Harmônicos em Sistemas de Potência Modernos: Definição, Causas e Soluções

Compreendendo as Harmônicas: Uma Preocupação Crescente em Sistemas de Energia

À medida que os sistemas de energia modernos evoluem com os rápidos avanços na eletrônica de potência, uma questão tornou-se cada vez mais crítica, embora muitas vezes negligenciada: as harmônicas. A integração de dispositivos semicondutores de alta potência, como tiristores, MOSFETs e IGBTs, levou a um aumento significativo de cargas não lineares nas redes de energia. Essas cargas distorcem a natureza senoidal das formas de onda de corrente e tensão, resultando em harmônicas — um grande desafio de qualidade de energia que não pode mais ser ignorado.

Em sistemas anteriores dominados por cargas lineares, a qualidade da energia era em grande parte responsabilidade da concessionária. No entanto, à medida que os usuários de energia de hoje adotam equipamentos mais diversos e sofisticados, os indicadores de qualidade de energia, como harmônicas, cintilação de tensão e desequilíbrio, são agora fortemente influenciados pelo lado do usuário. Uma clara compreensão das harmônicas é essencial para qualquer pessoa envolvida em projeto, operação ou solução de problemas de sistemas.

1. O que são Harmônicas?

De acordo com o padrão nacional da China GB/T 24337 (Qualidade de Energia - Interharmônicas em Redes Públicas de Energia), as harmônicas são definidas como os componentes de um sinal elétrico cujas frequências são múltiplos inteiros da frequência fundamental do sistema.

Na China, a frequência padrão da rede é de 50Hz. Harmônicas em 100Hz, 150Hz, 200Hz, etc., são, portanto, referidas como a 2ª, 3ª, 4ª harmônicas e assim por diante. As harmônicas podem ser classificadas de duas maneiras principais:

Por sequência: Sequência positiva, sequência negativa e sequência zero.

Por múltiplo de frequência:

• Harmônicas de ordem ímpar (3ª, 5ª, 7ª, etc.)
• Harmônicas de ordem par (2ª, 4ª, 6ª, etc.)

As harmônicas ímpares são mais comumente encontradas na prática e podem ser monitoradas por meio de dados de back-end do sistema ou ferramentas de análise de forma de onda.

2. O que causa as Harmônicas?

As harmônicas geralmente se originam quando tensões senoidais são aplicadas a cargas não lineares. As fontes comuns incluem:

• Equipamentos eletrônicos de potência: Acionamentos de frequência variável (VFDs), retificadores e inversores, que geram harmônicas dominantes de 3ª, 5ª, 7ª e ordens superiores.
• Maquinaria industrial: Fornos a arco, iluminação fluorescente e aquecedores por indução.

Esses dispositivos interrompem a relação linear entre tensão e corrente, causando distorção da forma de onda e a injeção de correntes harmônicas no sistema. Com o tempo, isso pode levar a superaquecimento, falha de isolamento, mau funcionamento do equipamento, disparos falsos e até mesmo instabilidade generalizada do sistema.

Nos últimos anos, o crescimento dos sistemas de energia renovável (por exemplo, PV e eólica) introduziu mais inversores e conversores na rede, aumentando a pegada harmônica e exigindo mais controle dos sistemas de energia modernos.

3. Como Mitigar as Harmônicas: Uma Estratégia Multifacetada

A mitigação eficaz de harmônicas requer uma combinação de projeto proativo, seleção estratégica de equipamentos e tecnologias corretivas. As principais abordagens incluem:

(1) Controle do lado da fonte: O método mais econômico e completo. Ao otimizar o projeto da carga e selecionar dispositivos de baixa harmônica, a geração de harmônicas pode ser minimizada na fonte.

(2) Proteção de equipamentos: Para dispositivos sensíveis, aplique estratégias de isolamento ou mitigação de interferência eletromagnética (EMI) para reduzir o impacto das harmônicas.

(3) Soluções de filtragem:

• Filtros passivos: Econômicos e adequados para filtrar harmônicas específicas de frequência fixa.
• Filtros ativos: Mais versáteis e eficazes em ambientes dinâmicos, mas com um custo mais alto.

Observação: A implantação de filtros deve ser cuidadosamente avaliada para evitar ressonância potencial com a rede.

Conclusão

A distorção harmônica é uma questão cada vez mais urgente nos sistemas de energia modernos. À medida que as infraestruturas de energia se tornam mais complexas, identificar, analisar e mitigar as harmônicas deve se tornar uma prática padrão para engenheiros e profissionais de energia. Com o conhecimento e as ferramentas certas, a qualidade da energia pode ser protegida, garantindo confiabilidade e eficiência na próxima geração de redes elétricas.

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