IEEE Standard 519-1992

A IEEE Standard 519-1992 – Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems trata-se de uma recomendação técnica que estabelece os parâmetros de controle de harmônicas em sistemas elétricos de potência (12). Este regulamento incorpora em seu conteúdo a divisão da responsabilidade de poluição harmônica entre consumidores e a concessionária.

Neste caso, os limites de distorção de tensão no ponto de ligação são de responsabilidade da concessionária e os limites de distorção de corrente, neste mesmo referencial, são encargo dos consumidores (Tabela 2 e Tabela 3).

Tabela 2 - Limites de distorção de tensão

Tensão no PAC Distorção de Tensão

Por Consumidor (%) Total (%)

Abaixo de 69 kV 3 5

69 a 138 kV 1,5 2,5

138 kV e acima 1 1,5

Tabela 3 - Limites de distorção da corrente (120V a 69kV)

Corrente Harmônica Máxima em % da Fundamental

Ordem das harmônicas (harmônicas ímpares)

Icc/If h < 11 11 ≤ h < 17 17 ≤ h < 23 23 ≤ h < 35 35 ≤ h THDi <20 4 2 1,5 0,6 0,3 5 20-50 7 3,5 2,5 1 0,5 8 50-100 10 4,5 4 1,5 0,7 12 100-1000 12 5,5 5 2 1 15 >1000 15 7 6 2,5 1,4 20 Fonte: Autor, 2013.

Contudo, a utilização dessa recomendação técnica é direcionada para consumidores de maior potência, visto que os limites são definidos para o cliente, coletivamente, ao invés de serem definidos para equipamentos. Desse modo, a IEE 519-1992 traz uma série de indicações para a análise dos impactos da instalação aos demais consumidores conectados ao mesmo sistema de alimentação.

2.2.7.2. IEC 1000

A norma europeia IEC 1000 é referência mundial para as medições dos níveis harmônicos em sistemas de distribuição, visto que fornece as principais características da tensão, no ponto de entrega ao consumidor, em baixa e média tensão, sob condições normais de operação, conforme Tabela 4.

Tabela 4 - Níveis de tensão harmônica individual em redes de baixa tensão

Harmônicos Impares não múltiplos de 3

Harmônicos Ímpares

múltiplos de 3 Harmônicos Pares

Ordem do Harmônico h Harmônico de Tensão % Ordem do Harmônico h Harmônico de Tensão % Ordem do Harmônico h Harmônico de Tensão % 5 6 3 5 2 2 7 5 9 1,5 4 1 11 3,5 15 0,3 6 0,5 13 3 21 0,2 8 0,5 17 2 > 21 0,2 10 0,5 19 1,5 12 0,2 23 1,5 > 12 0,2 25 1,5 > 25 0,2+0,5*25/h Fonte: Autor, 2013. 2.2.7.3. IEC 61000-3

A IEC 61000-3 é uma norma que define os limites de harmônicas em sistemas públicos de distribuição, focando-se em pequenos consumidores. De acordo com a regulamentação, a THD na tensão de fornecimento deve ser menor que 3%. Além disso, em contraste com a IEEE 519-1992, as diretrizes estão estabelecidas para limites de distorção harmônica de corrente por equipamento.

2.2.7.4. Legislação Brasileira

No Brasil, a ANEEL estabelece os limites de potência referenciados na seção 2.3.5, através da resolução normativa nº 414 de 2010.

A recomendação brasileira elaborada pela ELETROBRÁS acerca dos critérios e procedimentos para o atendimento à consumidores com cargas especiais implica os limites de harmônicos, globais e por consumidor, para sistemas de tensões inferiores e superiores a 69 kV, conforme Tabela 5 e Tabela 6 (14).

Tabela 5 - Limites de tensão por consumidor expressos em % da tensão fundamental

V < 69 kV V ≥ 69 kV

Ímpares Pares Ímpares Pares

Ordem Valor Ordem Valor Ordem Valor Ordem Valor

3 a 25 1,50%

Todos 0,6% 3 a 25 0,6% Todos 0,3%

≥ 27 0,70% ≥ 27 0,4%

THDv = 3% THDv = 1,5%

Fonte: Autor, 2013.

Tabela 6 - Limites globais de tensão em % da tensão fundamental

V < 69kV V ≥ 69kV

Ímpares Pares Ímpares Pares

Ordem Valor Ordem Valor Ordem Valor Ordem Valor

3, 5, 7 5% 2, 4, 6 2% 3, 5, 7 2% 2, 4, 6 1% 9, 11, 13 3% 9, 11, 13 1,5% 15 a 25 2% _{≥ 8} 1% 15 a 25 1,0% ≥ 8 0,5% ≥ 27 1% ≥ 27 0,5% THDv = 6% THDv = 3% Fonte: Autor, 2013.

3. FILTROS

De acordo com Sadiku (2003, p.550), define-se filtro como um circuito projetado para permitir sinais com frequências desejadas e rejeitar ou atenuar outras.

Este conceito tem sido parte integrante da evolução da engenharia elétrica, de forma que diversos avanços tecnológicos não teriam sido possíveis sem os filtros elétricos; gerando, assim, um alto desprendimento de esforços em sua teoria, projeto e construção.

Os filtros podem ser utilizados para limitar o espectro de frequência de um sinal em alguma banda específica de frequências, ou seja, podem ser empregados como dispositivos seletivos em frequência. Exemplifica-se tal aplicação, em circuitos de rádios e televisões que permitem selecionar um determinado sinal entre uma grande variedade de sinais presentes em nosso ambiente.

Neste âmbito, a QEE está relacionada intrinsecamente ao fornecimento contínuo da característica senoidal da tensão elétrica, como gerada nas usinas. Por isto, faz-se necessário a instalação de filtros de correntes harmônicas, ou simplesmente filtros de harmônicas, que surge como outra possibilidade para adequação dos valores registrados de distorção de tensão por conta do controle das correntes harmônicas.

Assim, os filtros evitam que as harmônicas circulem pelas fontes; reduzindo, portanto, as tensões harmônicas à montante e, por consequência, diminuem também as distorções de tensão nos barramentos de baixa tensão.

3.1. FATOR DE QUALIDADE

O fator de qualidade (Q) representa o grau de disparidade de determinado filtro para um filtro ideal. Define-se pela relação entre a reatância indutiva ou capacitiva e a resistência série do filtro, conforme equação (3.1) a seguir:

Equation Section (Next)

(3.1) C L X X Q n R nR  

Quanto maior o fator de qualidade do filtro, melhor será seu efeito na filtragem da harmônica de interesse. Em aplicações práticas, tais filtros costumam apresentar Q maior que 10. (SIMONETTI)

Além de estabelecer os critérios para controle de harmônicas em sistemas elétricos, conforme exposto na seção 2.3.7.1, a IEEE 519 define o fator de qualidade como 2



vezes a razão entre a máxima energia armazenada e a energia dissipada por ciclo de uma determinada frequência.

3.2. FATOR DE DESSINTONIA

O fator de sintonização ( ) é utilizado para avaliar o grau de dessintonização do filtro, isto é, de quanto o filtro poderá operar fora da frequência nominal sintonizada. Na prática, os filtros não se encontram sempre sintonizados exatamente na frequência harmônica para a qual ele é projetado para suprimir.

Este fator inclui determinados efeitos que ocorrem comumente, tais como:

 Variações na frequência fundamental da fonte, que causam deslocamentos das frequências harmônicas na mesma proporção;  Variações na capacitância do capacitor e na indutância do reator do

filtro, causadas pelo envelhecimento e pela temperatura;

 Desvio de sintonia na montagem, causado pelas tolerâncias de fabricação dos reatores e capacitores.

A dessintonia total da frequência sintonizada nominal, calculada em p.u., é definida pela equação (3.2).

h h

 





  (3.2) Onde: h

Segundo (15), uma variação de 2% nos valores de L ou C causa a mesma dessintonização de uma variação de 1% na frequência do sistema. Deste modo,  é comumente expresso pela expressão (3.3):

1 2 n n n f L C f L C     _  _   (3.3) 3.3. TIPOS DE ASSOCIAÇÕES

Os filtros podem ser classificados pela posição na qual são dispostos no sistema elétrico. Existem dois métodos de acoplamento dos dispositivos:

3.3.1. Filtro série

O tipo de arranjo em série com o sistema é feito de forma a impedir a circulação de uma corrente harmônica entre a carga e o sistema elétrico. O filtro pode ser constituído por um indutor e capacitor em paralelo, representando uma grande impedância para a frequência na qual se deseja evitar.

Por ser ligado em série com o sistema, ele apresenta a desvantagem de ser dimensionado para suportar a corrente de plena carga do circuito e, por este motivo, apresenta um custo mais elevado. (3)

Neste trabalho será projetado o filtro de bloqueio associado em série, juntamente, com o filtro sintonizado associado em shunt, o qual será descrito na seção 3.3.2.

Figura 20 - Filtro Série

3.3.2. Filtro shunt

Filtros em derivação, originados pelo termo shunt, são ligados em paralelo com o sistema, propiciando um caminho de baixa impedância para as frequências harmônicas; evitando, deste modo, a sua penetração no restante do sistema. A topologia LC série, conforme a Figura 21, carrega somente a corrente harmônica para a qual ele é ajustado. Deste modo, trata-se do arranjo mais utilizado pela sua menor complexidade e menor custo (16) (17).

Figura 21 - Filtro Shunt LC Série Ideal

Fonte: Autor, 2013.

Outra vantagem dos filtros shunt sobre os filtros série recai sobre o fato pelo qual os filtros shunt fornecem a potência reativa necessária para correção do fator de potência na frequência fundamental (15).

3.4. TIPOS DE FILTROS

Como elucidado na seção anterior, os filtros possuem uma grande importância quando a intenção é mitigar as harmônicas reconduzidas à concessionária.

Dentre as estratégias para a redução da distorção das ondas de tensão e corrente produzidas pelos componentes não lineares, empregam-se os filtros harmônicos como solução, os quais se segmentam em ativos ou passivos e são especificados em potência reativa e corrente, respectivamente.

A solução da escolha entre filtros ativos ou passivos dependerá fundamentalmente da aplicação relacionada à relação custo benefício da escolha.

Neste trabalho, utilizar-se-á a aplicação de filtros passivos para sistemas residenciais.

3.4.1. Filtros Ativos

De acordo com Renato Vinhal Nunes (18), a teoria do filtro ativo baseia-se na criação de um dispositivo que, a partir das medições de tensão e corrente na carga, injeta uma corrente na rede elétrica cujos harmônicos sejam de mesma amplitude dos harmônicos presentes na corrente de carga, mas com um defasamento de 180º. Dessa forma, o filtro injeta esses harmônicos na rede anulando os harmônicos da carga.

Os filtros ativos atuam como dispositivos capazes de promover a compensação reativa e são compostos por um inversor de corrente e um controlador. O controlador, a partir da medida dos valores instantâneos das tensões e correntes na carga, produz as correntes de compensação de referência para o inversor. O inversor, por sua vez, injeta as correntes de compensação requeridas pela carga de forma que as correntes nas fases da rede elétrica passam a ser senoidais e equilibradas.

Antigamente, a tecnologia de semicondutores, como tiristores, possibilitava a criação de tal dispositivo, porém, estes semicondutores eram caros e por essa razão a tecnologia de filtros ativos não conseguiria entrar no mercado de forma competitiva. Na última década, com os avanços tecnológicos na área de semicondutores e a diminuição do preço do silício, o preço dos semicondutores reduziu bastante. Além disso, novos dispositivos com melhor suportabilidade à tensão como IGBTs, GTOs e IGCTs ganharam espaço no mercado. Com isso, os filtros ativos vêm se tornando cada vez mais atrativos.

A vantagem da aplicação dos filtros ativos deve-se ao fato de não promoverem ressonância com o sistema no qual são inseridos. Entretanto, a principal desvantagem da utilização dessa tecnologia recai sobre os altos custos de implementação e custos de manutenção. Tais custos são enormemente superiores aos obtidos com a filtragem passiva (19) (20).

3.4.2. Filtros Passivos

Constituídos apenas por elementos passivos, ou seja, componentes que não requerem uma fonte de energia para desempenhar suas funções, a partir da associação de resistores, capacitores e indutores, os filtros passivos têm o propósito de reduzir a distorção das ondas de tensão e corrente produzidas pelos componentes não lineares da rede elétrica.

Os filtros passivos são dispostos entre a fase e o neutro, paralelamente à carga, no Ponto de Acoplamento Comum (Point of Common Coupling – PCC) do sistema e dimensionados para sintonizarem nas frequências harmônicas, de modo a limitar a distorção de tensão presente numa rede (16).

Comumente, a filtragem de harmônicas prejudiciais ao sistema é feita a partir da adição de filtros sintonizados nas frequências de maior relevância e, a partir da próxima componente de maior interferência, insere-se um filtro passa-alta para atenuação das demais harmônicas.

Figura 22 - Estrutura típica de um filtro passivo

A implementação de filtros passivos provê algumas vantagens ao circuito eletrônico, tais como:

 Robustez;

 Dispensabilidade de fonte de alimentação;  Alta confiabilidade;

 Insensibilidade à surtos;

 Ausência de elementos ativos.

Em contrapartida, as seguintes desvantagens são proporcionadas pela aplicação de tais componentes:

 Apresentam peso e volume elevados, quando comparados à soluções de filtros ativos;

 Afetam as formas de onda na frequência fundamental;

 Alguns circuitos não podem operar em uma larga faixa de tensão de entrada (90 a 240V);

 Não possibilitam regulação da tensão;  Não são indicados para baixas frequências;  Apresentam resposta dinâmica ruim;

 Podem produzir ressonância;  Seu dimensionamento é complexo.

3.4.2.1. Filtros sintonizados

O funcionamento desses dispositivos baseia-se na redução da impedância na frequência de interesse, estabelecendo um caminho local de menor oposição às correntes harmônicas indesejadas, sintonizados em uma frequência de ressonância característica. Os filtros sintonizados shunt são projetados de forma que atuem como um curto-circuito para a harmônica em questão, graças ao baixo valor da reatância de comutação do dispositivo.

Na frequência da rede, os diferentes filtros apresentam uma reatância capacitiva, de modo que contribuem para a correção do fator de potência (na

frequência fundamental), supondo que a carga alimentada seja de característica indutiva.

De acordo com (21), os filtros não devem ser sintonizados exatamente nas frequências harmônicas, uma vez que componentes elevadas de correntes possam surgir em detrimento de uma possível distorção de tensão. Indica-se a sintonização dos dispositivos em uma frequência 6% abaixo da frequência da harmônica.

Na frequência de sintonia, a impedância de um filtro sintonizado se resume à resistência do filtro, todavia, para as demais frequências, o filtro apresenta alta impedância. Para frequências inferiores à frequência de sintonia, o filtro tende a ser capacitivo, comportamento este que passa a ser indutivo para frequências superiores à frequência de sintonia.

O circuito RLC série indicado na Figura 23 apresenta uma impedância Z para a frequência de sintonia

f

n, conforme as equações (3.4 e 3.5) a seguir.

Figura 23 - Modelo de filtro sintonizado

Fonte: Autor, 2013.

1

2

n

f

LC







(3.4) Onde: n

f

- Frequência de sintonia;

L

- Indutância do filtro; C - Capacitância do filtro.

Assim, tem-se que: 1 Z R j L C





    _  _   (3.5) Onde:

Z - Impedância complexa do filtro passivo RLC série;



- Frequência angular do sinal elétrico sobre ele aplicado.

Utiliza-se o Diagrama de Bode como a ferramenta visual mais utilizada na análise da resposta em frequência.

Figura 24 - Diagrama de Bode da impedância do filtro

Fonte: Autor, 2013.

De acordo com a Figura 24 anteriormente exposta, elucida-se que o filtro fornece um percurso de baixa impedância para a frequência de sintonia e uma alta impedância para as demais frequências. Sumariamente, os dispositivos são projetados para tolerar a passagem de determinada componente harmônica de corrente, adicionada a uma parcela da corrente fundamental.

Os filtros sintonizados são largamente utilizados para a amenização das harmônicas de baixas ordens, tendo sua aplicação indicada até diferentes limites de ordens harmônicas (22) (23) (24). Tal fato deve-se ao alto custo envolvido na

aplicação de filtros sintonizados para todas as harmônicas características, razão que, em termos econômicos, inviabilizaria o projeto.

3.4.2.2. Filtros passa-alta

Também denominados de filtros amortecidos, os filtros passa-alta apresentam capacitores e resistores em série combinados em paralelo com um reator, de modo a reduzir o fator de qualidade do filtro, que por sua vez, atenua as frequências mais altas, conforme modelo apresentado na Figura 25, se opondo à corrente fornecida com baixa impedância.

Figura 25 - Resposta em frequência do filtro passa-alta

Fonte: http://www.faccamp.br/apoio/JoseCarlosVotorino/princ_com/AulassobreFiltrosdesinais.pdf.

As frequências são consideradas altas ou baixas quando estão acima ou abaixo da frequência de corte, definida como a frequência na qual a potência média de saída é a metade da potência de entrada.

A seguir, na Figura 26, exemplifica-se um filtro passa-alta.

Figura 26 - Circuito de um filtro passa-alta

Normalmente, costuma-se empregar filtros passa-alta de segunda ordem sintonizados na frequência da ordem imediatamente superior à última componente filtrada (24). A solução de utilizar-se um único filtro passa-alta para a eliminação de todas as harmônicas não se trata de uma alternativa atrativa, uma vez que o custo do capacitor designado seria expressivo, bem como a eficiência na filtragem das frequências dos extremos da curva de resposta do filtro diminuiria.

Para que a atenuação desejável envolva apenas as frequências acima da frequência de ressonância, deve-se adicionar um resistor em paralelo com o indutor do filtro (25).

De maneira geral, obtém-se tal atenuação a partir de um fator de qualidade relativamente baixo, entre 0,5 e 2,5, obtido através da equação (3.6).

(3.6)

De maneira adversa aos filtros passa-alta, têm-se os filtros designados por passa-baixa, nos quais suprimem a resposta em frequência a partir de uma dada frequência de corte.

3.4.2.3. Filtros passa-banda

Os filtros passa-banda, também conhecidos como filtros passa-faixa, podem ser construídos pela associação de capacitores em série com resistores e indutores. Estruturas desse tipo permitem a passagem de frequências de certa faixa e rejeitam as frequências fora desta, conforme modelo exposto na Figura 27 a seguir.

Figura 27 - Resposta em frequência do filtro passa-banda

Fonte:http://www.faccamp.br/apoio/JoseCarlosVotorino/princ_com/AulassobreFiltrosdesinais.pdf

Q= R

Um dispositivo ideal apresentaria uma banda passante plana, sem atenuação das frequências compreendidas fora da banda, efeito chamado de roll-off do filtro. A seguir, na Figura 28, apresenta-se um exemplo de filtro passa-banda.

Figura 28 - Filtro passa-banda

Fonte: Autor, 2013.

Os filtros passa-banda baseiam-se no fenômeno da ressonância presentes nos circuitos LC, nos quais apresentam, em determinada frequência, reatâncias capacitiva e indutiva de iguais valores. Tal frequência é denominada frequência ressonante, proporcionando ganho máximo e impedância mínima ao circuito (26).

De maneira oposta à atuação dos filtros passa-banda, tem-se os filtros rejeita-banda, pelos quais apresentam espectro oposto aos supracitados, já que são configurados para atenuar determinada faixa de frequência.

3.4.2.4. Filtros de bloqueio

Os filtros de bloqueio possuem características de funcionamento duais às do filtro shunt sintonizado. À medida que o filtro shunt visa obter um caminho de baixa impedância à passagem das correntes harmônicas de uma dada frequência de sintonia, o filtro de bloqueio é inserido em série com o alimentador (transformador) de modo a obter uma alta impedância série à passagem das mesmas.

Por este motivo, tais filtros foram denominados de filtros de bloqueio, pois seu objetivo principal é dificultar a circulação de correntes de mesma frequência que a frequência de ressonância do filtro (17).

Estudos realizados recentemente demonstraram a eficácia de se utilizar uma célula de filtragem, composta de filtro shunt e filtro de bloqueio, na filtragem passiva da 3° harmônica (17).

Diversas topologias de filtro de bloqueio são apresentadas e discutidas em (17). No presente trabalho, as atenções estão voltadas à filtragem passiva da 3° harmônica de corrente (harmônicas triplens). Por conta disso, serão abordados conceitos relativos ao emprego do filtro de bloqueio paralelo de neutro, devido a suas vantagens em relação às diversas topologias de filtro de bloqueio existentes.

A topologia do filtro de bloqueio paralelo de neutro é apresentada na Figura 29.

Figura 29 - Filtro de Bloqueio Paralelo de Neutro Ideal

Fonte: Autor, 2013.

Esta topologia possui os elementos L e C conectados em paralelo entre si e inseridos em série com o condutor que interliga o ponto neutro das cargas N’ ao neutro do transformador alimentador, 𝑁𝑇.

4. PROJETO DOS FILTROS DE 3ª HARMÔNICA

A partir dos conceitos abordados anteriormente, relativos à caracterização da rede elétrica, bem como de potência, objetiva-se neste capítulo apresentar e caracterizar o sistema elétrico para uma unidade consumidora da classe comercial (até 1kV), a fim de verificar e quantificar a presença de componentes harmônicas, fator de distorção e de deslocamento.

Desta forma, será criado um modelo que represente a carga equivalente do sistema analisado, por meio dos resultados obtidos, de modo que possibilite a implementação da filtragem passiva e assim, atingir aos objetivos desejados, como a redução das componentes de 3ª harmônica de corrente para valores aceitáveis, com base nos índices recomendados pela IEEE 519–1992, assim como a atenuação dos seus efeitos negativos no sistema elétrico de distribuição e, adicionalmente, a correção do fator de deslocamento, visando uma maior eficiência e aproveitamento da instalação de um modo geral.

Nesse sentido, a utilização da filtragem passiva abrangerá a minimização dos pontos negativos que o método traz, tais como o peso e volume expressivos dos componentes e a ocorrência de ressonância no sistema.

No documento Análise e projeto de filtros passivos para mitigação de harmônicas em sistemas residenciais (páginas 49-66)