Harmônicos

O estudo de harmônicos é normalmente realizado para se investigar o impacto de dispositivos não lineares, para detectar as condições de ressonância, e ainda, para determinar os requisitos de filtragem em uma instalação ou sistema elétrico.

Muito embora a palavra harmônico seja utilizada na área da engenharia elétrica, é importante mencionar que a sua origem se deu na área da acústica e de instrumentos musicais. (LEÃO, et al., 2014).

O termo harmônico tornou-se um termo bastante conhecido na engenharia elétrica justamente porque a sua presença nos sistemas elétricos pode causar alterações na rede, além de prejudicar a qualidade da transmissão de energia elétrica.

Conforme Carvalho (2013) descreve, “denomina-se harmônico toda forma de onda senoidal cuja frequência é múltipla da forma de onda de frequência fundamental.”

O termo harmônico é: (CARVALHO, 2013):

[...] proveniente da física, particularmente do estudo da ondulatória. Quando uma partícula ou uma onda se propaga em uma oscilação periódica ao redor de um ponto de equilíbrio, este movimento pode ser descrito por uma combinação de senoides e cossenoides, e é denominado “movimento harmônico”.

Segundo Fourier, todo sinal periódico pode ser decomposto em um somatório infinitivo de senoides e cossenoides, e seus termos e coeficientes são dados pela equação:

O sinal em forma de ondas senoidais são características desejadas em um sistema elétrico, sendo que os equipamentos e aparelhos elétricos são projetados para serem alimentados com formas senoidais (LEÃO, et al., 2014).

Ocorre que em uma instalação elétrica os altos níveis de distorções harmônicas podem ocasionar diversos problemas tanto para as redes de distribuição quanto para as próprias instalações, além dos equipamentos que nelas estão instalados (WEG, 2019).

Segundo conceitua o PRODIST 8 (ANEEL, 2020): “as distorções harmônicas são fenômenos associados a deformações nas formas de onda das tensões e correntes em relação à onda senoidal da frequência fundamental.”

Assim, o aumento de tensão na rede causado pela distorção harmônica (WEG, 2019): [...] acelera a fadiga dos motores e as isolações de fios e cabos, o que pode ocasionar queimas, falhas e desligamentos. Adicionalmente, as harmônicas aumentam a corrente RMS (devido a ressonância técnica), causando elevação nas temperaturas de operação de diversos equipamentos e diminuição de sua vida útil.

Além disso, é importante mencionar que as ondas de frequências superiores provocam diversos danos ao sistema elétrico, tais como (WEG, 2019):

a) a interferência nos equipamentos utilizados para comunicações e para variação de velocidade de motores;

b) o aquecimento de reatores e de lâmpadas fluorescentes;

c) o surgimento de ressonâncias entre os capacitores para a correção do fator de potência, gerando sobretensões e sobrecorrentes que causam severos danos ao sistema;

d) o aumento de erros nos instrumentos de medição de energia, tendo em vista que estes são calibrados para medir ondas senoidais puras;

e) o aumento de perdas nos rotores e estatores de máquinas rotativas que acabam por ocasionar um superaquecimento extremamente prejudicial às máquinas;

f) perdas adicionais causadas pelo aumento do valor RMS da corrente, tendo em vista que o fluxo de harmônicas nos elementos de ligação de uma rede ocasiona essas perdas;

g) o aumento das perdas, além do desgaste precoce das isolações térmicas podem prejudicar os transformadores do sistema elétrico;

h) quedas de tensão harmônica nas diversas impedâncias do circuito;

i) redução severa na vida útil dos cabos elétricos, pois há um aumento de fadiga dos dielétricos;

j) a distorção das características de atuação de relés de proteção.

Nos sistemas elétricos de potência a frequência fundamental pode ser de 50 Hz ou 60 Hz. No Brasil, a frequência adotada é e 60 Hz, e, dessa forma, o primeiro harmônico de uma senoide de 60 Hz é uma senoide na própria frequência fundamental; o segundo harmônico possui uma frequência de 120 Hz, o terceiro 180 Hz, e assim, sequencialmente (WEG, 2019).

A IEC (International Electrotechnical Commission), organização internacional de normatização e padronização para as áreas de elétrica, eletrônica e outras tecnologias relacionadas, a qual atua com o propósito de discutir questões relativas às normas, fazer recomendações e promover orientações para utilização internacional, publicou a norma IEC 61000-3-2 de 2009 - Limits for harmonics current emissions (equipament input current ≤ 16 A per phase), que aborda a limitação de correntes harmônicas injetadas na rede pública do sistema de abastecimento, e especifica os limites de componentes harmônicos da corrente de entrada (DE SOUZA; BETIOL, 2019).

A norma mencionada nada mais é do que uma recomendação técnica voltada para os equipamentos elétricos e eletrônicos que tenham uma corrente nominal superior a 16A por fase e que sejam alimentados por sistemas de distribuição em corrente alternada com as seguintes características: “tensão nominal de até 240V, monofásica, dois ou três fios; tensão nominal de até 600V, trifásico, três ou quatro fios, frequência nominal de 50HZ ou 60HZ” (DE SOUZA; BETIOL, 2019).

Destaca-se que a norma IEC 61000-3-4 de 1998 (Tabela 1) foi substituída pela norma IEC 61000-3-12 de 2011, todavia, no tocante a porcentagem do máximo de harmônicos em circuitos trifásicos balanceados com corrente passante entre 16A até 75A ainda permanece a mesma, e que será utilizada como referência deste estudo. (DE SOUZA; BETIOL, 2019).

Tabela 1 - Norma IEC 61000-3-4 (Harmônicas - Máxima Porcentagem)

Fonte: De Souza; Betiol, 2019.

Nesse sentido ainda, recomenda-se na tomada de decisões quanto a correção do fator de potência, que seja realizado o levantamento da potência das cargas não lineares e, se caso estas não ultrapassarem 20% (vinte por cento) da carga total, então poder-se-á corrigir o fator de potência somente com capacitores, tendo em vista que é remota a possibilidade de existirem problemas com harmônicas na instalação elétrica. (WEG, 2019).

É importante também ficar atento ao que a recomenda a norma IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) Standard 519-1992: “Recommended Practiques and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems”, pois essa norma recomenda que as distorções harmônicas individuais de tensão devem ser menores ou iguais a 3%.

Destaca-se que os limites de distorção harmônicos recomendados nesta norma pela IEEE referem-se aos limites de distorção harmônica de tensão no Ponto de Conexão Comum (PCC), o ponto de conexão no barramento das diversas cargas.