Ruídos em alta frequência nas instalações elétricas

jan, 2020

Em maio de 2017, abordávamos nesta coluna as questões associadas às supra harmônicas, definidas como ruídos ou distúrbios nos barramentos e redes elétricas na frequência industrial, porém com frequências entre 2KHz e 150kHz. O que se pode observar na contínua observação do tema está relacionado aos ruídos causados pelos disparos dos elementos semicondutores que estão presentes no controle dos dispositivos ligados à rede elétrica, como os retificadores em aplicação em corrente contínua ou aqueles associados aos inversores em aplicação de acionamento de motores ou mesmo nos UPS’s. Em outras palavras, uma rede elétrica alimentando, por exemplo, um UPS equipado com IGBT em seus retificadores, que operem em 80 ou 100kHz, poderão gerar este ruído nos barramentos onde as cargas são alimentadas por estas fontes, sobrepondo-se este ruído aos 60Hz da rede.

 

Figura 1 – Registro da potência ativa durante o período total da medição.

 

Este fenômeno poderá surgir em função da topologia do próprio acionamento ou dependendo das características do circuito e instalação, como a potência de curto-circuito, outras cargas alimentadas e outras variáveis. A qualidade da alimentação (e, portanto, qualidade da energia)  poderá ser afetada notadamente se as cargas possuírem baixa imunidade ou alta sensibilidade.

 

Figura 2 – Registro da distorção total da tensão (THDV) durante o período total da medição.

 

O exemplo abaixo aponta o registro de um ruído próximo a 5kHz (89ª harmônica) quando da ligação de um retificador em rede elétrica industrial. Na figura 1, observa-se o perfil da carga (potência ativa) durante o período da avaliação, e na figura 2, a distorção total de tensão THDV durante este mesmo período de operação.

 

Figura 3 – Espectro das componentes das tensões harmônicas durante o período “A”.

 

A medição foi então dividida em dois períodos, denominados “A” e “B” do gráfico da figura 2. O período B indica aquele em que um retificador foi inserido no barramento de alimentação das cargas. A THDV no barramento foi elevada de 6% (período inicial – janela A) para 10% (da janela B). A figura 3 apresenta o comportamento das harmônicas de tensão durante todo o período de monitoração (A+B); chama atenção a presença de todas as harmônicas até maiores que a de ordem 120; (7,2kHz). Na sequência, foram estudadas as duas partes da medição em separado (A e B); a parte A sem o retificador e a parte B com o retificador, identificadas pelas janelas respectivas.

 

Figura 4 – Comportamento temporal das principais tensões harmônicas (5ª a 13ª) durante o período “A”.

 

As conclusões da avaliação entre os períodos A e B são resumidas na tabela 1. Observa-se que durante a janela B, os valores de distorção de tensão extrapolaram os limites toleráveis do acionamento, causando o desligamento da carga. Notar que, em regime permanente, a impedância de uma rede indutiva tem forte contribuição da frequência (w e, portanto, wL).

 

Figura 5 – Comportamento da forma de onda típica de tensão do período “A”.

 

Cabem pesquisas das ações corretivas, como a verificação e eliminação da causa da distorção de corrente do retificador, avaliação da sensibilidade/imunidade dos equipamentos que foram desligados, instalação de filtro de alta frequência, avaliação da aplicação de transformador isolador e outras alternativas.

 

Figura 6 – Comportamento da forma de onda típica de tensão do período “B”.

 

Segundo a referência [1], a denominação “supraharmonic” ou “supra- harmônicas” teria sido proposta por A. McAechern no IEEE-PES GM 2013, em Vancouver, e estaria associada à presença de sinais de tensão no intervalo de frequências acima definido.

 

Figura 7 – Espectro das componentes das tensões harmônicas durante o período “B”.

 

Algumas considerações são importantes, já que as normas existentes trazem poucas referências sobre estes fenômenos e mesmo os instrumentos aplicados em medição de qualidade de energia não atingem toda a faixa de frequência proposta (os atuais de até 1024 amostras por ciclo podem registrar até a 512ª ordem harmônica).

 

Figura 8 – Comportamento das principais harmônicas (83ª à 90ª) de tensão durante o período “B”.

 

As soluções aplicáveis estão associadas a topologias de redes e circuitos, cuidados com a emissão de equipamentos e fontes, uso de filtros e outras em desenvolvimento. A monitoração é a primeira atividade caso algum fenômeno de falha de operação ocorra e conduzirá na pesquisa de solução do problema.

 

TABELA 1 – RESUMO DOS VALORES OBTIDOS NAS MEDIÇÕES.

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