Solução para reduzir as harmônicas!

Você já ouviu falar sobre os termos sinais harmônicos, componentes harmônicos e harmônicos de rede? Você sabia que eles são um tipo de anomalia na rede elétrica? E que motores, inversores e harmônicos são assuntos que têm tudo a ver um com outro?

Muitos profissionais da área da elétrica têm dúvidas sobre o que são os tão comentados harmônicos e por isso o Mundo da Elétrica irá falar sobre os harmônicos no artigo de hoje. Então vamos lá pessoal!

De forma resumida, os harmônicos são distorções na forma de onda que se apresentam de forma similar em cada ciclo da frequência fundamental! A presença de harmônicos no sistema elétrico significa que a corrente e a tensão estão distorcidas em relação à forma de onda senoidal.

Na imagem abaixo, é possível ver como essas distorções harmônicas aparecem na forma de onda.

Forma de onda na presença de harmônicos.

Distorções harmônicas na forma de onda.

A distorção harmônica é diferente de um surto elétrico, pois o surto é um tipo de anomalia elétrica que tem um pico na forma de onda por um curto espaço de tempo. Em casos de surto, as distorções na forma de onda acontecem em poucos ciclos!

Veja na imagem abaixo o comportamento de um surto elétrico comparado a uma distorção harmônica.

Surto elétrico e distorção harmônica.

Surto elétrico comparado à distorção harmônica.

A frequência da rede elétrica no Brasil é de 60Hz, e essa é a nossa frequência fundamental. Quando aparelhos e equipamentos não lineares são ligados na rede elétrica, a distorção na rede é ampliada!

Resistores, capacitores e indutores são componentes que consomem energia de forma linear, além de terem uma relação de tensão e corrente também linear.

Porém, a maioria dos equipamentos eletrônicos possuem diodos, transistores e outros semicondutores. Quando esses componentes são combinados, eles proporcionam várias possibilidades de acionamentos, e isso modifica tanto o consumo de energia quanto a relação entre tensão e corrente.

Uma possibilidade de acionamento muito comum é o uso do chaveamento, ou seja, o ligamento e desligamento de circuitos elétricos de forma controlada.

Um exemplo bem simples de chaveamento é o dimmer. Ele funciona chaveando o circuito para que a carga use apenas uma parte da potência. Com isso, é possível controlar a tensão que chega até a lâmpada. Qualquer equipamento que trabalhe com chaveamento é uma carga não linear!

As principais cargas que causam os harmônicos nas residências são:

Já nas indústrias, as principais cargas que causam os harmônicos são:

Na indústria é que entram os inversores! Eles têm tudo a ver com harmônicos, pois os inversores também trabalham com chaveamento.

Isso ocorre, pois, o inversor usa uma ponte de IGBT’s (transistores bipolares de porta isolada) para simular uma onda senoidal através de chaveamento. Porém, com uma frequência que pode ser igual ou diferente à frequência fundamental.

É importante ressaltar que toda conversão gera efeitos de harmônicos!

Como resolver o problema dos harmônicos?

As duas formas de combater as distorções harmônicas nos inversores são com o uso dos reatores DC e dos filtros! É importante entender que essas utilizações são diferentes, apesar de terem a mesma função.

Na imagem abaixo, vemos um reator e um filtro usados no combate das distorções harmônicas nos inversores.

Combate das distorções harmônicas nos inversores.

Imagem de um reator DC e um filtro.

Os reatores já vêm instalados dentro de alguns inversores! Por exemplo, na linha Altivar Process da Schneider, tanto os inversores ATV 630 quanto os inversores 930 já possuem reatores embutidos. Já os filtros, são sempre instalados nos circuitos elétricos antes do inversor!

Observe na imagem abaixo o esquema de ligação de um filtro e o inversor Altivar Process com reator interno.

Inversor com reator embutido.

Ligação de um filtro com inversor.

As correntes harmônicas causam distorções na forma de onda da rede, piorando a qualidade da energia. Então, para medir a qualidade da energia é usada uma métrica que se chama THD. Essa é a sigla em inglês para Total Harmonic Distortion, que traduzida significa Distorção Harmônica Total.

Os filtros conseguem atenuar as harmônicas a níveis muito baixos, já um reator em um inversor Schneider pode levar um drive a apresentar um THD de 48%

Esse valor de THD 48% é um diferencial Schneider, visto que outros fabricantes têm valores de THD bem maiores, atenuando menos as distorções harmônicas.

No mesmo sistema, o filtro pode levar o mesmo drive a apresentar um THD de até 5%.

Uma coisa legal é que independentemente de o inversor ter ou não reator, é possível instalar o filtro no inversor, aumentando ainda mais a atenuação do THD.

Porém, é importante entender que o que define o uso de reator no inversor ou filtro é exclusivamente a análise do sistema e a análise de energia.

Os inversores de baixa potência possuem pouca influência no conteúdo harmônico do sistema. Em um sistema com um transformador de 5MVA e um inversor para um motor de 5KVA, por exemplo, o impacto das harmônicas seria de apenas 0,1% no sistema.

Já em um sistema com o mesmo transformador de 5MVA mas com um inversor para um motor de 500KVA, o impacto em cada acionamento desse motor seria de 10%.

No segundo caso, em que temos uma partida de alta potência, é importante usar alguma forma de diminuir os efeitos harmônicos, como os filtros ou reatores! E vale lembrar que são considerados drivers de alta potência, apenas os inversores para motores acima de 90KVA!

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Caso você tenha gostado desse artigo, recomendamos que você assista o vídeo abaixo do canal Mundo da Elétrica para aprender ainda mais sobre as distorções harmônicas!

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