Eletrônica de Potência e a Qualidade de Energia Elétrica

A poluição harmônica gerada por cargas não-lineares monofásicas baseadas na EP individualmente é de pequena potência, mas quando usadas em grande quantidade em sistemas elétricos podem causar problemas significativos de distorção harmônica. Esta poluição não está restrita somente aos ambientes industriais, mas também está presente em

ambientes residenciais e comerciais. Ademais, o fluxo da corrente harmônica pelo sistema resulta em uma série de efeitos indesejáveis [1, 2].

Dentre as aplicações de equipamentos baseados na eletrônica de potência estão as seguintes: retificadores, fontes de tensão chaveadas, acionadores de velocidade variável, dispositivos a arco, dispositivos saturáveis, laminadores, entre outros. Estes equipamentos comportam-se como fontes de correntes harmônicas. Verifica-se que a distorção harmônica afeta todas as cargas ligadas em um ponto de acoplamento comum (PAC) do sistema elétrico de potência [1, 2].

1.3.2. Distorção Harmônica em Sistemas Elétricos

A distorção harmônica causa efeitos indesejados no sistema elétrico, tais como perdas adicionais pelo aquecimento (por exemplo, em máquinas rotativas), interferência nos mecanismos de operação de equipamentos de proteção, problemas de ressonância e aumento das perdas por aquecimento adicional em banco de capacitores paralelos. Outros problemas advindos desta distorção estão também relacionados com as sobretensões em sistemas de iluminação, degradação da exatidão de medidores de energia ativa tipo indução, efeitos indesejados nas características operacionais de relés de proteção, ruídos em sistemas de comunicação, entre outros [1].

Os consumidores finais estão mais preocupados com a confiabilidade do sistema e qualidade da energia elétrica fornecida pela concessionária, ou seja, preocupam-se com o funcionamento de seu equipamento sem problemas e sem interrupções. Outro fator importante refere-se às possíveis cobranças, por parte das concessionárias, do custo da degradação da QEE gerada pela distorção harmônica. Portanto, para a concessionária é interessante a resolução do problema próximo ao ponto de entrega e para os consumidores o problema deveria ser resolvido o mais próximo possível da carga geradora de distorção harmônica, ou

seja, no quadro de distribuição da sala onde está conectada a carga geradora de harmônicos [3].

1.3.3. Métodos para a Atenuação Harmônica

Para atenuar os problemas com a distorção harmônica em sistemas elétricos existem várias pesquisas que foram feitas ou estão se realizando na área da eletrônica de potência [30]. Existem praticamente dois métodos para determinar a solução do problema. O primeiro está baseado na solução preventiva, isto é, na melhora do desempenho do próprio equipamento fonte de harmônicos. Neste caso é utilizada uma técnica para a redução do conteúdo harmônico gerado por esta carga não-linear por meio de mudanças no circuito do próprio equipamento, por exemplo, o pré-regulador nos retificadores de tensão [35]. O segundo método consiste nas técnicas corretivas, isto é, na utilização de filtros para a compensação harmônica (por exemplo, filtros RLC sintonizados no 3^o harmônico de corrente e em paralelo com a carga) [4].

Assim os problemas relacionados com a distorção harmônica podem ser resolvidos utilizando-se filtros com o objetivo de cancelar os componentes harmônicos do sistema. Há duas classes gerais de filtros para a correção da distorção harmônica. A primeira classe está baseada no uso de filtros passivos convencionais, mas é uma solução susceptível à ressonância tanto com a impedância de alimentação quanto com outras cargas do sistema. Além disso, estes filtros não são adequados para utilização em sistemas susceptíveis a cargas que apresentam conteúdos harmônicos variáveis. A segunda classe consiste em filtros ativos de potência ou híbridos (combinação filtro ativo e passivo). Os filtros ativos mostram-se como uma solução eficaz na correção da distorção harmônica de forma adaptativa [3-9].

Dentre as diversas configurações possíveis para a realização de um FAP, a topologia denominada de filtro ativo de potência paralelo (FAPP) é a que mais largamente tem sido utilizada atualmente. Sua configuração é constituída de um inversor de fonte de tensão

conectado em paralelo com a carga. Sua função é injetar uma corrente apropriada no PAC do sistema, cancelando os componentes harmônicos da corrente drenada da fonte de tensão [2-5].

1.3.4. Filtros Ativos de Potência em Paralelo com a Carga Não-Linear

As características de compensação de um FAPP são definidas principalmente pela estratégia utilizada para determinar o conteúdo harmônico da corrente de carga e para criar a corrente de referência do seu sistema de controle [10-14]. A determinação desta corrente de referência tem sido feita por meio de duas abordagens: a chamada abordagem no domínio do tempo (por exemplo, usando a teoria da potência ativa e reativa instantânea) [3, 11], e a abordagem no domínio da freqüência (por exemplo, utilizando a análise de Fourier) [6, 7]. A estratégia no domínio da freqüência possibilita a determinação dos componentes harmônicos de forma seletiva, ou seja, pode-se limitar a compensação harmônica até um determinado componente, por exemplo, o 20^o componente. Quanto maior o número de componentes harmônicos, maior será o número de cálculos e mais complexo poderá ser o FAP [15].

No domínio da freqüência a transformada discreta de Fourier (Discrete Fourier Transform - DFT) é uma técnica tradicional muito utilizada na análise espectral da corrente de carga [16]. Esta transformada é empregada de forma online (sistema em operação ou ligado) com o auxílio do algoritmo da transformada rápida de Fourier (Fast Fourier Transform

-FFT) que identifica os coeficientes de Fourier de forma mais eficiente do que a DFT, possibilitando a reconstrução do sinal digitalizado que pode ser utilizado como corrente de referência [16]. Neste trabalho não é discutido a eficiência da DFT e FFT. A FFT truncada também tem sido utilizada com o intuito de reduzir a resposta de tempo computacional intrínseco a esta técnica. Isto porque esta resposta se torna menor à medida que diminui o número de harmônicos envolvidos [6, 7, 16, 17].