Sobre harmônicos e seu controle

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1. O que são harmônicos? A causa fundamental da geração de harmônicos no sistema elétrico é a presença de cargas não lineares. Quando a corrente flui através da carga, ela não segue uma relação linear com a tensão aplicada; assim, forma-se uma corrente não senoidal, o que gera harmônicos. A frequência harmônica é um múltiplo inteiro da frequência fundamental. De acordo com os princípios de análise do matemático francês Fourier (M. Fourier), qualquer forma de onda repetitiva pode ser decomposta em componentes de ondas senoidais que contêm a frequência fundamental e uma série de harmônicos que são múltiplos dessa frequência. As harmônicas são ondas senoidais; cada harmônica possui uma frequência, amplitude e ângulo de fase diferentes. As harmônicas podem ser divididas em pares e ímpares. As harmônicas de ordem 3, 5 e 7 são consideradas harmônicas ímpares, enquanto as de ordem 2, 4, 6 e 8 são harmônicas pares. Por exemplo, se a frequência fundamental for de 50 Hz, a harmônica de ordem 2 será de 100 Hz, e a de ordem 3 será de 150 Hz. Em geral, os danos causados pelas harmônicas ímpares são maiores e mais significativos do que os causados pelas harmônicas pares. Em um sistema trifásico equilibrado, devido à relação de simetria, as harmônicas pares são eliminadas, restando apenas as harmônicas ímpares. Para cargas de retificação trifásica, as correntes harmônicas que surgem são as harmônicas de ordem 6n±1, como 5, 7, 11, 13, 17, 19, etc. O conversor de frequência gera principalmente as harmônicas de ordem 5 e 7. “A palavra “harmônico” tem origem na acústica. A análise matemática das harmônicas já estabeleceu uma base sólida nos séculos XVIII e XIX. O método de análise harmônica proposto por Fourier e outros ainda é amplamente utilizado até hoje. Os problemas relacionados às harmônicas nos sistemas elétricos já chamaram a atenção das pessoas desde as décadas de 1920 e 1930. Naquela época, na Alemanha, a utilização de conversores de arco de mercúrio em estado estacionário causava distorções nas formas de onda da tensão e da corrente. O artigo publicado por J.C. Read em 1945, sobre as harmônicas dos conversores, é um dos trabalhos clássicos iniciais sobre o estudo das harmônicas. Nos anos 50 e 60, com o desenvolvimento da tecnologia de transmissão de energia em corrente contínua de alta tensão, foram publicados muitos artigos sobre os problemas causados pelos conversores nas redes elétricas. Desde a década de 1970, graças ao rápido desenvolvimento da tecnologia eletroeletrônica, diversos dispositivos eletroeletrônicos passaram a ser cada vez mais utilizados em sistemas elétricos, na indústria, no transporte e em residências. Por isso, os danos causados pelas harmônicas também se tornaram cada vez mais graves. Todos os países do mundo dão atenção adequada ao problema das harmônicas. Foram realizadas várias conferências acadêmicas internacionais sobre o problema das harmônicas. Muitas organizações acadêmicas internacionais estabeleceram padrões e regulamentos para limitar as harmônicas nos sistemas elétricos e nos equipamentos elétricos. A importância do estudo das harmônicas reside no fato de que seus danos são extremamente graves. As harmônicas reduzem a eficiência na produção, transmissão e utilização de energia elétrica. Elas causam superaquecimento nos equipamentos elétricos, geram vibrações e ruídos, além de acelerar o envelhecimento do isolamento, encurtando assim sua vida útil. Em casos extremos, isso pode levar a falhas ou até mesmo ao incêndio dos equipamentos. As harmônicas podem causar ressonância em paralelo ou em série dentro do sistema elétrico, o que aumenta a quantidade de harmônicas e pode levar à destruição de equipamentos como capacitores. As harmônicas também podem causar falhas nos dispositivos de proteção e automação, o que leva a confusões na medição da energia elétrica. Fora do sistema elétrico, as harmônicas causam interferências graves em equipamentos de comunicação e eletrônicos. 2. Para mitigar as harmônicas causadas por dispositivos eletrônicos de potência e outras fontes de harmônicas, existem duas abordagens principais: uma delas é a instalação de dispositivos de compensação de harmônicas, o que é aplicável a todas as fontes de harmônicas ； Outra solução é modificar o próprio dispositivo eletrônico de potência, de modo que ele não gere harmônicos, e o fator de potência possa ser controlado em 1. Isso, claro, só é aplicável aos dispositivos eletrônicos de potência que são as principais fontes de harmônicos. O método tradicional para instalar dispositivos de compensação de harmônicos é o uso de filtros de ressonância LC. Este método pode compensar tanto as harmônicas quanto a potência reativa, além de ter uma estrutura simples, sendo por isso amplamente utilizado. A principal desvantagem deste método é que as características de compensação são afetadas pela impedância da rede elétrica e pelo estado de operação. Isso pode causar ressonância em paralelo com o sistema, levando ao amplificação das harmônicas e à sobrecarga do filtro LC, podendo até mesmo causar seu danos. Além disso, ele só consegue compensar as harmônicas de frequência fixa, e o efeito de compensação também não é muito bom. 3. Compensação reativa: É muito fácil entender o que é a potência ativa, mas não é tão simples compreender profundamente o que é a potência reativa. Em circuitos senoidais, o conceito de potência reativa é claro. Porém, em circuitos que contêm harmônicos, ainda não existe uma definição aceita para a potência reativa. No entanto, a importância do conceito de potência reativa, bem como a importância da compensação de potência reativa, são reconhecidas por todos. A compensação reativa deve incluir a compensação da potência reativa de onda fundamental e a compensação da potência reativa das harmônicas. A potência reativa é muito importante tanto para o funcionamento do sistema de fornecimento de energia quanto para as cargas conectadas a ele. A impedância dos elementos da rede do sistema elétrico é, principalmente, indutiva. Portanto, de forma simplificada, para transmitir potência ativa, é necessário que haja uma diferença de fase entre a tensão na extremidade de transmissão e a tensão na extremidade de recepção. Isso pode ser alcançado em uma faixa bastante ampla ； E, para transmitir potência reativa, é necessário que haja uma diferença de amplitude nas tensões nas duas extremidades, o que só pode ser alcançado dentro de uma faixa muito estreita. Não apenas a maioria dos componentes de rede consome potência reativa, mas também a maioria das cargas precisa consumir potência reativa. A potência reativa necessária para os componentes de rede e para as cargas deve ser obtida em algum ponto da rede. Obviamente, não é razoável que toda essa potência reativa seja fornecida pelos geradores e transmitida por longas distâncias; geralmente, isso também é impossível. O método adequado é gerar potência reativa onde ela é necessária, e isso é o que se chama de compensação de potência reativa. As principais funções da compensação reativa são as seguintes: (1) Aumentar o fator de potência do sistema de fornecimento de energia e das cargas, reduzindo assim a capacidade dos equipamentos e as perdas de energia. (2) Estabilizar a tensão no lado receptor e na rede elétrica, melhorando a qualidade do fornecimento de energia. A instalação de dispositivos de compensação dinâmica de reativo em locais apropriados nas linhas de transmissão de longa distância também pode melhorar a estabilidade do sistema de transmissão e aumentar sua capacidade de transmissão. (3) Em situações em que há desequilíbrio nas cargas trifásicas, como nas ferrovias eletrificadas, é possível equilibrar as cargas ativas e reativas das três fases por meio de um compensador de reativos adequado.