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Aspectos de operação e premissas de filtros de harmônicas em aplicações industriais – Parte I

Introdução e definições

O uso de filtros de harmônicas em instalações elétricas tem por objetivo adequar os níveis de distorção de tensão a valores adequados para a operação das cargas nos seus barramentos de alimentação. Normalmente, as normas (IEEE 519, IEC 61000, ou módulo 8 do Prodist) preveem valores de distorção total de tensão (THDV ou DHTV) da ordem de 5% a 8% em casos gerais (outros valores são também definidos em função da aplicação, desde 3% em hospitais até 10% em fontes próprias, por exemplo).

O curioso é que estas próprias cargas com alto grau de tecnologia de informação embarcada e que são sensíveis à alimentação distorcida são as que geram as correntes harmônicas devido ao uso dos drivers como acionamento dos motores. De uma forma geral, a distorção de tensão surge nas instalações pela passagem das correntes harmônicas destas cargas (chamadas de não lineares) através das impedâncias dos sistemas de alimentação (transformadores e circuitos); a distorção de tensão é gerada pela circulação das correntes distorcidas através das impedâncias dos transformadores, cabos e impedâncias das distribuidoras. De forma a adequar o sistema em uma solução de convivência, foram desenvolvidas técnicas de mitigação destas harmônicas e as mais usuais são abaixo elencadas:

Soluções para mitigação das harmônicas em cargas industriais

a)   Filtro passivo

O filtro passivo é a solução mais antiga e clássica para mitigação das harmônicas, sendo composto por conjunto (ou conjuntos) de combinações de reatores e capacitores, de forma que, quando sintonizados em frequências específicas, absorvem estas correntes harmônicas, impedindo que circulem pela fonte principal transformadores e outras, reduzindo, então, a distorção harmônica de tensão nos barramentos de alimentação das cargas. Esta solução, no entanto, deve considerar que, durante a operação do filtro, energia reativa é simultaneamente injetada no sistema de forma que se obtenha compensação reativa simultaneamente à filtragem de algumas componentes harmônicas (em geral 5as e/ou 7as). No caso em que não exista necessidade de compensação reativa, há o risco de sobrecompensação, não sendo esta solução indicada. De uma forma geral, os filtros passivos podem absorver valores da ordem de até 70% das correntes harmônicas, desde que cumpridas algumas premissas, como períodos de variação de carga, perfil de reativos e outros. Filtros passivos são soluções interessantes e econômicas, porém, sua aplicação encontra restrições nas situações de:

  • Baixo consumo de potência reativa pela carga e alto fator de potência, acima de 95%, por exemplo;
  • Operação dinâmica e variável da carga; neste caso manobra estática pode ser estudada caso o item anterior não ocorra;
  • Inserção de transientes de manobra se operados com dispositivos de manobra mecânicos (elementos estáticos de manobra podem evitar esta situação).

b)   Uso de reatores de entrada em inversores

O circuito típico de inversor de frequência [4] aplicado em cargas industriais controladas (Figura 1) considera uma ponte retificadora (com diversas tecnologias de semicondutores e controles) alimentando um inversor controlado para alimentação da carga final.

ed-126_Col-Energia-Qualidade_Fig-1
Figura 1 – Circuito típico de inversor de frequência. Fonte: Senai.

O uso de reatores na entrada dos inversores [7], como apresentado e apontado na Figura 2, possui como principal aplicação a redução das correntes harmônicas de alimentação do conversor. A Figura 3 apresenta os resultados decorrentes da inserção dos reatores na entrada dos inversores.

ed-126_Col-Energia-Qualidade_Fig-2
Figura 2 – Esquema de filtros em inversor de alimentação de motores. Fonte: Mitsubishi.

O que se observa da avaliação da Figura 3 é a possibilidade de redução da distorção total de corrente [5] para valores de até 40%; desde que equipados com reatores de entrada.

ed-126_Col-Energia-Qualidade_Fig-3
Figura 3 – Resultados decorrentes do uso de filtros (reatores) na entrada do inversor e link DC. Fonte: Danfoss.

Conforme [1], reatores na entrada dos inversores são aplicáveis também para uma das situações:

  • Alimentação dos inversores (ou sistema elétrico) que estejam sujeitos a distúrbios como surtos, “spikes” (pulsos ou picos) ou transientes;
  • Quando a potencia de curto é elevada (maior do que dez vezes o equivalente de inversores instalados). Este item está relacionado a proteção adicional de curto circuito, pois os reatores de entrada com 3% ou 5% limitam estas correntes de curto na entrada dos inversores;
  • Na mitigação das distorções harmônicas como já considerado.

Note que, mesmo que os inversores estejam equipados com reatores de entrada e links DC (não abordaremos aqui os reatores de saída, que são aplicáveis em casos específicos), os níveis de distorção de corrente (no caso ilustrado da ordem de 40% de THDI) podem não ser aceitáveis em função da potência de curto-circuito dos barramentos de baixa tensão e distorções de tensão acima das esperadas podem ocorrer. Portanto, quanto mais se aplicam cargas aos transformadores ou outras fontes, o sistema necessitará de filtro adicional para atendimento a valores adequados de distorção de tensão. Caso não seja possível a aplicação dos filtros passivos descritos no item “a”, existirá a opção de aplicação dos filtros ativos.  Os capacitores do link DC efetuam importantes funções de regulação de tensão (controle do “ripple” em DC) e têm influências no controle da energia entregue à carga mesmo em sistemas mais sofisticados de regeneração de potência quando a carga e o conversor possuem esta característica.

Referências:

[1] Lenze – AC tech- When to Use a Line or Load Reactor- Protecting the Drive or the Motor;

[2] S. M. Deckmann e J. A. Pomilio – Condicionamento de Energia Elétrica e Dispositivos FACTS;

[3] Danfoss- Instruções de Utilização VLTR Active Filter AAF006;

[4] SENAI – Escola Senai “Mariano Ferraz” –  conversores de frequência – apostila;

[5] – Danfoss – Apresentação sobre harmônicas;

[6] – Starosta,J. – Apresentação – distorções harmônicas;

[7] – Mitsubishi inverter – option catalog.

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