Tensões e correntes harmônicas: parâmetros de controle, medições e normalização

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Quando uma tensão alternada é aplicada a resistores, motores de indução com velocidade constante e motores síncronos, a corrente acompanha a forma do sinal de tensão; neste caso geralmente não há harmônicas, porque a tensão e a corrente têm a mesma frequência. Perante outras cargas, como inversores de frequência para motores, computadores e sistemas de iluminação a LED, a corrente flui apenas durante uma fração do tempo em que é aplicada a tensão, causando distorção da forma de onda de corrente.

Essas distorções geram as harmônicas. Trata-se de correntes cujas frequências são um múltiplo da frequência fundamental de 60 Hz. Tais harmônicas de corrente, por seu turno, podem interferir na tensão do sistema, resultando em harmônicas de tensão. As distorções causadas pelas harmônicas podem interferir nas cargas alimentadas pelo mesmo circuito; mo tores e transformadores podem sofrer sobreaquecimento, ter a vida útil encurtada e falhar devido às harmônicas. Esta é uma entre outras razões pelas quais a medição de harmônicas em instalações elétricas é tão importante.

Diretrizes para valores admissíveis
Existem indicadores para os valores admissíveis de conteúdo harmônico. São eles:

distorção harmônica total (DHT); e
distorção de demanda total (DDT).
O parâmetro DHT refere-se geralmente à distorção de tensão, embora seja igualmente válido para a distorção de corrente. O DDT refere-se somente à distorção de corrente.

A medição e cálculo dessas duas grandezas baseiase na IEC 61000-4-7 [1]. Essa norma descreve em detalhes os métodos utilizados para cálculo de harmônicas, e permite uma comparação exata de valores admissíveis de harmônicas que se encontram em outras normas.

Principais Normas
As duas normas mais importantes, que apresentam valores limite ou recomendações para harmônicas são as seguintes:

norma europeia EN 50160; e
norma americana IEEE 519
A norma EN 50160 [4] descreve um amplo leque de medições de qualidade de energia, como afundamentos e picos de tensão, interrupções, assimetria e flicker.

Já a IEEE 519 [5] concentra-se nas harmônicas, fornece orientação sobre níveis admissíveis e trata das distorções tanto de tensão quanto de corrente, mas dedica atenção especial à corrente de carga.

Embora tais normas apresentem algumas diferenças, elas têm também alguns pontos importantes em comum; ambas se reportam à IEC 61000-4-7 quanto às harmônicas; à IEC 61000-4-15 quanto ao flicker; e à IEC 61000-4-30 no que tange aos métodos de medição de qualidade de energia. Além disso, a EN 50160 e a IEEE 519 prescrevem a realização de medições no ponto de conexão à rede (Point of Common Coupling).

[N. da R.: Ver ABNT NBR IEC 61000-4-30:2011 Compatibili dade eletromagnética, Parte 4-30: Técnicas de medição e ensaio Métodos de medição de qualidade da energia.]

Esse ponto de medição é tipicamente aquele em que o operador do sistema de distribuição (OSD) instalou seu medidor de energia. Essa conexão é o ponto de referência para o OSD, porque a empresa se preocupa mais com as harmônicas na sua rede do que com as harmônicas na instalação do consumidor.

O nível de harmônicas recomendado em ambas as normas citadas constitui um bom guia para o usuário verificar se as harmônicas na sua instalação podem causar problemas de qualidade de tensão. Se o nível for mais baixo do que o recomendado, pode-se assumir que as harmônicas não representam problema.

Recomendações quanto ao nível de harmônicas
Trata-se de valores limite para instalações elétricas com tensões abaixo de 1000 V, conforme EN 50160, ou até 69 kV, de acordo com a IEEE 519. Esses valores devem ser medidos no já referido ponto de conexão à rede. As recomendações de ambas as normas estão resumidas na tabela I.

[N. da R.: No Brasil, aplica-se o Módulo 8 do Prodist – Qua lidade da Energia Elé trica, revisão 8, de 01.01.2017, disponível em http: //www.aneel.gov.br/prodist.]

Os valores limite de distorção de corrente conforme IEEE 519 são um tanto complicados. Neste caso, a corrente presumida de curto-circuito I CC é considerada junto com a corrente de carga IC. A relação ICC/IC permite estimar a impedância da fonte e sua capacidade para lidar com as harmônicas. Quanto mais alto o valor de ICC em relação a I C , menor a probabilidade de interferência por harmônicas no circuito. O valor de I CC é em geral difícil de ser determinado, e a empresa operadora do sistema pode oferecer uma orientação a respeito.

Corrente harmônica máxima relativa a Ic
As normas também estabelecem limites para a máxima corrente harmônica como um percentual da corrente de carga I C (tabela II). A extensa faixa de valores da norma exige que o usuário faça maior número de medições de harmônicas devidamente documentadas (figu ra 1). Essa tarefa pode ser trabalhosa sem o auxílio de um software de documentação (reporting software); um bom software pode reduzir significativamente esse processo, poupando tempo e dinheiro.

Apesar das diferenças nas amostras discretas, as amplitudes aproximadas e os valores limite recomendados são relativamente bem definidos. Atenção: esses valores limite são válidos para o ponto de conexão à rede. Se as medições forem efetuadas a jusante desse ponto, será provavelmente constatado um nível mais elevado de harmônicas.

Em caso de níveis mais altos, o próximo passo deve ser verificar quais cargas produzem as harmônicas. Após a sua identificação, conforme o caso deve ser considerada a instalação de filtros de harmônicas. Os valores de harmônicas medidos constituem o ponto de referência para consulta ao fornecedor dos filtros.

Em geral, filtros de harmônicas para cargas individuais representam a solução mais econômica. Todavia, quando diversas cargas geram distorções harmônicas, pode ser instalado um filtro único na respectiva linha de alimentação.