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Breve apresentação sobre harmônicas nos transformadores. Impactos Econômicos e desgastes de componentes.
Tipologia: Notas de estudo
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Compartilhado em 17/09/2012
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Prof.: Eduardo Marafiga TURMA 337
Nome: Helena Oliveira, Maikel Schmitt, Edinei da Rocha, Matheus Liberalesso e Silvano Lago. Santa Maria, 29 de agosto de 2012
A presença de harmônicas é sinônimo de uma onda de tensão ou de corrente deformanda. A deformação indica a distribuição de energia elétrica é perturbada e que qualidade de energia não é ótima. Hoje, muitas instalações são vítimas de “fenômenos” aparentemente inexplicáveis, como aquecimento excessivo de trafos que alimentam cargas até mesmo inferiores à sua potência nominal, o disparo de disjuntores com corrente bem menor que a corrente nominal, assim como excessivo aquecimento de condutores neutros de circuitos razoavelmente equilibrados. O problema se deve as harmônicas, cuja existência, até alguns anos atrás, não afetava o funcionamento normal das instalações. Elas constituem um subproduto da eletrônica moderna e manifesta-se especialmente onde existe uma qualidade considerável de computadores, acionamento de velocidade regulável e outras cargas “não- lineares”, cuja utilização vem se expandindo rapidamente nos últimos anos. As cargas, digamos, “tradicionais” nas instalações, isto é, motores, iluminações incandescente e equipamentos de aquecimento, são lineares. A corrente nessas cargas é sempre um reflexo da tensão senoidal, teremos corrente senoidal. As cargas “não- lineares” são ao contrário, elas não são senoidais e, mesmo que a tensão (a vazio) da fonte tenha a forma de uma senóide pura, ela será distorcida e perderá a forma senoidal. Enquanto as cargas tradicionais (praticamente lineares) dão origem a tensões e correntes com pouquíssima distorção, ou seja, harmônica; as cargas não- lineares podem introduzir um nível bastante significativos de harmônicas nos circuitos que as alimentam. Via de regra, as ondas de forma não- senoidal que aparecem no sistema de potência podem ser decompostas em uma onda (senoidal) fundamental e um número finito de harmônicas de ordem par e ímpar. Tomemos um circuito trifásico a quatro condutores que alimentam diversas cargas monofásicas ligadas entre cada fase e o neutro. As correntes circulam por cada condutor, fase e retornam pelo neutro comum. As três correntes de linha de 60 Hz estão defasadas em 120º e, para cargas lineares equilibradas nas três fases são iguais. Quando retornam pelo neutro se cancelam e temos, então, uma corrente nula no condutor do neutro. Tomemos agora um circuito trifásico a quatro condutores com cargas não- lineares equilibradas nas três fases. As correntes fundamentais se anulam no neutro. As correntes de 2ª harmônicas iguais e defasadas em 120º, também se cancelam no neutro. O mesmo ocorre com todas harmônicas de ordem par. As correntes de 3ª harmônica, no entanto. São iguais e estão em fase. A corrente de 3ª harmônica em neutro é, portanto a soma das correntes da 3ª harmônica nas linhas, ou seja, é o triplo da corrente em cada linha. O mesmo ocorre para todas harmônicas de ordem ímpar múltiplas de 3 (9ª,15ª, 21ª, etc). As demais de ordem ímpar (5ª, 7ª, 11ª etc) tem seus valores respetivos as linhas, porém não estão em fase, o que faz com que as respectivas correntes no neutro sejam maiores do que a corrente numa linha e inferiores ao triplo da corrente em casa linha.
O impacto dos problemas de qualidade de energia em instalações elétricas: Continuidade no serviço – Fornecimento sem interrupções; Qualidades de onda de tensão; Qualidade comercial – Satisfação do cliente com as condições comerciais do fornecimento de energia elétrica. Por quê dar tanta importância? Grande concorrência a nível mundial; Grande sensibilidade dos equipamentos; Margem de lucros em alguns setores de atividade; Grande proliferação de cargas não- lineares nos últimos anos... É um fator crucial para competitividade econômica do país. Tipos de perturbação: Desequilíbrio de tensão ou corrente em sistema trifásico; Perturbações na forma da onda senoidal; Perturbações na frequência do sinal; Perturbações na amplitude da tensão.
Devido a crescente utilização de equipamentos eletrônicos alimentados pela rede elétrica, tais como:
Forma de onda distorcida A poluição harmônica provoca efeitos indesejáveis quer ao nível das redes de distribuição de energia elétrica, quer ao nível de funcionamento de instalações e equipamentos a ela ligados.
Dimensionamento dos condutores de fase e de neutro Dimensionamento dos transformadores Filtros de harmônicos Filtro passivo série Filtro passivo LC(paralelo) Filtros passivos Filtros ativos (paralelo e série)
É definido como a razão de corrente (ou tensão) máxima ou de pico pela corrente ou tensão) eficaz de um dado circuito, como é apresentado na seguinte equação:
Fundamental 60Hz Primeira harmônica 120Hz 2 x 60Hz Harmônica impar Segunda harmônica 180Hz 3 x 60Hz Harmônica par Quarta harmônica 240Hz 4 x 60Hz Harmônica impar Quinta harmônica 300Hz 5 x 60Hz Harmônica par Sexta harmônica 360Hz 6 x 60Hz Harmônica impar As harmônicas realmente danosas nos circuitos elétricos são as primeiras e, especialmente, as de ordem impar. Assim deve-se tomar cuidado com as harmônicas em 120V, 180Hz, 240Hz e 300Hz. Em transformadores de potência, a principa consequência das correntes harmônicas é um aumento nas perdas, principalmente nos enrolamentos, por causa da deformação dos campos de dispersão. Para estimar a redução da potência do trafo, pode ser usado o Fator K da carga. Este fator é calculado com o espectro harmônico da corrente de carga e é uma indicação das perdas devidas as correntes de Foucolt (parasitas) adicionais. Pt=Pc+Pll Onde, Pc: perdas a vazio(no núcleo) Pt: Perda Total Pll: perda em cargas Pll= I²R+Pec+Psl I²R: perdas devido a corrente e a resistência em CC nos enrolamentos Pec: perda por corrente parasita nos enrolamentos Psl: perda por dispersão em tanques...
K=h².lh² Onde, h: número da harmônica Lh: a fração da corrente total de carga rms na harmônica de número h
Um segundo método é quando a perda total com carga harmônica não exceda a perda fundamental projetada, isto é conhecido como Fator K: K :
e
h 9 Ih
2
1 / 2 Onde: e= relação entre perdas por correntes parasitas na frequência fundamental e as perdas ôhmicas, ambas na temperatura de referência; h= número da harmônica I= valor rms da corrente fundamental, incluindo todas as harmônicas; In: intensidade da corrente fundamental; Q: uma constante exponencial que é dependente do tipo de enrolamento e da frequência. Valores típicos são 1,7 para transformadores com condutores de seção transversal redonda.
