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MEEC - Qualidade de Energia1 Qualidade de Energia Harmónicas Humberto Jorge Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores.

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Apresentação em tema: "MEEC - Qualidade de Energia1 Qualidade de Energia Harmónicas Humberto Jorge Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores."— Transcrição da apresentação:

1 MEEC - Qualidade de Energia1 Qualidade de Energia Harmónicas Humberto Jorge Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

2 MEEC - Qualidade de Energia2 Introdução Causas principais da sua ocorrência Distorção harmónica total Caracterização de cargas não lineares típicas Implicações da presença de harmónicas Metodologias para análise de regimes harmónicos

3 MEEC - Qualidade de Energia3 Tensões harmónicas Tensão sinusoidal cuja frequência é um múltiplo inteiro da frequência fundamental da tensão. –A deformação na forma de onda da tensão é originada pela circulação de correntes absorvidas por certos equipamentos –As cargas não lineares crescem todos os dias e já existem sectores onde a percentagem já se aproxima dos 100%.

4 MEEC - Qualidade de Energia4 Factor de Potência Para a fundamental mantêm-se válidas as habituais simplificações para análise de SE

5 MEEC - Qualidade de Energia5 Factor de Potência Em caso de distorção P pouco afectada pela distorção harmónica S e Q muito afectadas pela distorção harmónica –Q 1 utilizado para compensar cos

6 MEEC - Qualidade de Energia6 Distorção total harmónica I total(RMS) - Valor eficaz da da soma de todas as currentes incluindo a fundamental I n - Corrente harmónica de ordem n

7 MEEC - Qualidade de Energia7 Conteúdo harmónico crescente A utilização intensiva de cargas não lineares é generalizada nas instalações modernas. Um edifício de escritórios ou comércio apresenta hoje em dia mais de 60% de cargas não lineares. Em muitas indústrias as cargas não lineares representam mais de 45% da carga total As cargas não lineares geram harmónicas de corrente.

8 MEEC - Qualidade de Energia8 Conteúdo harmónico crescente O grande crescimento do sector dos serviços e a galopante transformação tecnológica estão na base dos problemas dos harmónicos A distorção harmónica total (THD) da tensão está a crescer a uma taxa de 1% em cada 10 anos –A harmónica mais significativa é a quinta; –A primeira causa da distorção harmónica surge da produção maciça de equipamentos não lineares ligados à rede pública de baixa tensão

9 MEEC - Qualidade de Energia9 Harmónicas de corrente num sistema trifásico Sistema sem harmónicas IRISITIRISIT

10 MEEC - Qualidade de Energia10 Harmónicas impares múltiplos de 3 (3ª, 9ª, 15ª...) Evidenciam a importância de um bom sistema de terras das instalações (sobretudo nos sistema TN)

11 MEEC - Qualidade de Energia11 Harmónicas de corrente Presença da 3ª harmónica Qual é o conteúdo harmónico da corrente nesta linha?

12 MEEC - Qualidade de Energia12 Harmónica impares múltiplos de 3 Evidenciam a importância do tipo de transformadores trifásicos utilizados

13 MEEC - Qualidade de Energia13 Harmónicas de corrente Impacto nas instalações RSTNRSTN A presença de harmónicas múltiplas de 3 conduz-nos a uma corrente no neutro muito superior à esperada, e em muitos casos superior à corrente nas fases. Especial cuidado merecem aplicações com cabos longos onde L é relevante porque neste caso a queda de tensão na reactância pode assumir valores significativos Quando estamos na presença de regimes TN o problema pode ter outras implicações pela circulação em regime permanente de correntes elevadas nos condutores de protecção, destruindo as equipotencialidades e provocando aquecimentos não esperados

14 MEEC - Qualidade de Energia14 Harmónicas de corrente Presença da 3ª harmónica Representação da fundamental e da terceira harmónica

15 MEEC - Qualidade de Energia15 Presença da 3ª harmónica Para uma taxa de distorção harmónica THD I * maior que 38% a corrente no neutro > corrente nas fases * A taxa de distorção harmónica resultantes das harmónicas múltiplas de 3 > 38%

16 MEEC - Qualidade de Energia16 Harmónicas de corrente & Harmónicas de tensão A forma de onda da corrente depende da carga Como é que se formam as harmónicas de tensão?

17 MEEC - Qualidade de Energia17 Harmónicas de tensão Carga não linear I Z Z Z Para a harmónica de ordem n U n = Z n I n

18 MEEC - Qualidade de Energia18 Impacto nos transformadores Se o transformador está dimensionado em função da potência aparente, a presença de harmónicas resulta num valor eficaz superior ao nominal As correntes de Foucault que resultam da magnetização do transformador originam perdas que são proporcionais ao quadrado da frequência As harmónicas de tensão originam ainda perdas suplementares entre duas lâminas consecutivas

19 MEEC - Qualidade de Energia19 Impacto nos motores As harmónicas de tensão originam perdas suplementares (devido às correntes de Foulcaut) que diminuem a eficiência dos motores. As harmónicas de tensão induzem harmónicas de corrente nos rotores dos motores que produzem binários pulsantes responsáveis por vibração das máquinas

20 MEEC - Qualidade de Energia20 Impacto nos condensadores A presença de harmónicas de tensão faz circular nos circuitos com condensadores correntes superiores à corrente nominal porque Não deve ser desprezado o efeito amplificador que os circuitos ressonantes LC têm muitas vezes.

21 MEEC - Qualidade de Energia21 Exemplo prático – Fábrica de pasta de papel Com bateria de condensadores para correcção do factor de potência Conteúdo harmónico da tensão nas mesmas condições de carga Sem bateria de condensadores para correcção do factor de potência

22 MEEC - Qualidade de Energia22 Impacto nos sistemas informáticos A presença de harmónicas de tensão aumenta os erros na transmissão de dados, reduzindo as velocidade de comunicação. Na indústria os sinais de processo são afectados, originando medidas erradas e perturbando os sistemas de controlo de processo Os efeitos das harmónicas de tensão sobre equipamentos que usam a rede como sinal de sincronismo (por exemplo soft starters) levam a perturbações que muitas vezes originam o reset do sistema

23 MEEC - Qualidade de Energia23 Sobreaquecimento dos cabos e transformadores Destruição de condensadores Binários oscilatórios Saturação de transformadores Diminuição da precisão dos aparelhos de medição Mau funcionamento de equipamentos electrónicos que utilizem a tensão como referência Impactos da poluição harmónica

24 MEEC - Qualidade de Energia24 Transformadores - sobreaquecimento, ressonância entre a sua indutância e as capacidades do sistema, saturação, vibrações nos enrolamentos e desgaste do isolamento entre lâminas Máquinas rotativas - sobreaquecimento, vibrações, binários pulsantes, etc. Rectificadores e reguladores de tensão - múltipla detecção de cruzamento, valores elevados de dV/dt que podem levar ao disparo indevido de tiristores, etc. Relés de protecção - operações indevidas ou até mesmo impedimento da operação dos mesmos HARMÓNICAS - CONSEQUÊNCIAS

25 MEEC - Qualidade de Energia25 Disjuntores e fusíveis - perturbação das suas características de interrupção Aparelhos de medida - diminuição da precisão Condensadores - aumento da sua dissipação térmica e deterioração do seu dieléctrico Condutores - sobreaquecimento em condutores de neutro Telefones - a proximidade entre linhas telefónicas e condutores eléctricos propiciam a indução de ruído nos canais telefónicos Equipamentos e instrumentos electrónicos - mau funcionamento HARMÓNICAS - CONSEQUÊNCIAS

26 MEEC - Qualidade de Energia26 Procedimentos para diminuir os impactos dos harmónicos elevados Identificar as fontes de perturbação –O problema está nas harmónicas de corrente ou tensão? –Que equipamentos geram conteúdos harmónicos de corrente elevados?

27 MEEC - Qualidade de Energia27 Procedimentos para diminuir os impactos dos harmónicos elevados Alteração da impedância a montante – Impedir que as harmónicas de corrente gerem harmónicas de tensão Determinar as harmónicas de tensão em diferentes pontos da instalação Redimensionamento das reservas dos transformadores Redesenhar os sistemas de alimentação Separação de cargas poluentes das não poluentes Equipotencializar as malhas de protecção

28 MEEC - Qualidade de Energia28 Procedimentos para diminuir os impactos dos harmónicos elevados Utilização de filtros passivos – A utilizar quando fenómenos ressonantes amplificam os conteúdos harmónicos de tensão –O cálculo teórico do filtro é indispensável –O resultado é fortemente dependente do local onde se coloca o filtro –É uma solução económica e pode ser executada rapidamente

29 MEEC - Qualidade de Energia29 Procedimentos para diminuir os impactos dos harmónicos elevados Utilização de filtros activos – A utilizar quando se pretende localmente anular as harmónicas de corrente –O filtro é dimensionado para uma carga – aumentar as cargas anula a eficácia do filtro –É uma solução de elevado custo que só resolve um problema local –A montagem é simples e produz resultados imediatos

30 MEEC - Qualidade de Energia30 DomésticasIndustriaisServiços IluminaçãoLocomotivas eléctricas Iluminação TelevisoresElectroquímicaComputadores MicroondasFornos de arcoUPS Países desenvolvidos - Cargas não lineares com peso acima dos 50%. CARGAS NÃO LINEARES

31 MEEC - Qualidade de Energia31 Monitorização de Lâmpadas Fluorescentes

32 MEEC - Qualidade de Energia32 Televisor

33 MEEC - Qualidade de Energia33 Forno Microondas

34 MEEC - Qualidade de Energia34 LOCOMOTIVA A TIRISTORES TENSÃO 25 kV

35 MEEC - Qualidade de Energia35 ELECTROQUÍMICA COM COMPENSAÇÃO REACTIVA TENSÃO 15 kV

36 MEEC - Qualidade de Energia36 O agrupamento em harmónicas pares e ímpares e nestas em múltiplas de 3 e não múltiplas de 3 deve-se a: –harmónicas pares - dá origem a componentes contínuas, meia onda positiva diferente de meia onda negativa (notar que os valores são mais reduzidos) –harmónicas ímpares múltiplas de 3 - em sistemas trifásicos as harmónicas das três fases somam-se no circuito de neutro. Agrupamento em harmónicas pares e impares

37 MEEC - Qualidade de Energia37 Valores definidos pela EN para a distorção harmónica em Baixa Tensão

38 MEEC - Qualidade de Energia38 Valores definidos pela EN para a distorção harmónica em Média Tensão

39 MEEC - Qualidade de Energia39 Barramento 15 kV-fase R - (registo semanal)


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