MEEC - Qualidade de Energia1 Qualidade de Energia Harmónicas Humberto Jorge Mestrado em Engenharia...

MEEC - Qualidade de Energia 1

Qualidade de Energia Harmónicas

Humberto Jorge

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores


Introdução

• Causas principais da sua ocorrência

• Distorção harmónica total

• Caracterização de cargas não lineares típicas

• Implicações da presença de harmónicas

• Metodologias para análise de regimes harmónicos


Tensões harmónicas

• Tensão sinusoidal cuja frequência é um múltiplo inteiro da frequência fundamental da tensão.– A deformação na forma de onda da tensão é originada

pela circulação de correntes absorvidas por certos equipamentos

– As cargas não lineares crescem todos os dias e já existem sectores onde a percentagem já se aproxima dos 100%.


Factor de PotênciaPara a fundamental mantêm-se válidas as habituais simplificações para análise de SE

S

PFP cos

222

sin

cos

QPS

SQ

SP

dtdW

P

VS rms

.Irms


Factor de Potência

1

1

131

cosSP

IVP

FPrmsrms

Em caso de distorção

kkkk

rmsrms

rmsrms

sinIVQ

IVP

IVS

111

131

cos

• P pouco afectada pela distorção harmónica• S e Q muito afectadas pela distorção harmónica

– Q1 utilizado para compensar cos

2222 DQPS


Distorção total harmónica

)(

2)(

2)(3

2)(2 ...

100(%)RMStotal

RMSnRMSRMS

I

IIITHD

Itotal(RMS) - Valor eficaz da da soma de todas as currentes incluindo a fundamental

In - Corrente harmónica de ordem n


Conteúdo harmónico crescente

• A utilização intensiva de cargas não lineares é generalizada nas instalações modernas.

• Um edifício de escritórios ou comércio apresenta hoje em dia mais de 60% de cargas não lineares. Em muitas indústrias as cargas não lineares representam mais de 45% da carga total

• As cargas não lineares geram harmónicas de corrente.


Conteúdo harmónico crescente

• O grande crescimento do sector dos serviços e a galopante transformação tecnológica estão na base dos problemas dos harmónicos

• A distorção harmónica total (THD) da tensão está a crescer a uma taxa de 1% em cada 10 anos– A harmónica mais significativa é a quinta;

– A primeira causa da distorção harmónica surge da produção maciça de equipamentos não lineares ligados à rede pública de baixa tensão


Harmónicas de corrente num sistema trifásicoSistema sem harmónicas

IR

IS

IT

0III TSR


Harmónicas impares múltiplos de 3 (3ª, 9ª, 15ª ...)

• Evidenciam a importância de um bom sistema de terras das instalações (sobretudo nos sistema TN)


Harmónicas de corrente Presença da 3ª harmónica

Qual é o conteúdo harmónico da corrente nesta linha?


Harmónica impares múltiplos de 3

• Evidenciam a importância do tipo de transformadores trifásicos utilizados


Harmónicas de corrente Impacto nas instalações

R

S

T

N

A presença de harmónicas múltiplas de 3 conduz-nos a uma corrente no neutro muito superior à esperada, e em muitos casos superior à corrente nas fases. Especial cuidado merecem aplicações com cabos longos onde L é relevante porque neste caso a queda de tensão na reactância pode assumir valores significativos

Quando estamos na presença de regimes TN o problema pode ter outras implicações pela circulação em regime permanente de correntes elevadas nos condutores de protecção, destruindo as equipotencialidades e provocando aquecimentos não esperados


Harmónicas de corrente Presença da 3ª harmónica

Representação da fundamental e da terceira harmónica


Presença da 3ª harmónica

Para uma taxa de distorção harmónica THD I* maior que 38% a corrente no neutro > corrente nas fases

* A taxa de distorção harmónica resultantes das harmónicas múltiplas de 3 > 38%


Harmónicas de corrente&

Harmónicas de tensão• A forma de onda da corrente depende da

carga

• Como é que se formam as harmónicas de tensão?


Harmónicas de tensão

Carga não linear

I

Z

Z

Z

Para a harmónica de ordem n ...... Un = ZnIn


Impacto nos transformadores

• Se o transformador está dimensionado em função da potência aparente, a presença de harmónicas resulta num valor eficaz superior ao nominal

• As correntes de Foucault que resultam da magnetização do transformador originam perdas que são proporcionais ao quadrado da frequência

• As harmónicas de tensão originam ainda perdas suplementares entre duas lâminas consecutivas


Impacto nos motores

• As harmónicas de tensão originam perdas suplementares (devido às correntes de Foulcaut) que diminuem a eficiência dos motores.

• As harmónicas de tensão induzem harmónicas de corrente nos rotores dos motores que produzem binários pulsantes responsáveis por vibração das máquinas


Impacto nos condensadores

• A presença de harmónicas de tensão faz circular nos circuitos com condensadores correntes superiores à corrente nominal porque

• Não deve ser desprezado o efeito amplificador que os circuitos ressonantes LC têm muitas vezes.

fC2

1XC


Exemplo prático – Fábrica de pasta de papel

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Com bateria de condensadores para correcção do factor de potência

Conteúdo harmónico da tensão nas mesmas condições de carga

Sem bateria de condensadores para correcção do factor de potência


Impacto nos sistemas informáticos

• A presença de harmónicas de tensão aumenta os erros na transmissão de dados, reduzindo as velocidade de comunicação. Na indústria os sinais de processo são afectados, originando medidas erradas e perturbando os sistemas de controlo de processo

• Os efeitos das harmónicas de tensão sobre equipamentos que usam a rede como sinal de sincronismo (por exemplo soft starters) levam a perturbações que muitas vezes originam o reset do sistema


• Sobreaquecimento dos cabos e transformadores

• Destruição de condensadores

• Binários oscilatórios

• Saturação de transformadores

• Diminuição da precisão dos aparelhos de medição

• Mau funcionamento de equipamentos electrónicos

que utilizem a tensão como referência

Impactos da poluição harmónica


• Transformadores - sobreaquecimento, ressonância entre a sua indutância e as capacidades do sistema, saturação, vibrações nos enrolamentos e desgaste do isolamento entre lâminas

• Máquinas rotativas - sobreaquecimento, vibrações, binários pulsantes, etc.

• Rectificadores e reguladores de tensão - múltipla detecção de cruzamento, valores elevados de dV/dt que podem levar ao disparo indevido de tiristores, etc.

• Relés de protecção - operações indevidas ou até mesmo impedimento da operação dos mesmos

HARMÓNICAS - CONSEQUÊNCIAS


• Disjuntores e fusíveis - perturbação das suas características de interrupção

• Aparelhos de medida - diminuição da precisão

• Condensadores - aumento da sua dissipação térmica e deterioração do seu dieléctrico

• Condutores - sobreaquecimento em condutores de neutro

• Telefones - a proximidade entre linhas telefónicas e condutores eléctricos propiciam a indução de ruído nos canais telefónicos

• Equipamentos e instrumentos electrónicos - mau funcionamento

HARMÓNICAS - CONSEQUÊNCIAS


Procedimentos para diminuir os impactos dos harmónicos elevados

• Identificar as fontes de perturbação– O problema está nas harmónicas de corrente ou

tensão?– Que equipamentos geram conteúdos

harmónicos de corrente elevados?



• Alteração da impedância a montante – Impedir que as harmónicas de corrente gerem harmónicas de tensão• Determinar as harmónicas de tensão em diferentes

pontos da instalação

• Redimensionamento das reservas dos transformadores

• Redesenhar os sistemas de alimentação

• Separação de cargas poluentes das não poluentes

• Equipotencializar as malhas de protecção



• Utilização de filtros passivos – A utilizar quando fenómenos ressonantes amplificam os conteúdos harmónicos de tensão– O cálculo teórico do filtro é indispensável

– O resultado é fortemente dependente do local onde se coloca o filtro

– É uma solução económica e pode ser executada rapidamente



• Utilização de filtros activos – A utilizar quando se pretende localmente anular as harmónicas de corrente– O filtro é dimensionado para uma carga – aumentar as

cargas anula a eficácia do filtro

– É uma solução de elevado custo que só resolve um problema local

– A montagem é simples e produz resultados imediatos


Domésticas Industriais Serviços

Iluminação Locomotivas eléctricas Iluminação

Televisores Electroquímica Computadores

Microondas Fornos de arco UPS

Países desenvolvidos - Cargas não lineares com peso acima dos 50%.

CARGAS NÃO LINEARES


0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 500 1000 1500 2000 2500

frequência (Hz)

(A)

Monitorização de Lâmpadas Fluorescentes

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

tempo (s)

I (A)


0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 500 1000 1500 2000 2500

frequência (Hz)

(A)

Televisor

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

tempo (s)

I (A)


0

1

2

3

4

5

6

7

0 500 1000 1500 2000 2500

frequência (Hz)

(A)

Forno Microondas

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

tempo (s)

I (A)


LOCOMOTIVA A TIRISTORESTENSÃO 25 kV

010

2030

405060

7080

90100

50 150 250 350 450 550 650 750

I


ELECTROQUÍMICA COM COMPENSAÇÃO REACTIVATENSÃO 15 kV

010

2030

4050

6070

8090

100

50 150 250 350 450 550 650 750 850

Antes FiltragemApós Filtragem


• O agrupamento em harmónicas pares e ímpares e nestas em múltiplas de 3 e não múltiplas de 3 deve-se a:

– harmónicas pares - dá origem a componentes contínuas, meia onda positiva diferente de meia onda negativa (notar que os valores são mais reduzidos)

– harmónicas ímpares múltiplas de 3 - em sistemas trifásicos as harmónicas das três fases somam-se no circuito de neutro.

Agrupamento em harmónicas pares e impares


Harmónicas imparesNão múltiplas de 3 Múltiplas de 3

Harmónicas pares

Ordem h Tensão relativa(%)



5 6,0 3 5,0 2 2,07 5,0 9 1,5 4 1,0

11 3,5 15 0,5 6..24 0,513 3,0 21 0,517 2,019 1,523 1,525 1,5

Nota: Não são indicados valores para harmónicas de ordem superior a 25, por serem em geral de pequenaamplitude, mas muito imprevisíveis devido a efeitos de ressonância

Valores definidos pela EN 50160 para a distorção harmónica em Baixa Tensão


Harmónicas ímparesNão múltiplas de 3 Múltiplas de 3

Harmónicas pares




5 6,0 3 5,0* 2 2,07 5,0 9 1,5 4 1,0

11 3,5 15 0,5 6......24 0,513 3,0 21 0,517 2,019 1,523 1,525 1,5

* Conforme a concepção da rede. O valor da harmónica de ordem três pode ser muito inferior.Nota: Não são indicados valores para harmónicas de ordem superior a 25, por serem em geral de pequena

amplitude, mas muito imprevisíveis devido a efeitos de ressonância.

Valores definidos pela EN 50160 para a distorção harmónica em Média Tensão


HA

RM

ÓN

ICA

S - F

as

e 0

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

31-Mai 01-Jun 02-Jun 03-Jun 04-Jun 05-Jun 06-Jun 07-Jun

% fundamental

grid 3ª harm 5ª harm 7ª harm 11ª harm THD

Barramento 15 kV-fase R - (registo semanal)

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