Harmónicos elétricos: definição – problemática – soluções

Sem dúvida alguma, os harmónicos elétricos, de tensão ou intensidade de corrente, converteram-se atualmente num parâmetro cuja gestão e controlo se tornam imprescindíveis. Especialmente para prevenir o possível surgimento de problemas que, como veremos posteriormente, estão associados à sua presença na nossa rede elétrica.

Gerir e controlar os harmónicos elétricos é fundamental para evitar que surjam diferentes problemas na rede elétrica.

O que é um harmónico?

Definimos em primeiro lugar o termo “harmónico”.

Para tal, viajámos no princípio do século XIX, quando o matemático Jean Baptiste Fourier determinou que qualquer forma de onda periódica pode decompor-se numa soma de senoidais simples, de diferentes frequências e amplitudes que de denominam harmónicos.

Mas vejamos um exemplo que com certeza nos permite compreender melhor o conceito:

Suponhamos que a onde que aparece na Fig. 1 corresponde a “um ciclo” da intensidade de corrente numa rede de 50 Hz. Ou seja, que se repete 50 vezes num segundo e tem uma duração de 20 milissegundos. Se se tratasse de uma rede de 60 Hz, a sua duração seria de 16,6 ms. Esta onda será denominada “fundamental”.

E coloquemos sobre ela outra onda, de menor amplitude, mas de 250 Hz. Ou seja, de uma frequência 5 vezes superior. Esta onda, a da Fig. 2 corresponderia ao harmónico 5º e a onda resultante seria a da Fig. 3.

E, para finalizar, coloquemos sobre estas duas outra de 350 Hz, com uma frequência 7 vezes maior do que a fundamental, o harmónico 7º, que corresponde à Fig. 4. A onda resultante final seria a que vemos na Fig. 5 que, de forma informal, conhecemos como a “M e McDonalds”.

Esta onda é a que mediríamos de forma habitual, por exemplo, à entrada da maioria dos variadores de velocidade trifásicos que são cargas que se converterem em indispensáveis nas instalações industriais.

Definitivamente, a onda de corrente gerada por um variador de velocidade por ser simplificada, por conseguinte, e de forma muito aproximada, fundamentalmente, de 50 ou 60 Hz e basicamente os harmónicos 5º e 7º.

Portanto, dividiremos as cargas elétricas entre as que consomem uma corrente puramente fundamental, que denominaremos cargas lineares como, por exemplo, os motores de indução, ou cargas puramente resistivas; e as que consomem uma fundamental mais outras correntes harmónicas, que conheceremos como cargas não lineares ou distorcivas. Entre elas, os variadores de velocidade ou frequência, os equipamentos eletrónicos monofásicos ou as luminárias tipo LED. Em resumo, todas as cargas nas quais alguma etapa do seu funcionamento implica uma conversão de corrente alternada para corrente contínua.

Para analisar os conteúdos harmónicos da rede elétrica, utilizaremos a decomposição em frequência ou o que se conhece como o seu espetro. Ou seja, a amplitude ou valor, de cada ordem harmónica. Fig.6

Assim, para redes com predominância de cargas trifásicas, habitualmente as mais importantes seriam 5, 7, 11 e 13, nesta ordem decrescente de magnitude. E, no caso de redes de 4 fios, com uma importante presença de cargas monofásicas alimentadas entre fase e neutro, também estariam presentes, além dos anteriores, os harmónicos 3º 9º e 15º, sendo que neste caso, geralmente, o 3º é o mais significativo.

E as magnitudes que habitualmente utilizaremos para avaliar os níveis de harmónicos na rede são as denominadas Taxas de Distorção Harmónica, total harmonic distortion em inglês, THD(U) para a tensão, e THD(I) para a corrente, que representam a percentagem da tensão ou corrente harmónica, que se calcula a partir do valor RMS, ou soma quadrada dos valores de cada frequência, relativamente ao valor da fundamental. Estas taxas permitir-nos-ão, como veremos, determinar a gravidade da distorção harmónica na nossa rede e a necessidade, ou não, de aplicar medidas corretivas.

Um aspeto importante que é necessário considerar é que, como determinámos, são as cargas não lineares ou distorcivas as que geram harmónicos de corrente e o facto de circularem pelos cabos de distribuição, ditas correntes harmónicas provocam quedas de tensão nas diferentes frequências harmónicas. Isto pressupõe o surgimento de tensões harmónicas, ou seja, que distorcem a tensão, aumentando, assim, o valor do THD (U). Portanto, as taxas de THD (I) e THD (U) serão sempre valores que se deverão realizar de forma conjunta, quando surja a necessidade de solucionar algum tipo de problemática associada aos harmónicos elétricos na nossa rede.

Outra importante particularidade dos harmónicos elétricos é o facto de apresentarem diferentes sequências de fase. Podem ser diretas, inversas ou homopolares, também conhecidas como de sequência zero.

A origem dos problemas nas redes elétricas

Para efeitos práticos, são estas últimas, que correspondem aos harmónicos triplos, as que implicam uma maior problemática nas redes elétricas pelo facto de que estando em fase, somam-se entre elas. Assim, em redes de 4 fios, 3 fases e neutro, com um número significativamente alto de cargas monofásicas eletrónicas (computadores e recetores similares), ao não se anular entre eles, somam-se no condutor de neutro).

Por conseguinte, se pressupusermos uma rede com 50 A de corrente harmónica de ordem 3 por cada fase, no condutor de neutro teremos diretamente 150 A de corrente de harmónico 3.

Isto acarreta um risco de sobrecarga em dito condutor de neutro, tanto a nível de disparo de proteções térmicas, como de seccionamento do neutro. Isto provocaria a situação mais adversa, devido ao importante desequilíbrio das tensões de alimentação das cargas que ocasionaria, que poderia derivar em graves avarias dos equipamentos conectados nesse momento por sobretensão.

Os problemas também surgem de forma habitual a nível dos transformadores de potência que alimentam a instalação. Se estes tiverem de fornecer, além da corrente fundamental associada à potência ativa, correntes harmónicas não produtivas (ou seja, que não são úteis), as suas perdas podem ser tão elevadas que fazem com que a qualidade da tensão que se fornece seja pobre, com elevados níveis de THD(U). Este facto afetaria o funcionamento das cargas alimentadas. No caso mais extremo, inclusivamente ocorreria um excesso de temperatura no transformador que pode derivar na sua destruição.

Outro aspeto essencial é a afetação que a presença de harmónicos elétricos pode provocar nas proteções diferenciais contra correntes de fuga. É imprescindível utilizar relés diferenciais adequados para garantir a proteção correta destas redes. Neste sentido, a utilização de diferenciais tipo B para todos os recetores que incorporem uma conversão CA/CC no seu funcionamento (como, por exemplo, os variadores de velocidade, SAI, retificadores ou carregadores de veículos elétricos) torna-se não apenas essencial, mas obrigatório.

Quanto à existência de altos níveis de distorção harmónica em tensão na rede, podemos relacioná-los com problemas que aparecem em equipamentos eletrónicos “sensíveis”. Neste caso, a má qualidade da tensão de fornecimento pode causar a sua avaria relativamente a “resets”, interferências, erros de cálculo, etc.

Finalmente, sem dúvida que o problema mais conhecido é a problemática entre a instalação de uma bateria de condensadores para compensar energia reativa indutiva e a existência de harmónicos elétricos na rede.

A explicação do caso

Consideremos primeiro como é a curva de impedância de um condensador que podemos denominar “resistência”. Como podemos ver na Fig. 8, a maior frequência, menor impedância. E já sabemos que os harmónicos têm uma frequência superior à da fundamental da rede. Portanto, o condensador apresenta menor resistência a ditas frequências harmónicas. Converte-se, em consequência, num “caminho de baixa impedância” para ditas correntes. Por outras palavras, tende a absorvê-las, de forma que em redes com presença de harmónicos, os condensadores estão sempre sobrecarregados num certo nível. E isso provoca a sua deterioração a curto prazo.

Não obstante, não é esta sobrecarga o maior problema que se pode gerar. É a possibilidade de ocorrer um fenómeno de ressonância, que implica a amplificação das correntes harmónicas previamente existentes na rede antes da conexão da bateria de condensadores.

Temos de considerar então o parâmetro conhecido como a frequência de ressonância do sistema (Fig. 9), que relaciona a potência de curto-circuito no ponto de ligação da bateria de condensadores à rede com a potência em kvarC da própria bateria. Este valor indica a ordem do harmónico, ou seja, ordem 5, 7, 11... que se poderia amplificar ao conectar-se os condensadores à rede, ocasionando a sua amplificação.

No exemplo da Fig. 10, aparece uma clara ressonância no harmónico 5º. Só temos de contar os 5 “picos” que aparecem num ciclo.

O procedimento que é necessário implementar para evitar este fenómenos de ressonância baseia-se m instalar baterias de condensadores com filtros de rejeição ou dessintonizadas. Estas baterias incorporam uma série de cada condensador ou grupo de condensadores de cada escalão ou reactância, que na Fig. 11 pode identificar-se com uma cor amarela. Desta forma, sintoniza-se dito grupo de reactância-condensador a uma frequência abaixo do primeiro harmónico relevante na rede.

Fig. 11, Baterias de condensadores com filtros de rejeição ou dessintonizadas

Como comentámos, o primeiro harmónico relevante na rede é, na grande maioria dos casos, o terceiro ou o quinto. E as habituais frequências de ressonância são as que se especificam na Fig. 12 (indicam-se os valores a 50 Hz / 60 Hz)

Fig.12

Os sistemas que garantem 100% da compensação de energia reativa de forma totalmente imune à presença de harmónicos na rede são os geradores estáticos de reativa, concretamente, a gama SVGm da CIRCUTOR (Fig. 13). Estes geradores de reativa, com capacidade de compensação tanto de potência indutiva como capacitiva, baseiam-se em eletrónica de potência e constituem a solução tecnologicamente mais avançada na correção do cosseno de phi.

Existem opções de filtração passiva de correntes harmónicas, entre as quais as mais simples são as reactâncias de linha ou choque (Fig. 14). Instalam-se à entrada de variadores de velocidade ou cargas similares, que podem proporcionar um determinado grau de redução dos níveis de THD(I). Habitualmente, desde valores iniciais de cerca de 40%, até valores finais de 25%.

Em todo o caso, o mais eficiente para conseguir diminuir os níveis de correntes harmónicas e, por conseguinte, também de tensões harmónicas na nossa rede elétrica é a utilização de filtros ativos de harmónicos. Ou seja, a gama AFQm da CIRCUTOR.

Um filtro ativos AFQm é, de facto, um gerador de correntes harmónicas que, a partir da utilização da mais avançada eletrónica de potência e os mais inovadores sistemas de controlo, é capaz de injetar correntes harmónicas em contra fase com as existentes na rede conseguindo, assim, anulá-las.

Entre as suas várias vantagens relativamente aos sistemas de filtração passiva podemos destacar a sua precisão. É capaz de injetar a corrente harmónica exata para compensar a existente na rede em cada harmónico, sem depender da variabilidade da carga.

Destaca-se igualmente a sua versatilidade, dado que não só oferece a capacidade de filtração de correntes harmónicas, mas também de compensação de reativa.

A gama de filtros ativos AFQm compreende um intervalo de capacidades de injeção de corrente que abarca a totalidade de cenários a nível de qualquer instalação elétrica, tanto a nível industrial, como de serviços, graças à sua modularidade. Além disso, inclui tensões de funcionamento desde 208 VCA até 690 VCA.

2 Soluções: Tipo de parede e tipo de Rack

Para redes de 50/60 Hz ±5

• 4 fios 3P+N: 208 - 400 V - 525 V fase-fase
• 3 fios 3P: 230 - 480 V - 690 V fase-fase

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