18).

Figura 18 – Característica de uma carga não linear [5]

Pelos cálculos efectuados para a determinação das componentes harmónicas conclui-se que, no caso de a onda a decompor ser simétrica (alternância positiva simétrica à alternância negativa), não existem harmónicos de ordem par. Estes harmónicos são geralmente de amplitude negligenciável, mas podem aparecer quando de efectuam rectificações de meia onda. 6.7.1. Origem da Distorção Harmónica

No SEE ideal, as ondas de corrente e de tensão teriam formas perfeitamente sinusoidais, as cargas seriam todas lineares, com potência constante e sem defeitos. Mas, na realidade, há muitos anos que a distorção harmónica está presente no sistema de alimentação.

No início era originária da saturação magnética dos transformadores, fornos de arco, aparelhos de soldar a arco e de rectificadores usados na electrificação dos caminhos-de-ferro e em accionamentos DC de velocidade variável na indústria. Recentemente, o número aparelhos que geram harmónicos tem vindo a aumentar em número e em tipo. Este crescimento deve-se à proliferação dos conversores de electrónica de potência.

Este problema é agravado pela crescente utilização de baterias de condensadores para compensação do factor potência, pois os condensadores instalados ficam em paralelo com a reactância do sistema eléctrico ficando assim reunidas as condições para o aparecimento da indesejada ressonância electromagnética, à frequência dada pela seguinte expressão:

LC f 1 2 1 π = .

Caso a corrente solicitada à rede contenha harmónicos com frequência próxima da frequência de ressonância, serão originadas correntes oscilatórias de amplitudes muito elevadas,

que podem danificar por completo os condensadores e criar tensões harmónicas de amplitude também elevada. Esta perturbação ganha ainda mais relevância, porque juntamente ao aparecimento de cargas poluidoras aparecem cargas cada vez mais sensíveis à distorção harmónica. Em muitos dos casos, as cargas que por um lado produzem distorção harmónica são também as mais susceptíveis a danos causados por este tipo de perturbação de QE.

Dos equipamentos que geram harmónicos destacam-se: FAC’s, balastros electrónicos para lâmpadas fluorescentes, UPS, accionamentos de velocidade variável, etc.

6.7.2. Consequências da Distorção Harmónica

O grau de severidade com que os equipamentos ou materiais de rede ou instalações do consumidor são afectados pelos harmónicos depende da susceptibilidade dos equipamentos e das características técnicas da rede.

Os equipamentos mais sensíveis, que são também os mais perturbadores, são os equipamentos electrónicos. Os efeitos dos harmónicos podem manifestar-se devido ao aumento da corrente eficaz ou devido à deformação da onda de tensão (deixa de ser sinusoidal). Um aumento da corrente eficaz vai sempre provocar um acréscimo de temperatura de todos os componentes da rede eléctrica o que se traduz em degradação dos materiais isolantes, diminuição do rendimento e menor eficácia da aparelhagem de protecção. Todos estes factos contribuem para a diminuição da vida útil dos equipamentos. A deformação da onda de tensão é mais prejudicial para o equipamento electrónico sensível, podendo causar perturbações no seu funcionamento.

• Efeitos em termos económicos:

⇒ degradação do rendimento energético da instalação (perdas de energia); ⇒ sobredimensionamento dos equipamentos;

⇒ perda da produtividade (envelhecimento acelerado dos equipamentos, disparo intempestivo).

• Efeitos instantâneos e a curto prazo:

⇒ disparo intempestivo das protecções: os harmónicos tem influência nos dispositivos de controlo de temperatura, uma vez que tendem a alterar o valor limite para o qual o dispositivo se encontra projectado para entrar em funcionamento;

⇒ perturbações induzidas em sistemas de corrente baixa (telecomandos, telecomunicações, aparelhagens, monitores de computadores, televisões);

⇒ vibrações e barulhos acústicos anormais (quadros de BT, motores, transformadores);

⇒ destruição por sobrecarga térmica de condensadores; ⇒ perdas de precisão de aparelhos de medida.

• Efeitos instantâneos e a longo prazo:

⇒ aquecimento de equipamentos (transformadores, alternadores) devido ao efeito de Joule e perdas de ferro;

⇒ aquecimento das cargas devido a perdas por efeito de Joule e devido ao facto dos condensadores serem particularmente sensíveis aos harmónicos aumentando a sua impedância proporcionalmente à ordem dos harmónicos presentes;

⇒ corrosão de peças metálicas.

6.7.3. Formas de Mitigação da Distorção Harmónica

Como formas de mitigação de harmónicos são apresentadas as seguintes:

• Sobredimensionamento de equipamentos de modo a minimizar o efeito das perdas excessivas (em forma de calor);

• Separação de Cargas em barramentos distintos, de cargas responsáveis pela distorção harmónica e de cargas sensíveis (muitas vezes estas são as principais geradoras de harmónicos);

• Outras soluções para reduzir o efeito dos harmónicos pode passar pela utilização de transformadores com ligações especiais, de filtros passivos, activos e híbridos (ver Figuras 19, 20, 21).

Figura 19 – Filtro passivo [12] Figura 20 – Filtro activo [12]

Figura 21 – Filtro híbrido [12]

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