Introdução aos Harmônicos:Parte 2

Na segunda parte desta minissérie, Colin Hargis analisa o gerenciamento eficaz de harmônicos. A primeira parte está disponível aqui.

Medições harmônicas

Correntes ou tensões harmônicas individuais podem ser medidas e cotadas em r.m.s. quantidades. Muitas vezes, eles podem ser expressos como uma porcentagem do fundamental. É muito comum que os instrumentos de medição de harmônicos forneçam harmônicos como uma porcentagem, por padrão.

Deve-se tomar cuidado ao avaliar os dados harmônicos, especialmente os dados atuais. Se a corrente fundamental for baixa, porque a potência da carga é baixa, os harmônicos expressos em porcentagem aparecerão altos. Isso pode ser enganoso. Os dados fornecidos para o inversor estarão em uma potência de carga definida. Com carga reduzida, as correntes harmônicas diminuem em valor absoluto, mas em porcentagem da fundamental elas aumentam.

Isso é ilustrado na Figura 7. A Figura 7(a) mostra como a corrente e os harmônicos principais, como o 5 ^th e 11 ^º aumentam à medida que a potência aumenta. A Figura 7(b) mostra como os harmônicos maiores e o THD, quando expressos em porcentagem da fundamental, caem à medida que a potência da carga aumenta.

Figura 7:Variação de corrente e harmônicos com potência de carga, expressa como (a) grandezas absolutas e (b) % da corrente fundamental



Em um acionamento, isso pode ser particularmente enganoso se o usuário não perceber que a corrente de entrada é uma função da potência, que é o produto do torque e da velocidade no eixo. Se um inversor está fornecendo torque nominal em velocidade reduzida, pode parecer que está “trabalhando muito” porque a corrente de saída está próxima de sua classificação máxima e o estágio do inversor está transportando essa corrente e produzindo a perda de energia esperada como calor. No entanto, a potência real é baixa e, portanto, a corrente de entrada também será baixa.

THD, VTHD, ITHD, Fator de Distorção e Fator de Potência

Um único parâmetro simples para medir o efeito geral dos harmônicos é a Distorção Harmônica Total, THD. Esta é a razão (em %) entre o r.m.s. valor de todos os harmônicos juntos, e o fundamental. Para tensão e corrente, pode ser referido como VTHD e ITHD, respectivamente.

Novamente, deve-se ter cuidado com o ITHD, pois com carga reduzida ele parecerá alto.

Na engenharia de potência, o fator de potência é comumente usado para medir a redução na potência útil transportada por uma corrente alternada se ela não estiver em fase com a tensão.



Quando a corrente e a tensão são senoidais, isso é igual a cos o.

Na presença de corrente harmônica, e supondo que a tensão permaneça senoidal, o fator de potência pode ser dividido em dois fatores:



Onde o fator de distorção mede a redução na corrente útil causada pela distorção:



E o fator de deslocamento mede a redução causada pelo deslocamento de fase:



O significado desses fatores pode ser ilustrado considerando um motor operando diretamente da linha de energia ou com um inversor:



Portanto, o motor tem um fator de potência muito semelhante em ambos os casos, o que significa que a corrente de plena carga extraída da rede elétrica é muito semelhante. No entanto, com o motor sozinho, a corrente aumentada é inteiramente porque a corrente está atrasada em relação à tensão em fase, enquanto que com o motor e o inversor isso ocorre principalmente porque há corrente harmônica.

Fator de distorção  e THD são medidas alternativas do nível de distorção ou harmônicos totais. Eles estão relacionados pela seguinte função:



(onde THD é expresso como uma fração, não por cento)

Gerenciamento de harmônicos. Dados de corrente harmônica para produtos.

As concessionárias de energia elétrica operam regras para proteger o sistema de energia e os usuários de energia contra harmônicos excessivos. Cada usuário avançado é responsável por garantir o cumprimento das regras. Em algumas regiões, como a União Europeia, a emissão de harmônicos de produtos elétricos que são usados ​​em grande número é regulamentada como parte da lei EMC. Isso significa que os usuários domésticos e de pequenas empresas não precisam fazer nenhuma provisão especial. Grandes usuários industriais de equipamentos especializados têm que garantir por si mesmos que sua emissão harmônica não é excessiva. Mais comumente, as regras são aplicadas quando é proposta uma nova instalação que requer um novo fornecimento de energia da concessionária, como condição para fornecer esse fornecimento.

As regras variam entre os países, mas os princípios são os mesmos. As principais etapas são mostradas aqui:

• Em última análise, a concessionária de energia precisa garantir que a tensão harmônica em sua alimentação atenda ao nível aceitável. Por exemplo, na UE a qualidade da energia é regida por uma norma EN 50160. Geralmente atribui um “orçamento” de tensão harmónica a cada utilizador. Conforme explicado anteriormente, a tensão harmônica é causada pela corrente harmônica interagindo com a impedância de alimentação e os harmônicos existentes, que são únicos para cada local. Requer alguns cálculos complexos e medições predizem isso, o que não é justificável para instalações industriais típicas.
• Portanto, geralmente a concessionária tem algumas regras simplificadas que permitem que a corrente harmônica seja aceita até um limite, que pode depender da capacidade da conexão de alimentação, ou da demanda de corrente média ou de pico do usuário. É muito mais simples estimar a corrente do que a tensão, adicionando os dados de corrente harmônica para todos os equipamentos relevantes conectados a um determinado ponto de alimentação. Por esta razão, equipamentos profissionais como inversores que geram correntes harmônicas significativas precisam ter os dados de correntes harmônicas disponíveis para o usuário. A Control Techniques fornece esses dados para todos os seus produtos de acionamento nas folhas de dados EMC que estão disponíveis gratuitamente mediante solicitação.
• Para uma determinada instalação, se a corrente exceder os limites permitidos, medidas técnicas devem ser tomadas para reduzi-la ou uma investigação mais complexa deve ser realizada para avaliar a tensão harmônica causada pela instalação.
• Enquanto isso, se todos os equipamentos atenderem aos padrões harmonizados em um mercado único como o da UE, nenhum dos trabalhos descritos acima será necessário.

Padrões

Para instalações, muitas concessionárias operam seus próprios regulamentos, portanto, existem muitos padrões nacionais. Um padrão particularmente conhecido é o IEEE 519.

Os padrões de qualidade de energia incluem IEC 61000-2-4, que define “níveis de compatibilidade” que são níveis harmônicos máximos permitidos, neste caso para fontes industriais de BT. Os padrões IEC não são obrigatórios, mas as concessionárias geralmente usam os limites dados nos padrões IEC como ponto de partida para seus próprios regulamentos.

Para produtos finais, existem as normas IEC IEC 61000-3-2, para equipamentos classificados até 16A por fase, e IEC 61000-3-12, para até 75A por fase. As versões europeias, como a EN 61000-3-12, são obrigatórias para os produtos finais colocados no mercado no EEE.

Se um inversor for incorporado a um equipamento que se enquadra no escopo de um desses padrões, é bastante provável que seja um dos principais contribuintes para a emissão harmônica. Para os acionamentos da Control Techniques, é necessário usar pequenas bobinas de entrada adicionais para atender a EN 61000-3-12. As informações são fornecidas nas folhas de dados EMC.

Efeito da carga

Um problema comum encontrado ao verificar a conformidade de harmônicos de máquinas contendo inversores é a questão da potência de carga nominal correta. Recebemos reclamações de produtos que falharam no teste em que se descobriu que a carga de teste era menor que a carga nominal. Isso pode ocorrer porque o aplicativo não usa toda a capacidade do inversor ou porque não foi possível carregar totalmente a máquina no laboratório de teste EMC. Muitas vezes é difícil criar uma carga realista em um laboratório de teste porque as máquinas geralmente são projetadas para trabalhar em materiais grandes, sujos ou difíceis que não podem ser trazidos para o laboratório. Para garantir que o padrão exigido seja atendido, os seguintes requisitos devem ser observados:

1. As bobinas de entrada adicionais devem ser selecionadas para estarem corretas na potência de carga contínua máxima pretendida para a aplicação, que não é necessariamente a classificação do inversor.
2. Deve-se levar em conta qualquer outro equipamento gerador de harmônicos na máquina.
3. A carga durante o teste deve ser igual à carga nominal. Se necessário, algum tipo de freio temporário ou outro dispositivo de carga deve ser fornecido no gabarito de teste.

Reduzindo harmônicos

O nível natural de harmônicos gerados por um retificador simples pode ser muito reduzido pela adição de indutância. Isso pode ser no link CC do inversor ou nas linhas de entrada CA. A maioria dos inversores classificados acima de cerca de 2,2 kW usa uma alimentação trifásica e contém bobinas para fornecer a indutância. A Figura 8 mostra uma forma de onda de corrente típica para este tipo de inversor. Você pode ver que a forma de onda é muito melhor do que na Figura 1, embora esteja longe de ser senoidal. Neste caso o ITHD é cerca de 50% e o pior harmônico é o quinto em cerca de 40%.

Figura 8:Forma de onda de corrente de entrada típica para inversor com alimentação trifásica e bobinas de entrada.



Este nível de harmônicos é adequado para a maioria das aplicações em uma faixa de potências de 3 kW a várias centenas de quilowatts. Para aplicações sensíveis, e onde a potência total do inversor começa a se aproximar da capacidade da fonte, pode ser necessário fazer mais reduções nos harmônicos. A tabela abaixo apresenta as principais técnicas disponíveis com algumas notas sobre suas vantagens relativas.

Estrangulamentos balançando

O uso de um “estrangulador oscilante” foi promovido por alguns fabricantes de acionamentos. O estrangulador oscilante é uma invenção da década de 1920, onde foi usado em alguns aparelhos de rádio para suavização DC. O indutor é projetado com um entreferro escalonado ou perfilado de modo que, à medida que a corrente CC aumenta, parte do circuito magnético satura e a indutância diminui. O resultado é que em baixas correntes a indutância é aumentada, e isso ajuda a neutralizar o problema descrito acima, de atender aos limites harmônicos em uma faixa de potências de carga. Isso ocorre porque o valor da indutância se adapta à carga.

O estrangulamento oscilante pode beneficiar o fabricante do acionamento, pois pode permitir que o estoque de diferentes valores de estrangulamento para uma variedade de classificações de acionamento seja reduzido. Pode beneficiar o usuário ao permitir que o inversor atenda a um padrão harmônico com carga reduzida sem a necessidade de um estrangulamento adicional. Na prática, é muito difícil projetar um estrangulamento oscilante que funcione em uma ampla faixa de carga, portanto, os benefícios reais são pequenos.