Poluição Harmónica

Durante algumas décadas, a grande maioria dos equipamentos que se encontravam ligados às redes de energia elétrica, resumiam-se a cargas lineares. Por esta razão, e uma vez que as tensões de alimentação eram puramente sinusoidais, as corrente consumidas eram igualmente sinusoidais e da mesma frequência, existindo apenas haver um desfasamento relativamente à tensão.

Com o desenvolvimento da eletrónica, nomeadamente da eletrónica de potência, surgiu uma evolução nos equipamentos ligados aos sistemas elétricos, como é o caso das lâmpadas fluorescentes, computadores, servidores, unidades de ar condicionado, variadores de velocidade, retificadores estáticos, fornos micro-ondas, TV, entre outras, e que levou a uma melhoria nestes equipamentos em termos de rendimento, controlabilidade e custo. Contudo, estes equipamentos não funcionam como cargas lineares, consumindo correntes não-sinusoidais, e dessa forma provocando a poluição da rede elétrica com o aparecimento de harmónicos.

O aparecimento de harmónicos nas redes origina um aumento das perdas relacionadas com o transporte e distribuição de energia elétrica, problemas de interferências com sistemas de comunicação e na degradação do funcionamento da maior parte dos equipamentos ligados à rede, com principal destaque para aqueles que são mais sensíveis por incluírem sistemas de controlo microeletrónicos que operam com níveis de energia muito baixos (Martins, 2003). As formas de onda não-sinusoidal, que surgem nos sistemas elétricos podem ser decompostas numa onda (sinusoidal) fundamental e num número de componentes harmónicas de ordem par e ímpar. Num sistema de elétrico, o ideal é que todas as ondas de tensões e correntes sejam sinusoidais e com uma única frequência (50 Hz). Porém, nos sistemas de distribuição pública atuais, as tensões e correntes existentes não são puramente sinusoidais, embora em regime permanente sejam periódicas f (t+T) = f (t). Estas funções repetitivas podem ser vistas como uma série de componentes, denominados de harmónicos, cujas frequências são inteiros múltiplos da frequência do sistema elétrico (50 Hz). Tendo em conta este sistema, a segunda harmónica será de 100 Hz, e assim sucessivamente (Skvarenina, 2002).

Num sistema trifásico, estão basicamente presentes harmónicos ímpares. Considerando um sistema equilibrado à frequência fundamental (50 Hz), as correntes anulam-se no neutro. Os harmónicos de ordem 2 (100 Hz) das correntes de fase têm um desfasamento de 120º entre si, pelo que se anulam no neutro, acontecendo o mesmo com todos os harmónicos de ordem par das correntes que não sejam simultaneamente triplos. Os harmónicos de ordem 3 (150 Hz) das correntes são iguais e estão em fase, aparecendo sobrepostos, logo são somadas no neutro. A corrente no neutro é então a soma das três correntes nas linhas devido ao terceiro harmónico. O mesmo acontece com todos os harmónicos de ordem ímpar, que sejam múltiplos de três (9º, 15º, …). Nos demais casos de harmónicos de ordem impar (5º, 7º, …) as correntes têm a mesma intensidade nas linhas, mas não estão em fase, o que leva a que no neutro sejam maiores do que a corrente numa linha e inferiores ao triplo da corrente em cada uma das linhas (Skvarenina, 2002).

A forma de onda da tensão ou da intensidade de corrente num dado ponto de uma instalação elétrica pode ter o aspeto do sinal T representado na figura 2.1. Observando essa situação, verifica-se que o sinal T corresponde à soma ponto a ponto dos sinais 1 e 5, formados por senoides perfeitas de amplitudes e frequências diferentes, designadas por harmónicas.

2.3.1. Distorção Harmónica Total (DHT)

Como os harmónicos (ou componentes harmónicas) causam problemas na qualidade da energia elétrica, é necessária a sua regulamentação através de normas que possam assegurar o nível máximo de harmónicos permitidos. Para tal, é necessário que sejam utilizados indicadores para se proceder à sua quantificação e análise dos efeitos das componentes harmónicas.

A DHT é o indicador mais utilizado para quantificar as componentes harmónicas, sendo adotado como parâmetro pelas principais referências a nível mundial na área da qualidade de energia elétrica. A norma EN 50160 indica os limites ou valores característicos da tensão que um cliente tem o direito de esperar, sendo definido na norma as várias grandezas, nomeadamente a DHT, em valor percentual, que é igual à raiz quadrada do somatório dos quadrados das diversas componentes em percentagem da fundamental, tal como apresentado na equação: 2 2 1 h h U DHT U   



O termo U_h corresponde à tensão harmónica para a qual “h” é a ordem do harmónico. De acordo com a referida norma, a distorção harmónica total da tensão de alimentação (incluindo os harmónicos até à ordem 40) não deve ultrapassar os 8% (NP EN 50160, 2010).

É importante entender que a DHT pode ser calculada para corrente ou tensão e que só por si não é uma informação completa, uma vez que o seu valor apenas não é suficiente para quantificar a influência das componentes harmónicas presentes no local de medição do sistema. É necessário analisar o valor da DHT e o valor da amplitude da tensão ou corrente para se avaliar as distorções e os efeitos das componentes harmónicas naquele local.

2.3.2. Filtros de Compensação

Quando os requisitos estipulados pela norma NP EN 50160:2010, para os limites da DHT não estão a ser cumpridos numa determinada instalação elétrica torna-se necessária a implementação de medidas que visem a redução dos valores da DHT. Estes valores estão diretamente relacionados e dependentes da redução ou eliminação das correntes harmónicas predominantes na instalação elétrica. Com o objetivo de controlar essas componentes harmónicas indesejadas, existem atualmente diversas soluções, das quais se destacam, de uma forma genérica, os filtros de compensação passiva e os filtros de compensação ativa.

A instalação de filtros passivos, de cabos de média secção em paralelo e a ligação das cargas poluidoras a um transformador de isolamento, embora de difícil implementação, seriam as melhores soluções para o problema. Este tipo de soluções é específico da instalação existente, o que significa que a supressão ou instalação de um novo equipamento pode anular o investimento inicial.

A instalação de filtros de compensação ativa são atualmente a melhor forma conhecida para a neutralização dos efeitos da poluição harmónica. Estes filtros correspondem a sistemas eletrónicos de potência que podem ser instalados em série ou em paralelo com as cargas não-lineares, visando a compensação quer seja das componentes harmónicas de tensão, quer seja das componentes harmónicas da corrente produzidas pela carga.

Os filtros ativos, que geralmente utilizam transístores IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) no módulo de potência, são geralmente projetados para cobrir uma faixa do espectro harmónico (tipicamente de h2 a h25, isto é, da 2.ª à 25.ª harmónicas), são

relativamente simples de instalar e podem ser conectados em qualquer ponto da instalação, com o objetivo de efetuar a compensação das harmónicas produzidas por uma ou várias cargas não-lineares. Assim, um filtro ativo pode ser localizado:

 Junto às cargas que geram grande quantidade de harmónicas;

 Junto aos quadros de distribuição, realizando uma compensação parcial das harmónicas;  Junto ao quadro geral da instalação, para prover uma compensação geral das correntes

harmónicas.

Idealmente, um filtro ativo deveria ser instalado no ponto de origem da geração da harmónica, no entanto, o local ideal para a localização dos condicionadores ativos deve ser identificado a partir de um levantamento completo dos níveis de poluição harmónica presentes na instalação e de um estudo técnico e económico que considere a influência da presença ou não das harmónicas num dado trecho da instalação (Moreno, 2001).