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Influência das harmônicas na alimentação de dispositivos eletrônicos (ART742)

A presença de harmônica numa rede de alimentação pode causar sérios problemas de funcionamento aos equipamentos por ela alimentados. Equipamentos sensíveis podem ser levados à perdas de dados, disparos erráticos e até mesmo à problemas de queima de componentes. Neste artigo, fazemos uma breve análise sobre as causas que determinam o aparecimento das harmônicas numa linha de fornecimento de energia, seus efeitos e quais as soluções que devem ser adotadas quando problemas se manifestarem.

A qualidade da energia fornecida aos equipamentos alimentados por uma rede de corrente alternada está diretamente ligada a diversos fatores. Se esses fatores puderem atuar livremente, teremos perturbações que podem causar problemas na sua qualidade e conseqüentemente levar os equipamentos ligados a essa rede à diversas alterações no seu funcionamento.

Basicamente são quatro as perturbações que podem ocorrer numa tensão ou corrente fornecidas por uma rede de energia:

 

* Perturbações ligadas à amplitude da tensão - como o sag (afundamento), interrupções de fornecimento, sobre e subtensão, transitórios, flutuações e outras.

* Perturbações de frequência - como as alterações de seu valor nominal.

* Desequilíbrios de tensão ou corrente em sistemas trifásicos

* Alterações nas formas de onda - são as perturbações harmônicas que, quando aumentou a intensidade do uso de equipamentos eletrônicos, passou a ter uma importância especial.

 

É justamente das perturbações nas formas de onda que vamos tratar neste artigo, dada sua importância na qualidade da energia fornecida.

Se bem que exista certa tendência dos usuários atribuírem à empresa fornecedora de energia os problemas causados pela qualidade da energia, em muitos casos são os próprios equipamentos usados numa instalação que causam sua deterioração.

Equipamentos que usam dispositivos semicondutores comutadores da família dos tiristores, por exemplo, tais como Triacs, SCRs, IGBTs, além de dispositivos altamente indutivos podem afetar a qualidade da energia fornecida, com problemas para outros equipamentos que sejam alimentados pela mesma rede.

Em especial, tais dispositivos alteram as formas de onda da energia transmitida com a produção de harmônicas que têm um efeito desastrosos sobre muitos equipamentos. Para entendermos como esses problemas são gerados, devemos inicialmente partir de um estudo dos próprios sinais harmônicos.

 

Sinais Harmônicos

Um sinal de qualquer forma de onda pode ser decomposto em um sinal senoidal fundamental e em sinais senoidais de freqüências múltiplas. Assim, conforme mostra a figura 1, uma tensão senoidal perfeita que deve estar presente num ponto de uma rede de energia, deve ter o formato mostrado.

 

Senóide perfeita.
Senóide perfeita.

 

No entanto, pela presença de uma harmônica que seja o dobro de sua freqüência, sua forma de onda se altera, passando ao formato mostrado na figura 2.

 

Alterando a forma da senóide
Alterando a forma da senóide

 

De uma forma geral, podemos dizer que um sinal periódico que não seja senoidal contém obrigatoriamente harmônicas em intensidade e quantidade que vão determinar justamente a sua forma de onda.

Observe que, conforme a freqüência do sinal em relação ao fundamental, as harmônicas podem ter diversas ordens. A figura 3 mostra isso.

 

As diversas ordens da harmônica.
As diversas ordens da harmônica.

 

Os efeitos das harmônicas de ordem impar num dispositivo elétrico ou eletrônico são diferentes.

Nas instalações elétricas em geral predominam as harmônicas pares, mas nos casos em que ocorre a presença de uma componente contínua temos também harmônicas ímpares. As harmônicas podem também ter seqüências também positivas, negativas ou nula, conforme mostra a figura 4.

 

Motor assíncrono trifásico.
Motor assíncrono trifásico.

 

Num motor assíncrono trifásico, alimentado por quatro condutores, conforme mostra a figura 5, as harmônicas de seqüência positiva tenderiam a forçar o motor a girar no mesmo sentido determinado pela componente fundamental. O resultado seria uma sobrecarga do motor com aumento da temperatura de seus enrolamentos e conseqüente redução de sua vida útil.

 

O aparecimento de correntes
O aparecimento de correntes

 

Nesse mesmo motor, as harmônicas de seqüência negativa forçariam o motor a girar em sentido contrário ao produzido pela fundamental. Isso faria com que o motor freasse com a dissipação da energia em forma de calor. Também teríamos um sobreaquecimento e conseqüente redução da vida útil.

As harmônica de seqüência nula não têm efeito sobre a rotação do motor, no entanto somam-se algebricamente no condutor neutro provocando o aparecimento de correntes que podem chegar a três vezes o valor da mesma corrente que percorre cada condutor.

O resultado desse "retorno" indesejável é um superaquecimento do condutor neutro e até mesmo a queima de bancos de capacitores.

 

Análise do Espectro de Harmônicas

Uma forma de se obter uma visualização rápida das harmônicas de um sinal faz uso de um analisador de espectro. Esse instrumento decompõe o sinal em componentes, representando sua intensidade relativa por barras, conforme mostra a figura 6.

 

Decompondo o sinal em componentes.
Decompondo o sinal em componentes.

 

Trata-se de uma representação no domínio de freqüências (veja a série de artigos sobre o assunto nesta mesma revista). Evidentemente, as harmônicas de um sinal se estendem ao infinito. Para efeitos práticos, a representação se limita ao número finito, normalmente inferior a 40. Isso ocorre, porque os sinais de ordem superior dificilmente podem causar algum efeito perceptível nos equipamentos alimentados.

 

Medição de Harmônicas

A maioria dos equipamentos de medida que se destina a medições numa rede de energia, é projetada para trabalhar com sinais perfeitamente senoidais. Assim, os multímetros comuns são instrumentos que medem valores médios.

No entanto, quando o sinal a ser medida não é senoidal, o resultado de uma medição será completamente diferente do valor eficaz real da tensão ou corrente. Esses instrumentos se baseiam num coeficiente de 1,11 para relacionar o valor eficaz com o valor médio, que corresponde ao valor retificado. Na figura 7 temos o circuito típico de entrada de um instrumento desse tipo.

 

Medidor de harmônicas
Medidor de harmônicas

 

Se o sinal aplicado a esse instrumento não for senoidal, entretanto, teremos uma falsa leitura conforme mostra a figura 8.

 

A falsa leitura
A falsa leitura

 

Veja que, para a forma indicada de onda, a relação entre o valor eficaz e médio real é 2,1 enquanto que o circuito do instrumento tem características que consideram sempre essa relação como 1,11.

Uma medida de uma corrente de 10 A pode na realidade ser feita num circuito em que a corrente real é de 15 A, quando utilizado um instrumento desse tipo.

 

True RMS

Não é a primeira vez que falamos desse assunto nesta revista. No entanto, sua importância é tal quando se fala em qualidade da energia e quando devem ser feitas medições em circuitos onde harmônicas possam estar presentes, que uma pequena revisão é importante.

Os instrumentos "true rms" utilizam um circuito de entrada, como o mostrado na figura 9 que permite obter o valor eficaz verdadeiro independentemente da forma de onda do sinal de entrada.

 

Utilizando um True RMS.
Utilizando um True RMS.

 

Evidentemente, existem limites para a sua atuação. Por esse motivo, uma das especificações importantes para este tipo de instrumento está a largura da faixa de freqüências do sinal que pode ser medido.

Para o caso da rede de energia, é preciso uma largura de faixa de pelo menos 1 kHz de modo que até a 17ª harmônica possa ser incluída. Esse é o mínimo que se exige para um instrumento usado em instalações comerciais, domésticas e industriais.

 

Onde as Harmônicas são Geradas

Cargas lineares como as do tipo resistivo, indutivo ou capacitivo, mesmo que tenham correntes e tensões defasadas, estas mantém a forma de onda senoidal.

No entanto, existem cargas que, pelo uso de dispositivos eletrônicos de comutação rápida, como os da família dos tiristores, faz com que as correntes e tensões em seus circuitos não sejam perfeitamente senoidais, conforme sugere a figura 10.

 

A comutação rápida não cria senóides perfeitas.
A comutação rápida não cria senóides perfeitas.

 

Essas cargas têm então correntes e tensões distorcidas, o que nos permite utilizar nas suas especificações o termo "distorção harmônica", pois, conforme vimos, essas distorções causam o aparecimento de freqüências harmônicas.

Diversos são os circuitos que podem gerar harmônicas, pelos motivos indicados:

 

Retificadores Carregadores

Os retificadores carregadores são formados por uma ponte de diodos ou SCRs, conforme mostra a figura 11.

 

Retificadores carregadores
Retificadores carregadores

 

Esses circuitos geram uma grande quantidade de harmônicas ímpares cuja intensidade maior se concentra na quinta e sétima harmônica, conforme mostra a forma de onda e espectro da figura 12.

 

Controles trifásicos
Controles trifásicos

 

Controles de Velocidade

Os controles trifásicos, com a estrutura típica mostrada na figura 13 têm um elevado conteúdo de harmônicas, conforme mostra a mesma figura.

 

Fonte de alimentação monofásica.
Fonte de alimentação monofásica.

 

Num variador típico a quinta harmônica contém 81% de energia enquanto que a sétima contém 42%. A presença de correntes em harmônicas de ordem mais elevada também é significativa.

 

Fontes de Alimentação Monofásica

Na figura 14 temos um circuito típico desse tipo de fonte.

 

Forma de onda da fonte de alimentação monofásica.
Forma de onda da fonte de alimentação monofásica.

 

Este tipo de fonte comutada é encontrado em uma infinidade de equipamentos de uso doméstico e comercial como computadores, impressoras, monitores de vídeo, televisores, etc.

Como são, em geral, equipamentos de baixa potência, os efeitos da grande quantidade de harmônicas que geram só se faz mais evidentemente em locais em que exista uma boa quantidade deles funcionando. Isso ocorre em prédios de escritórios, instalações comerciais, etc.

A forma de onda na carga e a sua composição harmônica são mostradas na figura 15.

 

Circuito ressonante LC.
Circuito ressonante LC.

 

Observe que a 3ª e 5ª harmônicas são as que mais contribuem para a deformação do sinal. A taxa de distorção harmônica para este tipo de circuito chega aos 93% com um elevado fator de crista.

 

Máquinas de Solda

Uma característica desse tipo de equipamento é que seu consumo é instável e ocorre em apenas uma fase. Na figura 16 temos sua forma de onda.

 

Indutância em série.
Indutância em série.

 

A taxa de distorção chega aos 58%. A terceira harmônica é a que predomina com 56% de intensidade relativa.

 

Conclusão

Conforme vimos, as formas de onda encontradas nos diversos tipos de dispositivos eletrônicos e elétricos fogem muito da senoidal ideal que a rede fornece.

Isso significa a geração de harmônicas que se refletem em toda a rede, podendo afetar o funcionamento de diversos tipos de dispositivos que são alimentados pela mesma rede.

Usar um instrumento capaz de dar uma informação real sobre a forma de onda e a intensidade de um sinal numa rede, ou seja, um in0strumento "true rms" é o primeiro passo para se detectar os problemas causados por harmônicas.

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