HARMÔNICAS. Sr. Jean Baptiste Joseph FOURIER. WEG - Transformando Energia em Soluções. Menu

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1 HARMÔNICAS Formas de onda com freqüências múltiplas da fundamental; Ferramenta matemática desenvolvida para representar qualquer tipo de forma de onda (série de FOURIER); f(t) = a0 + (ah.cos(hω ot) + bh.sen(hω0t)) h= 1 Sr. Jean Baptiste Joseph FOURIER

2 Fisicamente estas formas de onda não existem, o que observa-se na prática são formas de onda distorcidas;

3 Conseqüência dos altos níveis de distorção Harmônica EQUIPAMENTOS Capacitores Motores Disjuntores Transformadores Acionamentos CONSEQÜÊNCIAS - Sobreaquecimento - Ruptura do dielétrico - Sobreaquecimento - Aumento das perdas - Torques Pulsantes - Atuações errôneas - Sobreaquecimento - Aumento das perdas - Falhas de comutação

4 Limites de distorção harmônica de tensão sugeridos pela norma IEEE última revisão 1992 TENSÃO NOMINAL APLICAÇÕES ESPECIAIS (%) Nota 1 APLICAÇÕES GENÉRICAS (%) SISTEMAS DEDICADOS (%) Nota 2 120<V<600 V 3,0 5,0 8 0,6<V<69 kv - 5,0-69<V<161 kv - 2,5 - V>161 kv - 1,5 - Nota 1 : Aplicações especiais onde alterações na tensão devido a Notches podem causar falhas de operação. Hospitais e sistemas de navegação e comunicação aeroportos; Nota 2 : Sistema exclusivo para alimentação do Drive ;

5 CARGAS LINEARES Cargas que não distorcem a forma de onda de corrente e tensão. Motores, lâmpadas incandescentes, cargas térmicas (aquecimento resistivo).

6 CARGAS NÃO LINEARES Cargas que distorcem a forma de onda de corrente e tensão. Cargas que utilizam elementos de arco, são tratadas com fontes de harmônicas de tensão. Lâmpadas de descarga, soldadores, fornos a arco. Cargas retificadoras, são tratadas como fontes de harmônicas de corrente. Inversores de freqüência, conversores de corrente contínua, no-breaks, fornos de indução.

7 FATOR DE POTÊNCIA Cargas Lineares: FP = cos φ Cargas não Lineares: FP 1 =. cosφ 1+ THD 2 FP = (I I i(1)ef i(1)ef ) 2.cosφ + (I i(h)ef ) 2 (I THD= I i(h)ef i(1)ef ) 2

8 Correção do Fator de Potência em sistemas com Cargas não Lineares O fator de potência em barramentos com inversores de freqüência é função principalmente da distorção harmônica. Salientamos que o cos φ da fundamental é aproximadamente unitário. FP 1 =. cosφ cosφ 1 1+ THD 2 Correção: diminuição da TDH.

9 Métodos Utilizados para Redução da THD Reatância de Rede e Bobina CC Filtros Sintonizados Filtros Broad-Band Filtros Ativos Drives com retificadores de 12 e 18 pulsos

10 Reatância de Rede e Bobina CC Reatância de Rede: Redução da I ef nos diodos do retificador; Redução da corrente de ripple nos capacitores do circuito intermediário; Reduz a incidência de bloqueios dos drives por sub e sobretensão do CI; Bobina CC: Dimensões reduzidas em relação à RR; Não há queda de tensão na entrada;

11 Filtros Sintonizados Equipamentos mais eficazes que a reatância de rede, no entanto deve-se tomar mais cuidado na instalação em função de possíveis ressonâncias com a rede de alimentação. Principais configurações: Filtro sintonizado Filtro amortecido

12 t0+ T 1 a0= f(t) dt T a t0 h = 2 T t0+ T t0 f(t)cos(hω 0 t) dt b h = 2 T t0+ T t0 f(t)sen(hω 0 t) dt

13 CONTEÚDO HARMÔNICO Fundamental 5 a harmônica 7 a harmônica 11 a harmônica 13 a harmônica

14 Distorções totais THD (I) e THD (V) P cc / P inv THD (I) % THD (V) % ,67 3, ,91 4, ,40 5, ,70 6, ,52 7, ,67 10,91 Problemas com harmônicas podem ocorrer quando a freqüência de ressonância do circuito elétrico coincidir, ou estiver próxima das harmônicas geradas pelo inversor e, a relação Pcc/Pinv < 20.

15 Freqüência de ressonância do circuito elétrico 1 2π 1 LC

16 IMPORTANTE É preferível deixar o sistema sem correção de fator de potência por intermédio de filtros de harmônicas ou capacitores, a fazê-lo de forma incorreta! A introdução de filtros ou capacitores sem o completo conhecimento das características elétricas da instalação, poderá criar circuitos ressonantes podendo provocar sérios danos aos equipamentos!

17 Reatância de Rede Bobina CC Lcc +Ud Rede Monofasica ou Trifasica Ls Ls Ls PCC Lr Lr Lr D1 D3 D5 D2 D4 D6 C1 V1 V4 V2 V 5 V3 V6 Motor Trifasico Curvas

18 Filtros Sintonizados Utilizado para eliminar harmônicas específicas e indesejadas f/f h

19 Alternativa com uma reatância conforme esquema: Reduz a possibilidade do filtro importar correntes harmônicas de cargas do sistema. Diminui a possibilidade de ocorrer ressonância DRIVECOM ENTRADA TRIFASICA Motor com a rede, pois a freqüência natural de FILTROSINTONIZADO ressonância é deslocada L1 L2 K1 C1 para um valor menor que REDE TRIFASICA L1 L2 K1 C3 C2 a freqüência da rede. L1 L2 K1

20 Filtros Amortecidos 2R Utilizado para atenuar harmônicas específicas e as demais com menos intensidade. R f

21 Filtros BROAD-BAND Filtro passa baixa com transformador para regular a tensão; Elimina problemas de importação de correntes harmônicas de outras cargas do sistema; Não ocorre ressonância com o sistema

22 Filtros Ativos Método mais eficaz para atenuação de harmônicas; Permite seleção das harmônicas a serem eliminadas; Permite compensação de potências reativas; Dois tipos de configuração: série e paralelo; A topologia em paralelo é a mais utilizada por ser mais flexível. REDE C1 FILTRO DE RF L1 L1 L1 PONTE TRIFASICA C/ IGBT TC2 TC1 CIRCUITO DE CONTROLE DRIVE COM ENTRADA TRIFASICA Motor Curvas

23 Retificadores com 12 e 18 pulsos e Transformadores Defasadores O conteúdo harmônico é definido da seguinte forma: h = n.p ± 1 h ordem das harmônicas p número de pulsos do retificador n número inteiro 1, 2,... A amplitude das harmônicas é no máximo 1 / h. Quanto maior o número de pulsos menor o conteúdo harmônico de baixa ordem.

24 Retificadores com 12 e 18 pulsos e Transformadores Defasadores I5,I7 DRIVE COM ENTRADA TRIF SICA Motor REDE I5,I7 DRIVE COM ENTRADA TRIF SICA Motor Curvas

25 Forma de onda de tensão do CI e de corrente de entrada sem reatância de rede e sem bobina CC Forma de onda de tensão do CI e de corrente de entrada sem reatância de rede e com bobina CC

26 Redução do conteúdo harmônico com o uso de filtros ativos - o THD(I) é reduzido de 76,4% para 3,7%. Ih(%) 2,5 2 1,5 1 0, Ordem(h) Compensador ativo de 103 A

27 Conteúdo harmônico da corrente de linha. THD(I) = 8,6% - FP = 0,98 Forma de onda da corrente de linha. 6 I h ( % ) Ordem(h) > T 1) Ch 1: 100 mv 5 ms 2) Ref A: 200 mv 5 ms Inversor de 250HP com retificador de 12 pulsos.

28 Relação entre a impedância de entrada, THD (I) % e FP Impedância total de Entrada % THD (I) % FP 0, , , , , , ,91

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