3.1 Medição de Harmônicos
As medições são essenciais para a identificação de componentes harmônicos em sistemas elétricos.
Mede-se normalmente tensão e corrente em vários pontos do sistema, o que possibilita a análise de harmônicos, servindo também como ponto de partida para a aferição dos métodos e modelos utilizados nas simulações.
A realização de medições é necessária mesmo quando as cargas especiais presentes em um sistema elétrico deveriam, teoricamente, apresentar ordens e níveis de harmônicos definidos em projeto.
Observa-se que, em situações reais as fontes de harmônicos podem funcionar de forma desequilibrada, apresentando níveis e ordens harmônicas não características.
Este desequilíbrio pode ser função da característica da carga especial ou da interação do sistema elétrico poluído de harmônicos, com a própria fonte de harmônicos.
A realização de medições deve ser cuidadosamente realizada para garantir uma reprodução fiel das grandezas a serem medidas. A garantia de que uma medição reproduza a realidade é conseguida após um planejamento prévio, onde são definidos alguns pontos importantes como a decisão sobre a utilização da análise estatística.
A medição de tensão e corrente à freqüência fundamental não apresenta desafios para os instrumentos utilizados atualmente, mas quando se deseja medir estas grandezas elétricas para analisar sua composição harmônica, ou seja, à freqüência fundamental e múltiplos, é importante que a instrumentação utilizada seja capaz de reproduzir com fidelidade tensões e correntes em todas a faixa de freqüência de interesse.
Os principais tipos e sistemas de medida estão descritos a seguir, sendo realizados comentários sobre as suas respectivas aplicações.
3.1.1 Multímetros Digitais
Em uma primeira instância de análise, o multímetro digital (Figura 3.1) pode fornecer informações úteis sobre o que está ocorrendo na rede de alimentação.
Figura 3.1: Multímetro Digital
Com esse instrumento, porém, apenas três tipos de problemas podem ser detectados: subtensões, sobretensões, e desbalanceamento. O desbalanceamento medido pode ser entre:
• Fase e terra.
• Fase e neutro.
• Neutro e terra.
• Fases (sistema trifásico).
• Corrente de neutro.
Talvez essas informações sejam suficientes para chegar-se a um diagnóstico, ou talvez não. De um modo ou de outro temos que ter um cuidado: a características de operação do multímetro. A maioria desses é calibrada para fornecer valores eficazes (RMS), porém, através de diferentes métodos.
O primeiro deles é o método de medição por pico, onde o instrumento lê o pico do sinal e divide por 1,414 ( 2 ) para obter o valor RMS.
O segundo é o método referencial, onde o instrumento retifica o sinal, e multiplica o resultado da tensão por uma constante K = 1,1. Esse valor é usado para todas as formas de onda.
O terceiro, e mais eficiente, é o multímetro true RMS, que divide o sinal em amostras, período por período, e, então, extrai a raiz quadrada do resultado.
3.1.2 Osciloscópios
O osciloscópio tem um “poder de fogo” maior que o multímetro na análise da rede elétrica, uma vez que o próprio sinal pode ser visualizado na tela, e proporciona o que de fato está ocorrendo com a forma-de-onda.
Alguns osciloscópios digitais (Figura 3.2), podem armazenar e imprimir via PC a forma de onda para uma melhor análise.
Figura 3.2: Osciloscópio Digital
A limitação do osciloscópio no monitoramento da rede, entretanto, é que ele é capaz de realizar medidas apenas no domínio do tempo.
3.1.3 Analisadores de Energia
Esse instrumento é capaz de medir variações de distúrbios desde muito pequenos (nanossegundos) a muito longos (vários dias), bem como registrar as ocorrências e imprimi-las em papel ou qualquer mídia para PC.
Basicamente podemos encontrar dois tipos no mercado de analisadores: convencional e análise gráfica.
O primeiro deles pode apresentar apenas um resumo das principais ocorrências, tais como: queda de tensão temporária (sags), elevação de tensão (swell), transientes (distúrbio na curva senoidal, resultando em rápido e agudo aumento de tensão), harmônicos, fator de potência etc. Porém, devido ao pequeno número de amostras, muitos distúrbios podem ocorrer sem serem detectados, visto que este tipo de instrumento analisa a rede em intervalos de tempo. Caso o fenômeno ocorra entre os tempos das amostras, ele não será detectado.
O analisador gráfico (Figura 3.3) funciona de modo diferente, e monitora a rede em tempo real (sem intervalo). Claro que seu hardware (rapidez de processamento, e espaços de memória) é mais complexo que o primeiro tipo.
3.1.4 Analisadores de Espectro
Os analisadores de espectro permitem avaliar os harmônicos, realizar a análise espectral, da distorção total (DHT), porcentagem da fundamental (ou RMS) para cada harmônico individual.
O Analisador Espectral (Figura 3.4), é um equipamento de medição cuja utilização principal está na determinação do conteúdo harmônico de tensões ou correntes elétricas distorcidas. A tensão ou corrente, na forma de um sinal analógico é transformada em pontos digitalizados que são armazenados em memória RAM. Estes pontos são extraídos de um ciclo da freqüência fundamental e permitem a identificação discreta da onda analisada com grande precisão. A onda armazenada é então processada através da técnica FFT - Fast Fourier Transform, utilizando software implementado em microprocessador.
Figura 3.4: Analisador Espectral
Os resultados, correspondentes as componentes harmônicas até a 50ª ordem e outras informações relevantes ao tipo de análise, são obtidos com grande precisão e impressos em relatório de saída. Para a impressão pode-se utilizar uma mini-impressora alfanumérica cuja impressão pode ser feita em papel comum. Quanto ao sinal amostrado,
este pode ser único (correspondendo a um ciclo arbitrário de acordo com o comando do operador) ou pode ser repetitivo, em período pré-programado.
Os equipamentos, em sua versão básica, possuem as seguintes características:
• Tensão de Entrada: 66 e 115 ( VAC);
• Corrente de Entrada: ao equipamento encontra-se incorporado um derivador (shunt) resistivo permitindo uma análise na base de corrente de 5A (CA);
• Freqüência Fundamental da Rede: entre 42 Hz e 70 Hz;
• Medições Harmônicas: até 50ª componentes, em múltiplos da freqüência fundamental;
• Medição de Distorção Total;
• Medição do Sinal Fundamental;
• Impressão do Resultado: realizada por uma mini-impressora alfanumérica.
3.1.5 Detetor Direcional de Fluxo de Harmônicos
É um instrumento destinado a identificar o sentido predominante da injeção harmônica, ou seja, se o componente harmônico dominante tem sua origem no sistema alimentador ou se a mesma é gerada pelo consumidor.
O uso do detetor direcional de fluxo de harmônicos fará com que se evite equívocos quando da determinação da fonte principal geradora de harmônicos em PAC, onde poderão existir vários consumidores possuidores de cargas de alta potência e de características não-lineares.
3.2 Métodos de Simulação de Harmônicos
Existem dois grandes métodos para a simulação de penetração de harmônicos:
a) Simulação no domínio do tempo; b) Simulação no domínio da freqüência.
As simulações no domínio do tempo são conseguidas através da integração numérica de uma série de equações algébrico-diferenciais lineares e não-lineares que descrevem o sistema. As simulações permitem analisar o comportamento do sistema em condições de instabilidades harmônicas, não linearidade, e regimes transitórios, além das soluções para regime estacionário.
No domínio da freqüência, os métodos se dividem em métodos lineares e não- lineares.
Os métodos não-lineares se caracterizam pela abordagem da carga não-linear junto com o modelo linear do sistema elétrico, através de um processo iterativo que se repete até a convergência.
O método linear no domínio da freqüência, ou, Método de Injeção de Correntes, é utilizado sistematicamente em função de sua simplicidade e por ser o método mais largamente utilizado industrialmente e nas concessionárias de energia elétrica.
3.3 Comparação entre Medições e Simulações
A comparação dos resultados obtidos nas medições e simulações de harmônicos é de grande importância para o estudo de um sistema elétrico industrial. A comparação dos resultados permite a validação das medições, verificando se os valores estão de acordo com o que era esperado no planejamento das medições. O confronto também é importante para a validação das simulações, pois uma vez conseguida a coerência entre resultados, novos estudos e análises de situações futuras podem ser realizados sem a necessidade de se realizar novas medições. Durante o confronto, os modelos e até mesmo o método adotado,
podem ser modificados para garantir uma reprodução da realidade expressa pelas medições. Apesar das dificuldades de estabelecer-se coerência entre resultados, a comparação é importante, pois permite que se possa confiar na metodologia adotada nos estudos de harmônicas.
A partir de medições disponíveis e de dados de sistemas elétricos industriais, comparações entre medições e simulações são realizadas, permitindo algumas conclusões importantes e dando subsídios para estudos futuros. Além disso, o processo de validação deve considerar todas as limitações e simplificações adotados nas medições e simulações.
3.4 Quando um Estudo de Harmônicos se Faz Necessário
Para sistemas elétricos onde as seguintes situações são encontradas, um estudo de harmônicos se faz necessário:
• Aplicação de bancos de capacitores para sistemas em que 20% ou mais de carga total é compreendida por conversores ou outros equipamentos produtores de harmônicos;
• Histórico de problemas relacionados com harmônicos, inclusive queima excessiva de fusíveis de capacitores;
• Durante o estágio de projeto de uma instalação fabril composta por bancos de capacitores e equipamentos produtores de harmônicos;
• Requisitos restritivos da concessionária que limite a injeção de harmônicos no seu sistema elétrico, a pequenos valores;
• Expansão de instalações que acrescentem uma quantidade significativa de equipamentos produtores de harmônicos em conjunto com bancos de capacitores.
Ocasionalmente, quando os harmônicos parecem ser os causadores dos problemas no sistema, é desejável determinar o ponto de ressonância do sistema. Para determinar ponto de ressonância do sistema, é necessário conhecer a capacidade de curto-
circuito de cada ponto de aplicação dos bancos de capacitores. Uma boa aproximação para este ponto de ressonância paralela é dada pela equação 3.1:
MVAc MVAcc
Hr= (3.1) onde:
Hr: Ponto de ressonância em pu da freqüência fundamental. MVAcc: Capacidade de curto-circuito.
MVAc: Capacidade em MVAc do banco de capacitores não filtrado no local considerado.
Esta equação é muito útil para uma avaliação inicial. Se o ponto de ressonância está na proximidade de uma das freqüências harmônicas presentes na instalação, então problemas relacionados com harmônicas podem ocorrer.
Não é incomum encontrar um sistema onde é mais prático realizar medições harmônicas como um diagnóstico do que realizar um estudo detalhado de análise com grande consumo de tempo. Em outros casos, medições são realizadas para obter o espectro harmônico como dado de entrada para o qual o modelo matemático do sistema é confirmado, antes de realizar um estudo detalhado de harmônicos.
A fim de garantir que as medições harmônicas apresentem resultados confiáveis, considerações especiais devem ser realizadas sobre o equipamento e procedimentos de medição utilizados. Os resultados dos ensaios podem seguidamente apresentar a solução ou pelo menos identificar a causa do problema com harmônicos, de sorte que não seja necessário realizar o estudo ou este seja bastante facilitado.
CAPÍTULO IV
IV. SOLUÇÕES PARA OS PROBLEMAS DE HARMÔNICOS
4.1 Introdução
A primeira solução para qualquer problema relacionado com harmônicos é o deslocamento do ponto de ressonância do sistema para qualquer outra freqüência não produzida pelo equipamento elétrico do sistema do consumidor ou injetada pela concessionária.
As medidas mitigadoras envolvendo equipamentos adicionais geralmente empregados para minimizar os efeitos dos harmônicos incluem filtros L-C em derivação localizados juntos as fontes de harmônicos e sintonizados em séries na freqüência harmônica perturbadora. Esta situação fornece um caminho de baixa impedância para as correntes harmônicas fluírem com pequeno retorno para o resto do sistema CA. Entretanto, um filtro separado pode ser necessário para cada fonte harmônica de porte e, portanto pode ser economicamente proibitivo.
Em outros casos onde os capacitores para correção do fator de potência no sistema CA produzirem ressonância para os harmônicos gerados, a sua localização ou porte podem ser alterados para eliminar a ressonância, ou reatores série podem ser adicionados para dessintonizá-los na freqüência perturbadora de ressonância.
Existem basicamente três tipos de filtros que acompanharão o sistema de filtragem. Considerações econômicas bem como os requisitos para filtros particulares para cada caso, determinarão qual o sistema mais desejável. Seguidamente, os requisitos da concessionária para as correntes harmônicas injetadas no seu sistema ditarão o melhor esquema a ser usado.
4.2 Filtros Passivos
A solução clássica para a redução da contaminação harmônica em sistemas elétricos é o uso de filtros sintonizados (LC conectados em série) em derivação. Os filtros passivos são os mais baratos.
A estrutura típica de um filtro passivo de harmônicos de corrente é mostrado, na figura 4.1. As várias células LC série são sintonizadas nas freqüências que se deseja eliminar, o que, via de regra, são os harmônicos de ordem inferior. Para as freqüências mais elevadas é usado, em geral, um simples capacitor.
Figura 4.1: Filtro Passivo
4.2.1 Princípio de Funcionamento
Substituímos um circuito LC ajustado sobre cada freqüência harmônica a filtrar, em paralelo sobre o gerador de harmônicos. Este circuito de derivação absorve os harmônicos e evita que eles circulem na alimentação.
Em geral, o filtro passivo é ajustado sobre uma ordem de harmônico próximo do harmônico a eliminar. Várias ligações de filtros em paralelo podem ser utilizadas quando desejamos uma redução forte da taxa de distorção sobre várias ordens.
4.2.2 Aplicações Típicas
• Instalações industriais com um conjunto de geradores de harmônicos de potência total superior a 200 kVA (inversores de freqüência, alimentações sem interrupções, retificadores,...);
• Instalação apresentando uma necessidade de compensação de energia reativa;
• Necessidade de redução da taxa de distorção em tensão para evitar a perturbação de receptores sensíveis;
• Necessidade de redução da taxa de distorção em corrente para evitar as sobrecargas.
4.3 Filtros Ativos
Filtragem ativa de uma carga única, ou um conjunto delas é uma opção a fazer- se a correção do fator de potência no estágio de entrada de cada equipamento, utilizado os chamados pré-reguladores de fator de potência.
O objetivo da filtragem da corrente é obter uma forma de onda que siga a forma da tensão, ou seja, que o conjunto carga + filtro represente uma carga resistiva, maximizando o fator de potência, o que vale dizer, minimizando a corrente eficaz absorvida da fonte, mantida a potência ativa da carga.
4.3.1 Princípio de Funcionamento
Filtros ativos (figura 4.2) são sistemas eletrônicos de potência instalados em série ou em paralelo com a carga não-linear, visando a compensar seja as tensões harmônicas, seja as correntes harmônicas geradas pela carga.
Figura 4.2: Filtro Ativo
4.3.2 Aplicações Típicas
• Instalações comerciais com geradores de harmônicos de potência total inferior a 200 kVA (inversores de freqüência, alimentações sem interrupções,...);
• Necessidade de redução da taxa de distorção em corrente para evitar as sobrecargas.
4.4 Filtros Híbridos
A fim de reduzir a potência a ser manobrada pelo filtro ativo é possível utilizá- lo em associação com filtros passivos, de maneira que a parte ativa deve atuar apenas sobre as componentes não corrigidas pelo filtro passivo.
4.4.1 Princípio de Funcionamento
Os dois tipos de dispositivos anteriores podem ser associados a um mesmo equipamento e constituir um filtro híbrido figura 4.3. Esta nova solução de filtragem permite acumular as vantagens das soluções existentes e de cobrir um largo domínio de potência e de performances.
Figura 4.3: Filtro Híbrido
4.4.2 Aplicações Típicas
• Instalações industriais com um conjunto de geradores de harmônicos de potência total superior a 200 kVA (inversores de freqüência, alimentações sem interrupções,...);
• Instalação apresentando uma necessidade de compensação de energia reativa;
• Necessidade de redução da taxa de distorção em tensão para evitar a perturbação de receptores sensíveis;
CAPÍTULO V