A presença deste tipo de correntes parasitas em instalações eléctricas (tanto a nível doméstico como industrial) aumentou nos últimos anos devido à crescente implementação de cargas conhecidas como não lineares, que envolvem a utilização de conversores electrónicos para transformações AC-DC e DC-AC para o seu funcionamento. Após as transformações acima mencionadas, as cargas acabam por consumir corrente com uma forma de onda distorcida.

Artigos comuns, tais como computadores, requerem conversões AC-DC.

Graças ao matemático Jean-Baptiste Fourier, esta forma de onda pode ser decomposta numa soma de correntes com múltiplas frequências da frequência fundamental (50 - 60 Hz).

Trata-se portanto de perturbações que têm origem nas próprias instalações, por oposição a outros factores de qualidade da rede, tais como amplitude, frequência ou simetria, que são normalmente causados pelo fornecedor de energia.

Para além dos efeitos acima mencionados na forma de onda de corrente, os harmónicos de corrente causam também um efeito de distorção na forma de onda de tensão, devido às quedas de tensão que ocorrem quando estas correntes fluem através da impedância das linhas e transformadores.

Estas distorções podem ser medidas por analisadores de rede e são principalmente quantificadas em percentagem de distorção ou taxa de distorção harmónica (THD). A nível internacional, existem normas que estabelecem valores-limite para a distorção harmónica, que é importante minimizar porque os seus efeitos podem ter um impacto nas instalações próximas de outros utilizadores (ver IEC-61000-2-2; 2-4; 3-2; 3-4; 3-12; IEEE-519-2014).

 

Após esta introdução conceptual, vejamos as cargas não lineares mais comuns:

• Conversores estáticos (grupos rectificadores, variadores de velocidade, arrancadores suaves, carregadores de bateria...).
• Equipamento electrónico monofásico, como computadores, impressoras, PLCs, etc. Internamente trabalham em corrente contínua e têm um condensador de filtro e um rectificador à entrada.
• Instalações de iluminação com lâmpadas de descarga.
• Fornos e equipamento de soldadura por arco.
• Transformadores e reactores com núcleo de ferro, cuja magnetização não é linear.

 

Um dos efeitos mais importantes da distorção da corrente causada pelas cargas listadas é um aumento da corrente RMS na rede, o que leva a um aumento desnecessário do consumo e a problemas relacionados com o dimensionamento de cabos e transformadores.

Suas principais consequências são:

 

• Sobrecarga de condutores

O aumento da corrente RMS pode significar que a corrente que flui através dos condutores é superior à corrente admissível dos condutores, tornando necessário aumentar a secção transversal dos condutores, se o efeito causado pelas correntes harmónicas não tivesse sido tido em conta. Este problema pode ser particularmente crítico para os condutores neutros, uma vez que os harmónicos triplos (ordem ímpar múltipla de 3: 3, 9, 15), causados principalmente por cargas monofásicas, provocam o retorno das correntes harmónicas a serem produzidas pelo neutro, somando-as. É essencial controlar o nível de sobrecorrentes no neutro, pois o aquecimento excessivo pode levar a uma degradação significativa, mesmo a um corte do neutro se este não for devidamente controlado. O corte do neutro conduziria a uma sobretensão permanente na rede, destruindo o equipamento que não está protegido contra esta situação.

 

• Desclassificação de transformadores

A presença de harmónicos na rede aumenta o valor das perdas de histerese e das perdas de corrente parasita nos transformadores, aumentando a sua temperatura de funcionamento e, consequentemente, reduzindo o seu tempo de vida útil. Assim, os transformadores afectados por correntes harmónicas sofrerão uma diminuição da potência (perda de capacidade) em que podem operar sem gerar sobreaquecimento.

 

• Tropeçar de protecções

A corrente RMS que flui através dos condutores pode ser significativamente alterada com o aumento da corrente devido aos harmónicos na instalação, o que pode exceder os limites térmicos dos disjuntores e causar o seu disparo. Embora seja mais improvável, a presença de harmónicos pode mesmo provocar o disparo dos disjuntores por protecção magnética no caso de o factor de crista da forma de onda da corrente exceder o limite dos disjuntores. Factores de crista elevados são frequentemente encontrados em cargas monofásicas, tais como computadores ou iluminação de descarga. As correntes harmónicas têm um efeito indirecto no disparo de disjuntores de fuga à terra, uma vez que o facto de passarem por um disjuntor de fuga à terra não provocará o seu disparo. Por outro lado, implicará um comportamento da rede a montante do diferencial caracterizado por uma elevada impedância contra correntes harmónicas, fazendo-as circular através de capacidades parasitárias ou elementos capacitivos ligados à terra (filtros CEM), aumentando o nível de fuga observado pela protecção diferencial e provocando tropeços inoportunos.

 

• Ressonância e sobrecarga dos bancos de condensadores

Os condensadores são elementos que podem apresentar ressonância em paralelo com o comportamento indutivo do transformador e a cablagem de alimentação eléctrica da instalação. Esta ressonância aumenta consideravelmente a impedância da montagem a uma dada frequência que variará de acordo com a potência do banco de condensadores ou com as condições de impedância do sistema de alimentação eléctrica. Devido a estas características dos elementos capacitivos, e em combinação com a presença de harmónicos na rede, dois fenómenos prejudiciais podem ocorrer na instalação:

• Em primeiro lugar, há um aumento na taxa de distorção da tensão para toda a instalação onde a ressonância está presente, e pode afectar o resto das cargas.
• Por outro lado, os próprios condensadores e outros elementos do banco de condensadores, tais como os elementos de comutação, podem ser danificados como resultado da sua menor impedância contra correntes harmónicas e do elevado grau de distorção de tensão, o que provocará um aumento do consumo de corrente dos condensadores, podendo mesmo queimá-los.

Tendo lidado com as consequências dos harmónicos de corrente, vejamos os principais problemas relacionados com os harmónicos de tensão:

• Distorção de voltagem

A distorção da tensão é o resultado de correntes harmónicas que passam através das impedâncias que compõem os diferentes elementos de distribuição e fornecimento de energia da instalação. A distorção da tensão é particularmente relevante, uma vez que níveis elevados podem causar mau funcionamento do equipamento nas instalações, e por este motivo existem regulamentos em relação aos níveis de compatibilidade para este tipo de perturbação. A norma EN 50160 estabelece condições a serem cumpridas tanto pelo consumidor como pelo distribuidor no ponto de acoplamento (PCC), enquanto que a norma 61000-2-4 estabelece limites máximos de distorção para o funcionamento correcto de diferentes tipos de cargas. Diferentes classes de ambiente são também definidas nesta norma. Como exemplo, o limite de distorção de tensão para a classe 1, que inclui cargas sensíveis, tais como automatismos, computadores, etc., é fixado em 5%. Isto significa que, para valores de distorção mais elevados, tais cargas podem ser afectadas e funcionar de forma inadequada.

 

• Efeito nos motores de indução

Os motores de indução terão perdas acrescidas como resultado do aumento das correntes de Foucault. Além disso, e dependendo das sequências de rotação induzidas pelos campos magnéticos provocados pelos harmónicos em tensão, o motor pode sofrer acelerações (sequência positiva), travagens (sequência negativa), ou ambas ao mesmo tempo, provocando vibrações e excentricidades que levam ao desgaste mecânico dos seus componentes. O estudo da desclassificação dos motores contra a taxa de distorção sob tensão é abrangido pelas normas EN 60034-12 e NEMA MG1. Em última análise, os factores observados levam a uma perda de torque no motor e a uma diminuição do seu desempenho.

 

• Perturbações de travessia zero

Muitos dispositivos electrónicos têm controladores que activam o funcionamento da carga à tensão de passagem zero. Isto é utilizado para minimizar os picos de corrente de comutação de muitas cargas indutivas, e minimizar o seu impacto EMC. Em caso de distorção de tensão, o funcionamento de tal equipamento pode ser totalmente errado, o que pode causar a sua ruptura, entrar em loop, reiniciar, etc.

Tendo analisado as origens e efeitos das harmónicas, é importante salientar que o interesse em eliminá-las das instalações eléctricas não é puramente económico, mas está centrado na garantia de um fornecimento de electricidade de qualidade. Ao contrário do que aconteceu com o factor de potência, não há actualmente penalizações para problemas relacionados com a presença de harmónicos nas redes de consumidores de electricidade.

Em termos de poupança, embora tenha sido mencionado que os harmónicos aumentam a corrente RMS e isto implica um aumento do consumo de energia, não é razoável implementar soluções de filtragem harmónica de modo a reduzir perdas adicionais, uma vez que o equipamento necessário para este fim implica um consumo que provavelmente não conduzirá a poupanças.

 

Então, com que fim devemos minimizar a presença de harmónicas nas nossas instalações?

A resposta a esta pergunta reside nas vantagens de ter energia eléctrica de qualidade a circular no nosso sistema eléctrico:

Evitar tropeços desnecessários de protecção e garantir o bom funcionamento do equipamento contribuirá para manter a continuidade do serviço, o que é essencial em toda a actividade industrial.

A manutenção de taxas de distorção a níveis reduzidos permitirá economias significativas na manutenção do equipamento, assegurando que o equipamento funcione sempre em condições óptimas e evitando avarias prematuras que afectarão tanto a continuidade do serviço como o impacto económico das reparações ou substituições.

Para além destas considerações, a segurança nas instalações eléctricas deve ser considerada uma prioridade, especialmente tendo em conta a presença de pessoal que interage com as máquinas e a prevenção de acidentes graves, tais como incêndios. Neste sentido, ter a cablagem e o equipamento correctamente dimensionados para as condições de trabalho é fundamental para minimizar as falhas de isolamento e o sobreaquecimento dos componentes.

 

A Proposta da CIRCUTOR: AFQm Filtros Activos

A última inovação da Circutor em filtragem harmónica vem com o lançamento dos novos filtros activos AFQm. A série AFQ é renovada com mais possibilidades graças a um design modular que é agora mais compacto, mais leve, mais eficiente e com a garantia de qualidade funcional da sua antecessora AFQevo.

O princípio de funcionamento do filtro AFQm é a injecção de correntes contra-fásicas nas correntes harmónicas que circulam na rede. O equipamento mede a taxa de distorção de entrada e compensa-a para obter o melhor ajustamento possível a uma onda sinusoidal ideal, como ilustrado na figura abaixo:

Princípio de funcionamento de um filtro activo

 

Desta forma, consegue-se uma filtragem de alta precisão, contribuindo para manter um fornecimento de electricidade de qualidade, o que resultará numa maior eficiência e num melhor funcionamento global dos elementos na instalação, conforme detalhado nos pontos anteriores deste artigo.

Devido à elevada presença de harmónicos nas instalações eléctricas actuais, os filtros activos AFQm são adequados para uma multiplicidade de aplicações, especialmente naquelas indústrias onde a alta qualidade da forma de onda é essencial.

Características do filtro activo AFQm

• Multifuncional

AFQm elimina os harmónicos e preocupa-se com a qualidade do fornecimento na sua instalação.

Filtro activo multifuncional, com selecção prioritária entre as seguintes tarefas:

• Filtragem da corrente harmónica
• Equilíbrio de fases
• Compensação de potência reactiva.

• Prático

Rápida instalação e colocação em funcionamento em passos simples.

Basta ligar o filtro e os transformadores de medição à rede, configurar a unidade através do ecrã táctil e colocá-la em funcionamento. O próprio equipamento assegurará que o arranque possa ser efectuado em segurança graças a um sistema interno de auto-diagnóstico.

 

• Interactivo

O seu visor a cores permite tanto configurar o equipamento como visualizar o estado da instalação em tempo real.

• Fácil configuração da unidade com um processo claro e orientado. Os harmónicos a filtrar podem ser seleccionados individualmente para se conseguir um funcionamento óptimo do equipamento.
• Solução de erros de ligação: No caso de um problema comum como a ligação incorrecta dos transformadores de instrumentos, é apenas necessário aceder ao menu de configuração para o corrigir com apenas alguns cliques.
• Visualização em tempo real: Através do ecrã táctil é também possível visualizar em tempo real o estado do filtro, as leituras dos principais parâmetros eléctricos, os diagramas de fase, as formas de onda e o espectro harmónico. A informação é apresentada ao utilizador de uma forma muito visual através de gráficos e diagramas, para o reconhecimento imediato do comportamento da instalação e do equipamento. Neste sentido, o equipamento fornece informação desde os 5 segundos anteriores à activação de um alarme para controlo total sobre o estado da instalação.

 

• Modular

Encontre a combinação que melhor se adapta às suas necessidades de filtragem.

A gama AFQm compacta é composta por 3 modelos montados na parede: 30A, 60A e 100A. Em comparação com o modelo anterior, os novos filtros activos são agora mais compactos, mais leves e mais silenciosos, e permitem um maior número de combinações. Para instalações com requisitos de maior capacidade de filtragem, os modelos 100A podem ser instalados num arranjo tipo gabinete, atingindo até 400A gabinetes. Neste tipo de configuração, apenas um dos módulos actuará como o mestre, e este módulo será responsável pela gestão global do sistema de filtragem. Desta forma, consegue-se uma poupança significativa em transformadores de instrumentos e cabos eléctricos, requerendo apenas 3 transformadores de instrumentos ligados ao master e à cablagem do bus CAN entre os módulos escravos. Em casos com exigências de filtragem ainda maiores, a função mestre-escravo pode ser ampliada até 100 unidades ligadas em paralelo.

• Comunicável

Gerir o equipamento onde quer que se encontre através de PC ou dispositivos móveis.

AFQm incorpora comunicações Ethernet TCP/IP e Modbus TCP para monitorização on-line através de uma página web, da qual os dados podem ser extraídos em formato Excel por download directo (sem a necessidade de software). Além disso, permite que o equipamento seja totalmente configurado, com todas as funcionalidades da configuração no ecrã, e permite que o estado do filtro seja monitorizado em tempo real e remotamente.

A título de exemplo, o equipamento poderia ser colocado em funcionamento à distância, com pessoal no local apenas responsável pela instalação física do filtro, e executar tarefas como a supervisão à distância. Desta forma, estaremos a poupar no custo de pessoal técnico que viaja para o local de instalação, alocando este tipo de recursos quando estritamente necessário.

• Rastreável

Todas as leituras são gravadas na memória do dispositivo para que não se perca um único detalhe.

O filtro armazena leituras com uma periodicidade de um minuto e capacidade para 7 anos de registo de dados, graças à sua memória interna de 2 Gb. Estes registos podem ser recuperados através de comunicações para uma análise profunda do comportamento da instalação.

• Seguro

O equipamento integra todos os sistemas destinados a minimizar as suas necessidades de manutenção.

AFQm tem uma série de sistemas que garantem a segurança do filtro em funcionamento:

• Sistema de protecção para evitar o arranque em caso de problema.
• Sistema anti-ressonância: o equipamento evita trabalhar em frequências específicas onde a ressonância é detectada.
• Sistema inteligente de gestão térmica: regulação da velocidade do ventilador e regulação da potência em condições de alta temperatura.
• Activação do modo seguro em caso de detecção de falhas
• O equipamento executa tarefas de auto-diagnóstico sobre o código e o hardware que o executa.

 

Consulte toda a informação sobre os novos filtros activos AFQm:

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