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

c) Filtros ativos

Uma das definições clássicas de filtro ativo é aquela que considera que: “o filtro ativo é um equipamento que deve ser capaz de injetar (ou absorver) correntes harmônicas que, somadas às correntes da carga, produza uma corrente com menor conteúdo de correntes harmônicas na rede”. Uma outra definição seria: “o filtro deve ser capaz de neutralizar as correntes harmônicas produzidas pela carga, de forma a produzir uma corrente com menor conteúdo harmônico na rede”. De forma geral, o filtro ativo deve ser construído com circuito digital de alta velocidade, de forma que, tanto a geração das correntes harmônicas pelas cargas, como a compensação pelo filtro ocorra no menor instante possível e de forma sincronizada, caso contrário, o filtro não seria efetivo em cargas rápidas e passaria a ser mais uma fonte de corrente harmônica, não para cancelar, mas para se somar àquelas geradas pelas cargas.

A Figura 1 apresenta o princípio de operação e conexão do filtro ativo ao sistema elétrico. O filtro ativo [3] (da mesma forma que o passivo) é conectado ao circuito em ligação tipo “shunt”.

As correntes “geradas” (ou absorvidas) pelo filtro se somam (ou neutralizam) àquelas da carga, originando na fonte uma corrente mais próxima da forma de onda senoidal, portanto, com menor distorção. Quanto melhor for este processo, maiores serão a eficiência e a competência do filtro. Normalmente, os filtros ativos possuem funções específicas de controle, como a seleção de quais harmônicas serão mitigadas, e mesmos aspectos de equilíbrio de correntes fundamentais e fator de potência na componente fundamental em 60 Hz.

Figura 1 – Circuito típico de aplicação de filtro ativo. Fonte: Danfoss [3].

Alguns cuidados aplicam-se quando filtros ativos são definidos como solução de mitigação da distorção de tensão, devido à redução das correntes harmônicas.

• Para que seja possível a mitigação das correntes harmônicas produzidas pelas cargas, o filtro ativo deve operar referenciado a um sinal por ele emitido na rede com frequência da ordem de 1 kHz a 10 kHz;
• Este sinal de alta frequência (em relação aos 60 Hz) e de baixa amplitude pode causar impactos não esperados no barramento de conexão AC em função da existência do capacitor no link DC e efeitos de ressonância harmônica em função do comportamento da impedância do capacitor com a mencionada alta frequência. Como consequência, o que se espera neste caso é uma redução da vida útil do capacitor do link DC em médio prazo, caso não se insiram reatâncias neste link DC ou na entrada do inversor. A solução para o efeito indesejável apontado, portanto, é a instalação de reatores como anteriormente comentado (“2b” na referencia [1]);
• As cargas devem operar com regime conhecido e controlado, pois se no decorrer do período de operação se verificar incremento da carga em relação ao previsto no dimensionamento do filtro, poderá haver aumento da distorção de tensão no barramento;
• A compensação reativa, se efetuada em conjunto com o uso de filtros ativos, deve considerar o uso de reatores antirressonantes, evitando ressonância harmônica em situação de não operação adequada do filtro. Neste caso, os inversores de frequência também devem estar equipados com reatores na entrada.

Sínteses e conclusões

Em suma, filtros são aplicados para adequação das distorções de tensão dos barramentos de alimentação de cargas que prescindem de tensões não distorcidas e atendem a algumas premissas:

• Filtros passivos compensam energia reativa e fator de potência e também podem filtrar as correntes harmônicas, enquanto filtros ativos filtram as harmônicas e também podem compensar o fator de potência;
• Reatores na entrada de inversores mitigam harmônicas, distúrbios de qualidade de energia e podem ser aplicados na redução de correntes de curto-circuito. Também são necessários na instalação de filtros ativos ou passivos ressonantes e antirressonantes;
• A especificação dos filtros passivos é normalmente feita pela potência reativa (kvar) e a dos filtros ativos em corrente (A);
• Solução econômica: uso misto, com compensação de energia reativa efetuada com o uso de filtros passivos (reatores antirressonantes) e filtros ativos aplicado às correntes harmônicas. Uso de reatores antirressonantes (filtros antirressonante) na compensação reativa deve ser aplicado, uma vez que, caso o filtro ativo venha a falhar por alguma razão, o sistema estaria sujeito à ocorrência de ressonância provocada pelos capacitores sem reatores [6];
• Cada sistema possui seus prós e contras para aplicações e deve ser avaliado antes da especificação e da instalação.

Agradecimentos ao colega Eng. Henrique Rizzo pela revisão do texto.

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.