Harmonicas Em Eletricidade

1 INTRODUÇÃO

Carga linear pode ser definida como aquela em que há uma relação linear (equação diferencial linear com fatores constantes) entre corrente e tensão. Em termos mais simples, uma carga linear absorve uma corrente senoidal quando é alimentada por uma tensão senoidal. Essa corrente pode estar defasada por um ângulo φ em relação à tensão.

Além do exposto acima, existe também as cargas não lineares, que é quando entre corrente e tensão num determinado componente não é descrita por uma equação linear, esta carga é denominada não-linear. Ela absorve uma corrente não sensorial e, portanto, correntes harmônicas, mesmo quando é alimentada por uma tensão puramente senoidal.

2 DESENVOLVIMENTO

Correntes harmônicas surgem nas instalações elétricas devido à presença de cargas não lineares. Cada uma dessas cargas tem suas características específicas, incluindo as correntes harmônicas. Assim, um quadro terminal ou um quadro de distribuição apresentará em seu circuito alimentador correntes harmônicas (correntes com frequência diferente da frequência fundamental) que representam a soma das correntes harmônicas das cargas alimentadas por esses quadros.

É importante notar que cada uma dessas correntes harmônicas possuem módulos e ângulos de fase em cada uma das frequências características, fazendo a soma escalar de diversas correntes harmônicas em uma mesma frequência não representar a corrente harmônica total nessa frequência no circuito alimentador. Em outras palavras, se um determinado quadro de distribuição alimenta as cargas “A”, “B” e “C” que possuem em seus espectros correntes de 5ª harmônica de 100 A, 80 A e 50 A respectivamente, a corrente no alimentador geral não será necessariamente de 230 A, será necessário avaliar o ângulo de fase de cada uma dessas correntes e proceder a soma vetorial.

A circulação de correntes harmônicas nos circuitos e nas fontes (transformadores, geradores, UPS, etc.) causa o surgimento das tensões harmônicas proporcionais às próprias correntes harmônicas e às impedâncias desses circuitos e fontes. As limitações das normas que versam sobre este assunto tratam de estabelecer limites de distorções de tensão em função do ponto da instalação e dos níveis de tensão. Normalmente, essas normas são referenciadas no ponto de acoplamento comum (PAC) entre a concessionária e o consumidor, podendo variar de 5% a 10% dependendo da norma e do nível de tensão.

Uma das formas de reduzir a circulação destas correntes harmônicas é filtrá-las, evitando, assim, que as tensões dos barramentos sejam distorcidas pela alimentação das cargas não lineares.

Naturalmente, outras possibilidades de redução das distorções de tensão são:

• Distribuição de cargas em outras fontes: nesta situação, cargas não lineares são relocadas na instalação, de modo a reduzir os valores de distorção de tensão nos barramentos em que elas são conectadas;

• Aumento da potência das fontes: o aumento da potência das fontes reduz a impedância de curto-circuito à montante da carga, reduzindo as distorções de tensão nos barramentos;

• Uso adequado de transformadores defasadores;

• Especificação de cargas com controle de emissão ou escolha de cargas com melhores características.

Portanto, a simples existência de correntes harmônicas, por “maiores” que sejam – sem uma correspondência em incremento nas tensões harmônicas nos barramentos que as alimentam – não é normalmente razão para intervenção. A discussão sobre o quanto uma carga é distorcida deve considerar não somente a distorção total de corrente (THDI), ou as correntes harmônicas relacionadas à corrente da componente fundamental, mas também estas correntes harmônicas relacionadas à capacidade de corrente da fonte (transformador, por exemplo).

2.1 O que são as distorções harmônicas e suas principais fontes

Trata-se de um componente senoidal da tensão ou corrente alternada, com a frequência igual a um múltiplo da frequência fundamental. Estas, quando injetadas no sistema elétrico, causam diversos fenômenos que afetam o fornecimento de energia, tanto na qualidade da energia, como na operação da concessionária e do próprio consumidor.

Quem gera essas distorções são os próprios equipamentos no instante do chaveamento (liga/desliga). No acionamento de motores inversores, capacitores ou iluminação, existe uma corrente de curto-circuito num intervalo de milésimos de segundos, fazendo com que todo o sistema seja afetado pelo sinal gerado naquele instante, pois eleva a tensão, a corrente e deforma a frequência. Estes distúrbios propagam-se por todo o circuito elétrico, até chegar a uma impedância baixa, capaz de sugar este sinal e restaura a linha de 60hz.

Sinal Senoidal sem Harmônicas

Sinal Senoidal com Harmônicas

A maioria das cargas que causam deformações são conversores estáticos, os quais podem ser de grande potência e em pequena quantidade ou de baixa potência em grande número. Alguns exemplos de cargas deformantes são lâmpadas fluorescentes, dimmers, computadores, eletrodomésticos (aparelhos de TV, microondas, fornos elétricos com controle eletrônico de potência, etc).

Numa planta industrial podemos citar os variadores de velocidade (inversores de frequência), softstart’s, fornos de recozimento e fundição por indução eletromagnética, lâmpadas de descarga, fornos de fundição por arco voltaico, controladores de tensão estáticos, grupos retificadores, entre outros.

Os fornos a arco voltaico, lâmpadas de descarga e as demais cargas que operam através de “curto circuitos” possuem um espectro de correntes com componentes inter-harmônicas, ou seja, as componentes das correntes de tais equipamentos são compostas por múltiplos inteiros e não inteiros da corrente fundamental.

2.2 Definição e característica quantitativas harmônicos

Joseph Fourier provou que todas as funções periódicas não senoidais. O primeiro desses termos, à frequência de recorrência da função é chamado de fundamental e os outros, definidos como múltiplas