Gerenciamento Avançado de Harmônicas: Parte 2 – Estratégias Eficazes e Medições

Na segunda parte desta mini-série, Colin Hargis analisa o gerenciamento eficaz de harmônicas. A parte um está disponível aqui.

Medições de harmônicas

Correntes ou tensões harmônicas individuais podem ser medidas e cotadas em grandezas rms. Frequentemente podem ser expressas como porcentagem da fundamental. É muito comum que instrumentos de medição de harmônicas deem harmônicas como porcentagem, por padrão.

Cuidado deve ser tomado na avaliação de dados de harmônicas, especialmente dados de corrente. Se a corrente fundamental é baixa, porque a potência de carga é baixa, então as harmônicas expressas como porcentagem aparecerão altas. Isso pode ser enganoso. Os dados fornecidos para o inversor serão em uma potência de carga definida. Em carga reduzida, as correntes harmônicas reduzem em valor absoluto, mas como porcentagem da fundamental aumentam.

Isso é ilustrado na Figura 7. A Figura 7(a) mostra como a corrente e harmônicas maiores como a 5ª e 11ª aumentam conforme a potência aumenta. A Figura 7(b) mostra como as harmônicas maiores e o THD, quando expressos como porcentagem da fundamental, caem conforme a potência de carga aumenta.

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

Em um inversor, isso pode ser particularmente enganoso se o usuário não apreciar que a corrente de entrada é função da potência, ou seja, o produto de torque e velocidade no eixo. Se um inversor está entregando torque nominal em velocidade reduzida, pode parecer que está "trabalhando duro" porque a corrente de saída está próxima de sua classificação máxima, e o estágio inversor está conduzindo aquela corrente e produzindo a perda de potência esperada como calor. No entanto, a potência de throughput real é baixa, e assim a corrente de entrada também será baixa.

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

Um parâmetro simples único para medir o efeito geral de harmônicas é a Distorção Harmônica Total, THD. Esta é a razão (em %) entre o valor rms de todas as harmônicas juntas, e a fundamental. Para tensão e corrente, pode ser referido como VTHD e ITHD respectivamente.

Novamente, cuidado deve ser tomado com ITHD, porque em carga reduzida aparecerá alto.

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

Quando corrente e tensão são senoidais, isto é igual a cos φ.

Na presença de corrente harmônica, e assumindo que a tensão permanece senoidal, o fator de potência pode ser decomposto em dois fatores:

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

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

O significado destes fatores pode ser ilustrado considerando um motor operando ou diretamente da rede, ou com um inversor:

Então o motor tem fator de potência muito similar em ambos os casos, o que significa que a corrente de plena carga consumida da rede é muito similar. No entanto, com o motor sozinho, a corrente aumentada é inteiramente porque a corrente defasa a tensão em fase, enquanto com motor e inversor isso é principalmente porque há corrente harmônica.

Fator de distorção e THD são medidas alternativas do nível de distorção, ou harmônicas totais. São relacionados pela seguinte função:

(onde THD é expresso como fração, não porcentagem)

Gerenciamento de harmônicas. Dados de corrente harmônica para produtos.

As concessionárias de energia operam regras para proteger o sistema de energia e usuários de harmônicas excessivas. Cada usuário de energia é responsável por garantir que cumpre as regras. Em algumas regiões como a União Europeia, emissão de harmônicas de produtos elétricos usados em grandes números é regulada como parte da lei EMC. Isso significa que usuários domésticos e pequenas empresas não têm que fazer provisões especiais. 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 uma nova instalação é proposta que requer nova alimentação da concessionária, como condição para fornecer aquela alimentação.

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

• A concessionária de energia finalmente tem que garantir que a tensão harmônica em sua alimentação atende ao nível aceitável. Por exemplo, na UE a qualidade de energia é governada pela norma EN 50160. Geralmente aloca um "orçamento" de tensão harmônica a cada usuário. Como explicado anteriormente, a tensão harmônica é causada pela corrente harmônica interagindo com a impedância de alimentação e as harmônicas existentes, que são únicas para cada local. Requer alguns cálculos e medições complexas para prever, o que não é justificável para instalações industriais típicas.
• Portanto, geralmente a concessionária tem algumas regras simplificadas que permitem corrente harmônica ser aceita até um limite, que pode depender da capacidade da conexão de alimentação, ou da demanda de corrente de pico ou média do usuário. É muito mais simples estimar corrente que tensão, somando os dados de corrente harmônica para todos os equipamentos relevantes conectados a um ponto de alimentação particular. Por esta razão, equipamentos profissionais como inversores que geram corrente harmônica significativa precisam ter os dados de corrente harmônica disponíveis ao usuário. Control Techniques fornece estes dados para todos os seus produtos de inversores nas fichas de dados EMC que estão livremente disponíveis sob solicitação.
• Para uma dada instalação, se a corrente excede os limites permitidos, então ou 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 atendem normas harmonizadas em um mercado único como a UE, nenhum do trabalho descrito acima é necessário.

Normas

Para instalações, muitas concessionárias operam seus próprios regulamentos, então há muitas normas nacionais. Uma norma particularmente conhecida é IEEE 519.

Normas de qualidade de energia incluem IEC 61000-2-4, que define "níveis de compatibilidade" que são níveis máximos permitidos de harmônicas, neste caso para alimentações BT industriais. Normas IEC não são obrigatórias, mas concessionárias frequentemente usam os limites dados nas normas IEC como ponto de partida para seus próprios regulamentos.

Para produtos finais, há normas IEC 61000-3-2, para equipamentos com corrente nominal até 16 A por fase, e IEC 61000-3-12, para até 75 A por fase. As versões europeias como EN 61000-3-12 são, na prática, obrigatórias para produtos finais colocados no mercado no EEE.

Se um inversor é incorporado em equipamento que se enquadra no escopo de uma destas normas, então é bem provável que seja um grande contribuinte para a emissão harmônica. Para inversores Control Techniques, é necessário usar pequenos reatores de entrada adicionais para atender EN 61000-3-12. Informação é dada nas fichas de dados EMC.

Efeito da carga

Um problema comum encontrado ao verificar conformidade de harmônicas de maquinaria contendo inversores é a questão da potência de carga nominal correta. Tivemos reclamações de produtos falhando no teste onde se descobriu que a carga de teste era menor que a carga nominal. Isso pode ser porque a aplicação não usa a capacidade total do inversor, ou porque não foi possível carregar a máquina totalmente no laboratório de teste EMC. Frequentemente é difícil criar carga realista em laboratório de teste porque máquinas frequentemente são destinadas a trabalhar em materiais grandes, sujos ou difíceis que não podem ser trazidos ao laboratório. Para garantir que a norma requerida seja atendida, os seguintes requisitos devem ser observados:

1. Os reatores de entrada adicionais devem ser selecionados para serem corretos 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 harmônicas 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 provido no dispositivo de teste.

Reduzindo harmônicas

O nível natural de harmônicas gerado por um retificador simples pode ser muito reduzido pela adição de indutância. Isso pode ser no barramento CC do inversor ou nas linhas de entrada CA. A maioria dos inversores com potência acima de cerca de 2,2 kW usa alimentação trifásica e contém reatores 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 que na Figura 1, embora esteja longe de ser senoidal. Neste caso, o ITHD é cerca de 50% e a pior harmônica é a quinta a cerca de 40%.

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

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

Reatores oscilantes (Swinging chokes)

O uso de "reator oscilante" foi promovido por alguns fabricantes de inversores. O reator oscilante é uma invenção dos anos 1920, onde era usado em alguns rádios para suavização CC. O reator 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 reduz. O resultado é que em correntes baixas a indutância é aumentada, e isso ajuda a contrabalancear o problema descrito acima, de atender limites de harmônicas sobre uma faixa de potências de carga. Isso porque o valor da indutância se adapta à carga.

O reator oscilante pode beneficiar o fabricante do inversor, porque pode permitir que o estoque de diferentes valores de reator para uma variedade de classificações de inversor seja reduzido. Pode beneficiar o usuário permitindo que o inversor atenda uma norma harmônica em carga reduzida sem reator adicional ser requerido. Na prática, é bastante difícil projetar um reator oscilante que funcione sobre uma ampla faixa de carga, então os benefícios reais são pequenos.