Baixe Qualidade de energiaHarmônicas p.2 - Schneider / Procobre p.3 p.4 F e outras Notas de estudo em PDF para Automação, somente na Docsity! 4 Workshop Instalações Elétricas de Baixa Tensão Qualidade de energia Harmônicas Dare E Schneider 9 PROCOBRE Telemecanique é Electric INSTITUTO BRASILEIRO DO COBRE p.2 / Qualidade de energia - Harmônicas - Schneider / Procobre Qualidade de energia Harmônica 1 Generalidades................................................................................................................................04 1.1 Definição e origem das harmônicas........................................................................................................04 1.1.1 Deformação de um sinal senoidal.................................................................................................04 1.1.2 Origem das harmônicas..............................................................................................................04 1.2 Por que detectar as harmônicas e as combater?.....................................................................................05 1.2.1 As perturbações causadas por harmônicas...................................................................................05 1.2.2 O impacto econômico destas perturbações...................................................................................06 1.2.3 Conseqüências cada vez mais consideráveis................................................................................06 1.2.4 Na prática, quais harmônicas medir e combater?...........................................................................06 2 Os indicadores essenciais da distorção harmônica e os princípios de medição .......06 2.1 Fator de potência..........................................................................................................................................................06 2.1.1 Definição............................................................................................................................................06 2.1.2 Interpretação do valor do fator de potência.....................................................................................06 2.2 Fator de crista......................................................................................................................................06 2.2.1 Definição............................................................................................................................06 2.2.2 Interpretação do valor do fator de crista..........................................................................................07 2.3 Potência e harmônicas..........................................................................................................................07 2.3.1 Potência ativa.............................................................................................................................07 2.3.2 Potência reativa..........................................................................................................................07 2.3.3 Potência de distorção..................................................................................................................07 2.4 Espectro em freqüência e taxa de harmônica..........................................................................................07 2.4.1 Princípio.............................................................................................................................07 2.4.2 Taxa individual de harmônica (ou taxa de harmônica da ordem h)......................................................07 2.4.3 Espectro em freqüência...............................................................................................................07 2.4.4 Valor eficaz................................................................................................................................08 2.5 Taxa de distorção harmônica (THD)........................................................................................................08 2.5.1 Definição do THD........................................................................................................................08 2.5.2 THD em corrente ou em tensão.....................................................................................................08 2.5.3 Caso particular: o THF.................................................................................................................08 2.5.4 Relação entre fator de potência e THD...........................................................................................08 2.6 Interesse de cada um dos indicadores....................................................................................................09 3 A medição dos indicadores................................................................................................................09 3.1 Quais aparelhos para medir estes indicadores?.......................................................................................09 3.1.1 A escolha de um aparelho...........................................................................................................09 3.1.2 Funções asseguradas pelos analisadores numéricos.....................................................................09 3.1.3 Princípio dos analisadores, modo de tratamento de dados..............................................................09 3.2 Procedimento para análise harmônica da rede.........................................................................................10 3.3 Antecipar a luta contra as harmônicas.....................................................................................................10 3.3.1 Privilegiar os aparelhos de medição instalados permanentemente sobre a rede................................10 3.3.2 Tirar proveito de aparelhos de medição ou de detecção integrados...................................................10 4 Principais efeitos das harmônicas nas instalações....................................................................10 4.1 Fenômeno de ressonância.....................................................................................................................10 4.2 Aumento das perdas.............................................................................................................................11 4.2.1 Perdas nos condutores................................................................................................................11 4.2.2 Perdas nas máquinas assíncronas..............................................................................................11 4.2.3 Perdas nos transformadores........................................................................................................11 4.2.4 Perdas nos capacitores...............................................................................................................12 4.3 Sobrecargas dos materiais....................................................................................................................12 4.3.1 Alternadores.......................................................................................................................12 4.3.2 No-break....................................................................................................................................12 4.3.3 Máquinas assíncronas................................................................................................................12 4.3.4 Transformadores..................................................................................................................12 4.3.5 Capacitores........................................................................................................................13 4.3.6 Condutores de neutro..................................................................................................................13 4.4 Perturbações das cargas sensíveis........................................................................................................14 4.4.1 Efeito da deformação da tensão de alimentação.............................................................................14 4.4.2 Degradação dos sinais telefônicos...............................................................................................14 Schneider / Procobre - Qualidade de energia - Harmônicas / p.5 Carga não-linear: definição Uma carga é dita não-linear quando a corrente que ela absorve não tem a mesma forma da tensão que a alimenta. Exemplos de cargas não-lineares Tipicamente, as cargas utilizando a eletrônica de potência são não-lineares. - 1 0 1 - 1 0 1 Angle A ngle Current Voltage Voltage Waveform Current Waveform Load Line Fig. 6: cargas não-lineares Elas são cada vez mais numerosas e sua contribuição consumo de energia cresce sem cessar. Como exemplo, podemos citar: n os equipamentos industriais (máquinas de solda,...) n os inversores de freqüência para motores assíncronos ou motores em corrente contínua, n os equipamentos de escritório (computadores, máquinas copiadoras, fax,...), n os aparelhos domésticos (TV, forno microondas, iluminação néon,...), n os no-break's. Igualmente, não-lineares imputáveis às saturações nos equipamentos (transformadores principalmente) podem se manifestar. Perturbações indutivas por cargas não-lineares: corrente e tensão harmônicas A alimentação de cargas não-lineares gera correntes harmônicas, circulando na rede. A tensão harmônica é causada pela circulação da corrente harmônica nas impedâncias dos circuitos de alimentação (conjunto transformador e rede, no caso da figura). Fig. 7: esquema unifilar representando a impedância do circuito de alimentação. Dizemos que a impedância de um condutor aumenta em função da freqüência da corrente que o percorre, para cada corrente harmônica de ordem h corresponde então uma impedância de circuito de alimentação Zh. A corrente harmônica de ordem h vai gerar através da impedância Zh uma tensão harmônica U h, com Uh = ZhxIh, por simples aplicação da lei de Ohm. A tensão em B é então deformada. Todo aparelho alimentado à partir do ponto B receberá uma tensão perturbada. Esta deformação será tanto mais forte que as impedâncias da rede são consideráveis, para uma corrente harmônica dada. Circulação das harmônicas nas redes Para melhor compreender o fenômeno das correntes harmônicas, podemos considerar que tudo se passa como se as cargas não-lineares reinjetassem uma corrente harmônica na rede, em direção da fonte. As figuras apresentam uma visão de uma instalação poluida pelas harmônicas considerando todo acesso a instalação percorrida pela corrente de freqüência 60 Hz, a qual se sobrepõe a instalação percorrida pela corrente harmônica de ordem h. Fig. 8: esquema de uma instalação alimentando uma carga não-linear, para a qual só consideramos os fenômenos ligados a freqüência 60 Hz (freqüência fundamental). Fig. 9: esquema da mesma instalação, para qual só consideramos os fenômenos ligados a freqüência da harmônica de ordem h. A alimentação desta carga não-linear gerada na rede a circulação da corrente I60Hz, a qual se acrescenta cada uma das correntes harmônicas Ih correpondente a cada harmônica da ordem h. Considerando o modelo das cargas reinjetando uma corrente harmônica na rede, podemos representar a circulação das correntes harmônicas em uma rede na figura. Nesta figura, podemos notar que se certas cargas geram na rede correntes harmônicas, outras cargas podem absorver estas correntes. Fig. 10: circulação de correntes harmônicas em uma rede. 1.2 Por que detectar as harmônicas e as combater? 1.2.1 As perturbações causadas por harmôncias As harmônicas circulam nas redes deteriorando a qualidade da energia, e são assim a origem de numerosos prejuízos: n sobrecarga das rede de distribuição por aumento da corrente eficaz, p.6 / Qualidade de energia - Harmônicas - Schneider / Procobre n sobrecarga dos condutores de neutro em razão da soma das harmônicas de ordem 3 geradas pelas cargas monofásicas, n sobrecarga, vibrações e envelhecimento dos alternadores, transformadores, motores, ruídos dos transformadores, n sobrecarga e envelhecimento dos capacitores de compensação de energia reativa, n deformação da tensão de alimentação podem perturbar receptores sensíveis, n perturbação das redes de comunciação ou das linhas telefônicas. 1.2.2 O impacto econômico destas perturbações As harmônicas tem um impacto econômico considerável. Neste caso: n o envelhecimento precoce do material leva a substituí-lo mais tarde, a menos que seja sobredimensionado. n as sobrecargas da rede obrigam a aumentar a potência necessária, e implicam, a menos que haja um sobredimensionamento das instalações, perdas suplementares, n as deformações da corrente provocam disparos intempestivos e a parada das instalações da produção. Estes custos de material, perdas energéticas e perda de produtividade ocasionam uma baixa competitividade das empresas. 1.2.3 Consequências cada vez mais consideráveis O fenômeno das harmônicas era pouco considerada pois seus efeitos sobre as redes eram geralmente pouco importantes. Mais a chegada da eletrônica de potência nos receptores tem amplificado fortemente o fenômeno em todos os setores da atividade. As harmônicas são tanto mais difíceis para combater que os equipamentos vitais para a empresa são frequentes responsáveis pela geração das perturbações. 1.2.4 Na prática, quais harmônicas medir e combater? As harmônicas frequentemente encontradas nos casos de redes trifásicas, na prática as mais incômodas, são as harmônicas de ordens ímpares. Além da ordem 50, as correntes harmônicas são desprezíveis e sua medição não é mais significativa. Assim, uma boa precisão da medição é obtida considerando as harmônicas até a ordem 30. Os distribuidores de energia supervisionam as harmônicas de ordem 3, 5, 7, 11 e 13. Assim, a compensação das harmônicas até a ordem 13 é imperativa, uma boa compensação leva igualmente em conta as harmônicas até a ordem 25. 2 Os indicadores essenciais da distorção harmônica e os princípios de medição "Existem indicadores que permitem quantificar e avaliar a distorção harmônica das ondas de tensão e de corrente. Estes são: n o fator de potência, n o fator de crista, n a potência de distorção, n o espectro em freqüência, n a taxa de distorção harmônica. Estes indicadores são indispensáveis para determinação das ações corretivas eventuais". 2.1 Fator de potência É utilizado FP, para fator de potência. 2.1.1 Definição O fator de potência é igual a relação entre a potência ativa P e a potência aparente S. Na linguagem dos eletricistas, é muito freqüente confundir com o coseno phi (cosϕ), cuja a definição é: P1 = Potência ativa da fundamental. S1 = Potência reativa da fundamental. Ora, o cosϕ se relaciona unicamente a freqüência funda- mental, e, na presença de harmônicas, é então diferente do fator de potência FP. 2.1.2 Interpretação do valor do fator de potência Uma primeira indicação da presença significativa de harmônicas pode ser um fator de potência FP medido diferente do cosϕ (o fator de potência será inferior ao cosϕ). 2.2 Fator de crista 2.2.1 Definição É a relação entre o valor de crista da corrente ou da tensão (Im ou Um) e o valor eficaz. Para um sinal senoidal, este fator é então igual a r. Para um sinal não senoidal, pode ser que seja inferior, seja superior a √2. Este fator é mais particularmente útil para atrair a atenção sobre a presença de valores de crista excepcionais em relação ao valor eficaz. O valor de crista nos equipamentos eletrônicos tem relação direta com o disparo de diodos e outros componentes. Observando o gráfico1, somente com o sinal 1, o disparo de um diodo ocorreria em um tempo igual a 15 e com o sinal T (com harmônicas), o disparo ocorreria em um tempo igual a 13 (antes!). Schneider / Procobre - Qualidade de energia - Harmônicas / p.7 sinal 1= fundamental sinal 5= quinta harmônica Fig. 11: gráfico 1. Tabela do gráfico 1 Sinal Ip(A) Ief(A) FC Obs.: 1 310 219,2 1,41 Senóide 5 50 35,4 1,41 Senóide T 360 222 1,62 distorcida 2.2.2 Interpretação do valor do fator de crista O fator de crista típico das correntes absorvidas pelas cargas não-lineares é muito superior a √2: pode tomar valores iguais a 1,5 ou 2, chegando até 5 nos casos críticos. Um fator de crista muito elevado significa sobrecargas pontuais consideráveis. Estas sobrecargas, detectadas pelos dispositivos de proteções, podem ser a origem dos disparos intempestivos. 2.3 Potência e harmônicas 2.3.1 Potência ativa A potência ativa P de um sinal comportando harmônicas é a soma das potências ativas causadas por tensões e correntes de mesma ordem. A decomposição da tensão e da corrente em suas componentes harmônicas nos dá: ϕhseria a defasagem entre a tensão e a corrente harmônica de ordem h. Nota; supomos que o sinal não comporta componente contínua: U0=I0=0, na ausência de harmônicas, encontramos a expressão P=U1I1cosϕ1, potência de um sinal senoidal, cosϕ, seria o cosϕ). 2.3.2 Potência reativa A potência é definida somente para a fudnamental, seja: 2.3.3 Potência de distorção Consideramos a potência aparente S: Na presença de harmônicas, podemos escrever: Em conseqüência, na presença de harmônicas, a relação S2=P2+Q2 não é válida. Definimos a potência de distorção D tal que: S2=P2+Q2+D2, seja; 2.4 Espectro em freqüência e taxa de harmônica 2.4.1 Princípio Cada tipo de aparelho possui sua própria característica de correntes harmônicas, com amplitudes e defasagem diferentes. Estes valores, notadamente a amplitude para cada ordem de harmônica, são essenciais para análise. 2.4.2 Taxa individual de harmônica (ou taxa de harmônica da ordem h) Definimos taxa individual de harmônica como a porcentagem de harmônioca de ordem h dividida pela fundamental: 2.4.3 Espectro em freqüência Representando a amplitude de cada ordem de harmônica, na presença de sua freqüência, obtemos uma representação sob forma de histograma, chamda análise espectral. Fig. 12: análise espectral de um sinal retangular, para a tensão U(t). p.10 / Qualidade de energia - Harmônicas - Schneider / Procobre 3.2 Procedimento para a análise harmônica da rede Esta tomada de medição se efetua no setor industrial ou comercial: n a título preventivo: o para fazer a estimação global do estado da rede (cartografia da rede), n a título corretivo: o para diagnosticar um problema de perturbação, e encarar soluções para o suprimir, o para verificar a conformidade de uma solução (seguido de uma modificação da rede para verificar a diminuição das harmônicas). Procedimento Estuadamos a tensão e a corrente no nível: n da fonte de alimentação, n do jogo de barras do quadro de distribuição principal (ou do jogo de barras AT), n e de cada uma das entradas do quadro de distribuição principal (ou do jogo de barras AT). Quando de medições, é necessário conhecer as condições precisas da instalação, em particular o estado dos bancos de capacitores serviço, número de crescente de disparos). O resultado da análise será: n o desclassificamento eventual do material a instalar, ou bem, n a quantificação das proteções e filtragem contra as harmônicas à posicionar sobre a rede, n a comparação dos valores medidos aos valores de referência dos distribuidores de energia: valores limites de taxa de harmônicas, valores aceitáveis, valores de referência. Utilização de aparelho de medição Os aparelhos servem para indicar os efeitos instatâneos e os efeitos a longo termo das harmônicas. Temos necessidade de valores integrados sobre durações indo de quaisquer segundos à quaisquer minutos, para períodos de observação de quaisquer dias. As grandezas a recuperar são: n as amplitudes de tensões e correntes harmônicas, n a taxa de harmônica para cada ordem de correntes e de tensões, n a taxa de distorção harmônica da corrente e da tensão, n eventualmente o valor da defasagem entre tensão e corrente harmônicas de mesma ordem, e a fase de harmônicas em relação a uma referência comum (a tensão fundamental por exemplo). 3.3 Antecipar a luta contra as harmônicas Os indicadores do nível de harmônica podem ser medidos: n por aparelhos instalados permanentemente sobre a rede, n por um perito para uma visão pontual. 3.3.1 Privilegiar os aparelhos de medição intalados permanentemente sobre a rede Por várias razões, a instalação para permanência de aparelhos de medição sobre a rede resta privilegiar: n uma intervenção pontual do perito, quando ocorrer medições em diferentes pontos da instalação e em um período determinado longo (1 semana a um mês) dão uma visão global do funcionamento da instalação, e levam em conta todos os casos mostrados que podem se apresentar seguindo: o a flutuação da fonte de alimentação, o as variações de funcionamento da instalação, o aos novos equipamentos acrescentados a instalação. n os aparelhos de medição instalados sobre a rede preparando e facilitando o diagnóstico dos peritos, reduzindo assim a duração e o número de suas intervenções, n os aparelhos de medição em substituição detectarão as novas perturbações causadas à instalação de novos equipamentos, a de novos modos de funcionamento, ou à flutuações da rede de alimentação. 3.3.2 Tirar proveito de aparelhos de medição ou de detecção integrados Os aparelhos de detecção ou medição integrados aos equipamentos de distribuição elétrica: n no caso de estimação global da rede de distribuição (análise preventiva), evitam: o a locação de material de medição, o intervenções de peritos, o as conexões e desconexões dos materiais de medição. Para a estimação global da rede, a estimação feita ao nível dos quadros gerais de distribuição (TGBT) pode tipicamente ser realizada pelo aparelho de entrada e/ou os aparelhos de medição integrados a cada saída. n no caso da análise corretiva os aparelhos permitem: o reencontrar as condições de funcionamento que existirá no momento do incidente, o uma cartografia da rede, e a relação da solução substituição. O diagnóstico será completo pela utilização de materiais adaptados ao problema avaliado. 4 Principais efeitos das harmônicas nas instalações "As harmônicas tem um impacto econômico considerável nas instalações: n aumento das despesas com energia, n envelhecimento dos materiais, n perdas de produtividade". 4.1 Fenômeno de ressonância A associação sobre as redes de elementos capacitivos e indutivos ocasionam a aparição de fenômenos de ressonância. Manifestado por valores extremamente elevados ou extremamente fracos das impedâncias. Estas variações de impedância vão modificar as correntes e tensões presentes sobre a rede. Não consideramos aqui não mais que fenômenos de tipo ressonância paralela que são mais freqüentes. Consideramos o esquema simplificado seguinte, representando uma instalação compreendendo: n um transformador de alimentação, n cargas lineares, n cargas não-lineares geradoras de correntes harmônicas, n capacitores de compensação. Schneider / Procobre - Qualidade de energia - Harmônicas / p.11 de onde deduzimos: Sobre a figura seguinte temos representados, em função da taxa de distorção harmônica: n o crescimento da corrente eficaz Ief por uma carga absorvendo uma corrente fundamental dada, n o crescimento das perdas Joule, P Joules, sem levar em conta o efeito de contato. P Joules I rms Fig. 16: evolução da corrente eficaz e das perdas Joule em função do valor do THD. 4.2.2 Perdas nas máquinas assíncronas As tensões harmônicas aplicadas às máquinas assíncronas provocam a circulação de correntes de freqüências superiores a 60 Hz, no rotor. Estas correntes são então responsáveis por perdas suplementares, proporcionais a U h 2/h. n Ordens de grandeza: o uma tensão de alimentação quase retangular provoca um aumento das perdas de 20%, o uma tensão de alimentação com as taxas de harmônicas de ordem h u h seguintes: - u5: 8% de U1, U1 seria a harmônica de ordem 1 (ou tensão fundamental), - u7: 5% de U1, - u11: 3% de U1, - u13: 1% de U1, (seja um THD para a tensão igual a 10%) implica um aumento das perdas de 6%. 4.2.3 Perdas nos transformadores As correntes harmônicas circulam nos transformadores provocando um aumento das perdas nas bobinas pelo efeito Joule e perdas no ferro pelas correntes de Foucault. Por outro lado, as tensões harmônicas são responsáveis por perdas no ferro por histeresis. Na primeira aproximação, podemos considerar que as perdas nas bobinas variam como o quadrado de THD em corrente, e as perdas no núcleo linearmente em função do THD em tensão. n Ordem de grandeza: o aumento das perdas de 10 a 15% para os transformadores de distribuição pública, onde as taxas de distorção são limitadas. Gerador de Banco de Carga harmônicas capacitores linear Fig. 14: análise harmônica. Para uma análise harmônica, o esquema equivalente é o seguinte: Ls: indutância da alimentação (rede + transfo + linha) C: capacidade de compensação R: resistência das cargas lineares Ir: corrente harmônica. Fig. 15: análise harmônica. desprezando R Existe ressonância quando o denominador 1-LsCω2 tende a zero. A freqüência correspondente é então chamada freqüência de ressonância do circuito. Tendo esta freqüência, a impedância terá seu valor máximo. Existe então uma aparição de tensões harmônicas consideráveis e então uma forte distorção de tensão. Estas distorções de tensões se acompanham de circulações de correntes harmônicas em circuitos Ls + C superiores as correntes harmônicas injetadas. A rede de alimentação assim como que os capacitores de compensação são submissos às correntes harmônicas consideráveis e então à riscos de sobrecarga. 4.2 Aumento das perdas 4.2.1 Perdas nos condutores A potência ativa transmitida a uma carga é função da corrente fundamental. Quando a corrente absorvida pela carga contém harmônicas, o valor eficaz dessa corrente, Ief, é superior a fundamental I1. A definição do THD da: p.12 / Qualidade de energia - Harmônicas - Schneider / Procobre 4.2.4 Perdas nos capacitores As tensões harmônicas aplicadas aos capacitores provocam a circulação de correntes proporcionais a freqüência harmônica. Estas correntes são responsáveis por perdas suplementares. n Exemplo: Caso de uma tensão de alimentação com as taxas de harmônicas de ordem h u h seguintes: tensão fundamental (ou harmônica de ordem 1): U 1, tensões harmônicas: - u5: 8% de U1, - u7: 5% de U1, - u11: 3% de U1, - u13: 1% de U1, (este que representa um THD para a tensão igual à 10%). I1 = U1.C.ω I5=U5.C.5.ω=u5.5.I1 I7=U7.C.7.ω=u7.7.I1 I11=U11.C.11.ω=u11.11.I1 I13=U13.C.13.ω=u13.13.I1 Ieff= I 2 h Ieff = 1+(u5.5) 2 + (u7.7) 2 + (u13.13) 2 = 1,19 I1 Neste exemplo, as perdas joule são multiplicadas por 1,192 = 1,4 4.3 Sobrecarga dos materiais 4.3.1 Alternadores Os alternadores alimentam cargas não-lineares devendo ser desclassificados em razão das perdas suplementares geradas pelas correntes harmônicas. Este desclassificamento é de ordem de 10% para um alternador alimentando 30% de cargas não-lineares, de onde a necessidade de sobredimensionar o aparelho. Definimos nos casos de fontes (alternadores e transformadores) um coeficiente de desclassificamento. É necessário notar que este coeficiente não é definido da mesma maneira no caso de um alternador ou no caso de um transformador, o coeficiente de desclassificamento de um alternador seria mais penalizante. 4.3.2 No-break A corrente absorvida pelo material informático apresenta um fator de crista elevado. Um no-break dimensionado sobre o único valor de corrente eficaz corre o risco de não poder fornecer a crista de corrente necessária e de se encontrar em sobrecarga. 4.3.3 Máquinas assíncronas A norma IEC 60892 define uma taxa de harmônicas ponderada (Harmonic Voltage Factor) cuja a expressão e o valor máximo são dados abaixo: n Exemplo: Caso de uma tensão de alimentação com as taxas de harmônicas de ordem h u h seguintes: o tensão fundamental: (ou harmônica de ordem 1) U 1, o tensões harmônicas: - u3: 2% de U1, - u5: 3% de U1, - u7: 1% de U1, seja um THD para a tensão igual a 3,7% e HVF=0,018. Neste exemplo, a taxa de harmônicas ponderada é muito próxima do valor limite além da qual a máquina deve ser desclassificada. Uma regra prática consiste a não ultrapassar um THDu de 10% para a alimentação da máquina. 4.3.4 Transformadores A curva seguinte mostra o desclassificamento típico à aplicar a um transformador alimentando cargas eletrônicas. Exemplo: desclassificamento de 40% se o transformador alimenta 40% de cargas eletrônicas. Fig. 17: taxa de desclassificamento a aplicar a um transformador alimentando cargas eletrônicas. n a norma UTE C15-112 fornece um fator de desclassificamento dos transformadores em função das correntes harmônicas: Valores típicos: o corrente de forma retangular (espectro em 1/h (*)): k = 0,86, o corrente tipo inversor de freqüência (THD = 50%): k = 0,80. (*) na realidade, a forma do sinal da corrente se aproxima de uma forma retangular; é o caso para todo retificador de corrente (retificador trifásico). n fator k A norma ANSI C57.110 define um coeficiente de desclassificamento chamdo fator k pela fórmula seguinte: Este coeficiente de desclassificamneto k-factor é mais utilizado na América do norte. Schneider / Procobre - Qualidade de energia - Harmônicas / p.15 5.1 Normas de compatibilidade entre redes elétricas e produtos Estas normas dão diretrizes, para a compatibilidade entre as redes elétricas e os produtos, este significa que: n as harmônicas geradas por um aparelho não devem perturbar a rede além de níveis especificados. n cada aparelho deve poder funcionar normalmente na presença das perturbações iguais aos níveis especificados. n IEC 1000-2-2 para as redes públicas em baixa tensão. n IEC 1000-2-4 para as instalações industriais baixa tensão e média tensão. 5.2 Valores máximos de harmônicas aceitáveis Resultados de estudos internacionais tem permissão de reunir um certo número de dados cuja análise conduz a uma estimativa do valor típico de harmônicas podendo ser encontradas nas redes de fornecimento. Harmônicas ímpares não múltiplas de 3 Harmônicas ímpares múltiplas de 3 Harmônicas pares Gama h BT MT AT Gama h BT MT AT Gama h BT MT AT 5 6 6 2 3 5 2.5 1.5 2 2 1.5 1.5 7 5 5 2 9 1.5 1.5 1 4 1 1 1 11 3.5 3.5 1.5 15 0.3 0.3 0.3 6 0.5 0.5 0.5 13 3 3 1.5 21 0.2 0.2 0.2 8 .5 0.2 0.2 17 2 2 1 >21 0.2 0.2 0.2 10 0.5 0.2 0.2 19 1.5 1.5 1 12 0.2 0.2 0.2 23 1.5 1 0.7 >12 0.2 0.2 0.2 25 1.5 1 0.7 >25 0,2+25h 0,2+25h 0,1+25h 5.3 Normas de qualidade da rede n A norma EN 50160 precisa as características da tensão fornecida para as redes públicas baixa tensão, n IEEE 519 (Recommended practices for harmonics control in electrical power systems), é uma aproximação conjunta entre o distribuidor de energia e o cliente para limitar o impacto das cargas não-lineares. Por outro lado, os distribuidores de energia encorajam as ações de prevenção afim de reduzir as degradações da qualidade da eletricidade, os aquecimentos e as alterações do fator de potência. Refletindo cada vez mais a possibilidade de taxar os clientes poluidores. 5.4 Normas de produtos n IEC 61000-3-2 ou EN 61000-3-2 para os aparelhos baixa tensão absorvendo uma corrente inferior a 16A, n IEC 61000-3-4 ou EN 61000-3-4 para os aparelhos baixa tensão absorvendo uma corrente superior a 16A. 6 As soluções para atenuar as harmônicas "As soluções possíveis para atenuar os efeitos harmônicos são de três naturezas diferentes: n adaptações da instalação, n utilização de dispositivos particulares na alimentação (indutâncias, transformadores especiais), n filtragem". 6.1 Soluções de base Para limitar a propagação das harmônicas na rede, disposições podem ser levados em conta, e estão à observar em particular no caso de uma nova instalação. 6.1.1 Posicionar as cargas poluentes a montante da rede A perturbação harmônica global criada quando a potência de curto-circuito diminue. Fora de toda consideração econômica, é então preferível conectar as cargas poluentes a montante possível. Fig. 22: alimentação a mais em a montante possível das cargas não-lineares (esquema aconselhado). 6.1.2 Reagrupar as cargas poluente Quando estabelecemos o esquema unifilar, encontraremos para separar os equipamentos perturbadores: na prática, alimentaremos cargas poluentes e não poluentes por jogos de barras diferentes. Assim, reagrupando as cargas poluentes, aumentaremos a possibilidade de aumentar o volume angular. A soma vetorial das correntes harmônicas é mais fraca que sua soma algébrica. Fig. 23: reagrupamento das cargas não lineares e alimentação a mais em amontante possível (esquema aconselhado). Evitaremos igualmente que as correntes harmônicas não percorram os cabos, este que limitará as quedas de tensão e os aquecimentos nos cabos. 6.1.3 Separar as fontes Na luta contra as harmônicas, um melhoramento suplementar é obtido realizando uma alimentação pelo transformador separado, segundo o esquema seguinte. p.16 / Qualidade de energia - Harmônicas - Schneider / Procobre Fig. 24: alimentação das cargas perturbadoras pelo transformador separado. 6.1.4 Utilizar transformadores em conjugados isolados O efeito de conjugado de transformadores permite a supressão de certas ordens de harmônicas. Vejamos quais ordens de harmônicas são fixadas, em função dos tipos de conjugados: n um conjugado Dyd fixado as harmônicas de ordens 5 e 7, n um conjugado Dy fixa as harmônicas de ordem 3 (as harmônicas circulam em cada uma das fases, e se reencontram pelo neutro do transformador), n um conjugado DZ5 fixa as harmônicas de ordem 5 (para juntar-se no circuito magnético). Fig. 25: a utilização de um transformador Dyd stoppe a propagação das harmônicas de gamas 5 e 7 versus a montante da rede. 6.1.5 Inserir indutâncias na instalação No caso da alimentação de inversores de freqüência, podemos suavizar a corrente colocando indutâncias de linha. Aumentando a impedância do circuito de alimentação, limitemos a corrente harmônica. A colocação de selfs anti-harmônicas sobre os bancos de capacitores permite aumentar a impedância do conjunto self e capacitor, para as harmônicas de freqüências elevadas. 6.1.6 Escolher um esquema de aterramento adaptado n Caso do regime TNC No caso do regime de neutro TNC, um único condutor (PEN) assegura a proteção em caso de defeito (terra) e assegura a circulação das correntes de desequilíbrio. Em regime permanente, as correntes harmônicas circulam no PEN. Tem uma certa impedância, esta que implica em pequenas diferenças de potencial (de ordem de quaisquer volts) entre aparelhos, e pode ter como conseqüência o disfuncionamento dos equipamentos eletrônicos. O regime TNC deve então ser reservado a alimentação dos circuitos de potência, no início da instalação, e é prescrito no caso da alimentação de cargas sensíveis. n Caso do regime TNS É aconselhado no caso de presença de harmônicas. O condutor de neutro e o condutor de proteção PE seriam completamente separados, o potencial da rede é muito melhor fixo. 6.2 Ações no caso de ultrapassagem dos valores limites 6.2.1 Filtro passivo n Aplicações típicas: o instalações industriais com um conjunto de geradores de harmônicas de potência total superior a 200 kVA (inversores de freqüência, alimentações sem interrupções, retificadores,...), o instalação apresentando uma necessidade de compensação de energia reativa, o necessita de redução da taxa de distorção em tensão para evitar a perturbação de receptores sensíveis, o necessita de redução da taxa de distorção em corrente para evitar as sobrecargas. n Princípio de funcionamento: Substituimos um circuito LC ajustado sobre cada freqüência de harmônica a filtrar, em paralelo sobre o gerador de harmônicas. Este circuito de derivação absorve as harmônicas e evita que elas circulem na alimentação. Em geral, o filtro passivo é ajustado sobre uma ordem de harmônica próxima da harmônica a eliminar. Várias ligações de filtros em paralelo podem ser utilizadas quando desejamos uma redução forte da taxa de distorção sobre várias ordens. Fig. 26: filtro passivo 6.2.2 Filtro ativo (ou compensador ativo) n Aplicações típicas: o instalações comerciais com geradores de harmônicas de potência total inferior a 200 kVA (inversores de freqüência, alimentações sem interrupções,...), n necessita de redução da taxa de distorção em corrente para evitar as sobrecargas. n Princípio de funcionamento. Estes são sistemas eletrônicos de potência instalados em série ou em paralelo com a carga não-linear, visando a compensar seja as tensões harmônicas, seja as correntes harmônicas geradas pela carga. O filtro ativo reinjetado em oposição de fases as harmônicas apresentam sobre a alimentação da carga, de tal sorte que a corrente de linha Is seja senoidal. Schneider / Procobre - Qualidade de energia - Harmônicas / p.17 Fig. 27: filtro ativo 6.2.3 Filtro híbrido n Aplicações típicas: o instalações industriais com um conjunto de geradores de harmônicas de potência total superior a 200 kVA (inversores de freqüência, alimentações sem interrupções,...), o instalação apresentando uma necessidade de compensação de energia reativa, o necessita de redução da taxa de distorção em tensão para evitar a perturbação de receptores sensíveis, o necessita de redução da taxa de distorção em corrente para evitar as sobrecargas, o encontra conformidade a limites estritos de emissão harmônica. n Princípio de funcionamento. Os dois tipos de dispositivos anteriores podem ser associados a um mesmo equipamento e constituir um filtro híbrido. Esta nova solução de filtragem permite acumular as vantagens das soluções existentes e de cobrir um largo domínio de potência e de performances. Fig. 28: filtro híbrido 6.2.4 Critérios de escolha n O filtro passivo permite (ao mesmo tempo): o a compensação de energia reativa, o uma grande capacidade de filtragem em corrente. A instalação onde substituimos o filtro deve apresentar uma estabilidade suficiente, com pouco de flutuação da carga. Se a potência reativa fornecida é importante, é aconselhado colocar fora de tensão o filtro passivo durante os período de fraca carga. O estudo de ligação de um filtro deve levar em conta a presença eventual de um banco de compensação e pode conduzir a sua supressão. n O compensador ativo permite a filtragem das harmônicas sobre uma larga faixa de freqüência. Ele se adapta a não importa qual carga. Entretanto, sua potência harmônica é limitada. n O filtro híbrido reuni o conjunto das performances dos filtros passivos e ativos. 7 Os dispositivos de detecção 7.1 A detecção A poluição harmônica passa antes pela medição. Em função de cada instalação, diferentes tipos de materiais trazem uma solução. 7.1.1 As centrais de medição PM500 A central de medição PM500 concentra em uma só caixa compact 96 x 96 mm, todas as medições necessárias ao monitoramneto de uma instalação elétrica. Ela substitui vantajosamente os indicadores analógicos. Fig. 29: PM500 Modular e evolutiva, responde de maneira eficaz a necessidade. O usuário escolhe as funções úteis para ele. Os módulos podem ser agrupados em lugares não importa em qual momento para responder a novas necessidades ou para expor os investimentos. Perfeitamente adapatada às aplicações de medições e de monitoramento, rendimento associado à um sistema Power Logic tornando sua instalação mais clara e mais econômica. Aplicações - alocação dos custos - monitoramneto à distância da instalação - monitoramento das harmônicas (THD) CM3000 e CM4000 Os CM's são centrais de medição com performances que oferecem numerosas possibilidades de medições e uma integração assegurada nos sistemas graças à sua conectividade Ethernet e seu servidor Web incluso. Eles são indereçados aos usuários para que a possibilidade e a qualidade de energia são críticas. Se utilizam geralmente sobre as entradas e sobre as saídas sensíveis. Graças as suas funcionalidades estendidas, incluem notadamente a detecção dos transitórios, permitem resolver rapidamente os problemas ligadas a um má qualidade de enegia.