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How to cite this paperAn. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
Limitações das distorções harmônicas em instalações elétricas rurais
Paulo José Amaral Serni; Ricardo Martini Rodrigues; Paulo Roberto Aguiar; José Francisco Rodrigues
Departamento de Engenharia Elétrica, Faculdade de Engenharia de Bauru, UNESP. CEP: 17033-360 - Bauru - SP, tel: 14 3103 6116, fax: 14 3103 6110 e-mail: pserni@uol.com.br
RESUMO
Neste trabalho a implementação de filtros passivos é analisada, considerando-se principalmente os equipamentos com retificadores monofásicos e trifásicos com filtro capacitivo. Simulações são efetuadas em circuitos com e sem a presença do filtro, de forma a estudar-se o comportamento da corrente solicitada pelos equipamentos. Após a colocação do filtro passivo fica evidente a melhoria na forma de onda da corrente solicitada pelo circuito simulado e consequentemente a diminuição da distorção harmônica total e o aumento no fator de potência.
Palavras-chave: harmônicas, distorção harmônica total, fator de potência.
ABSTRACT
This paper analysis a implementation of a passive filters main in a equipment's with mono-phase and three-phase rectifier with capacitive filter. Simulations are made in circuits with or without filters. A best of inside wave form are obtained with the passive filter installations. The harmonic total distortion are reduced and increase the power factor are obtained.
Keywords: harmonics, total harmonic distortion, power factor.
1. INTRODUÇÃO
A crescente utilização de equipamentos eletrônicos em agroindústrias e instalações elétricas rurais, para acionamento de motores, condicionamento de energia e também os computadores pessoais, é a principal causa do aumento na distorção harmônica da corrente e da tensão. Isto é devido principalmente, à topologia construtiva da fonte de alimentação destes equipamentos, que na maioria dos casos, emprega retificadores com filtro capacitivo no lado d.c..
É o caso do circuito apresentado na Fig. 1, que representa as etapa de potência de um conversor d.c./d.c. do tipo "flyback", muito comum nas fontes chaveadas de equipamentos como computadores pessoais, por exemplo.
A corrente solicitada da fonte alternada monofásica de entrada V1, é altamente não- senoidal, pois está condicionada ao processo de carga do capacitor de filtro da fonte C1 (MOHAN, 1989) . Uma forma de onda típica para a corrente solicitada de V1, é apresentada na Fig. 2.
Esta corrente contem um conteúdo harmônico rico em componentes impares com predominância da terceira harmônica. No circuito simulado V1 tem um valor eficaz de 127V em 60 Hz, a corrente apresenta um valor eficaz de 6,3 A com uma Distorção Harmônica Total de aproximadamente 69 % e o Fator de Potência do circuito simulado é igual a 0,58 capacitivo, com uma potência aparente de 0,8 KVA. Guardada as devidas proporções relativas à potência aparente, um comportamento equivalente no que diz respeito ao impacto causado no sistema alimentador, é encontrado nas lâmpadas fluorescentes do tipo compacta (forma de onda da corrente com elevada distorção harmônica e baixo fator de potência). O conteúdo harmônico da corrente da Fig. 2, é apresentado na Fig. 3 (com destaque nas componentes de 60, 180 e 300 Hz).
A terceira harmônica (180Hz) neste caso representa em torno de 38% da corrente eficaz do circuito simulado. Um outro tipo de equipamento que pode estar presente nas instalações de agroindústrias são motores assíncronos de indução trifásicos com controle de velocidade realizado por inversores trifásicos. Uma etapa de potência típica dos inversores trifásicos (RASHID, 1999) é apresentada na Fig. 4.
No circuito da Fig. 4, o motor de indução trifásico deve ser conectado nas saídas identificadas como: Fases A, B e C. O alimentador no caso é de 3 condutores, originários de um sistema trifásico composto pelas tensões V1, V2 e V3. Como no exemplo anterior referente ao circuito da Fig. 1, também neste caso as correntes de linha solicitadas das tensões alternadas V1, V2 e V3, serão não senoidais e com comportamento dependente do processo de carga do capacitor de filtro C1 do retificador trifásico de entrada do inversor da Fig. 4. Uma forma de onda típica para a corrente de linha solicitada da tensão alternada V1 do circuito da Fig.4, é apresentada na Fig. 5.
O conteúdo harmônico da forma de onda da figura 5, é apresentado na Fig. 6 (com destaque nas componentes até a 25º harmônica ou 1,5 KHz). Nesta simulação a Distorção Harmônica Total da corrente solicitada é de aproximadamente 113%, com um Fator de Potência de 0,65 capacitivo e Potência Aparente de 10,3 KVA (V1 de fase tem valor eficaz de 127 V em 60 Hz).
Um outro grupo de equipamentos que pode ter uso em instalações agrícolas, como auxiliar nos processos de secagem de produtos (por exemplo, grãos e sementes), são fornos ou estufas com controle de potência, realizado através de gradadores com disparo por ângulo de fase. Um circuito monofásico da etapa de potência, é apresentado na Fig. 7.
Este tipo de circuito solicitada da fonte alternada V1, uma corrente também não-senoidal e variável de acordo com o ângulo de disparo simétrico dos SCR's. Uma forma de onda para um ângulo de disparo de 90º, é apresentada na Fig. 8.
Para este circuito, V1 = 127 Vrms em 60 Hz, R1 = 3.2 ohms e o ângulo de disparo dos SCR's é de 90º. O conteúdo harmônico desta corrente é rico em componentes harmônicas ímpares, conforme mostra a Fig. 9 (componentes apresentados até a 25º harmônica, ou 1,5 KHz).
Com é de esperar o impacto decorrente da utilização destes equipamentos em uma instalação agrícola, estará relacionado com distorções nas tensões, sobrecorrente em bancos de capacitores e até falhas nos dispositivos de proteção, entre outros distúrbios. Das componentes harmônicas da corrente aquela de maior amplitude e que maiores problemas acarreta, é a terceira harmônica, sempre presente em equipamentos com alimentação monofásica (dois condutores). A terceira harmônica está associada ao aumento nas perdas em máquinas elétricas e transformadores, sobrecorrente em capacitores para correção do fator de potência e no condutor neutro, entre outros problemas (LANDER, 1996).
2. APLICAÇÃO DE FILTROS PASSIVOS
Com o objetivo de minimizar a circulação da terceira harmônica entre a fonte alternada de entrada e o equipamento, um alternativa é a instalação de um filtro LC paralelo sintonizado em 180 Hz.
Este filtro foi colocado entre a fonte alternada de entrada e o circuito, conforme a Fig. 10 e na simulação, Lf = 50 mili-H e Cf = 15,64 micro-F. Desta forma este filtro foi aplicado no circuito da Fig. 1 e o resultado é apresentado na Fig. 11. Pode-se observar a melhoria na forma de onda da corrente solicitada pelo circuito. Nestas condições, o circuito apresenta um Fator de potência de 0,78 indutivo e a corrente uma Distorção Harmônica Total de aproximadamente 22%.
O conteúdo harmônico da corrente da Fig. 11, é apresentado na Fig. 12 e pode-se notar a redução das componentes harmônicas de 180 Hz e 300 Hz, em relação ao resultado apresentado na Fig. 3, evidenciando-se assim, a atuação do filtro.
Uma outra alternativa é a instalação de um indutor entre a fonte alternada e o equipamento, conforme a Fig. 13, que apresenta este filtro na entrada de um circuito trifásico.
Agora, um indutor de L = 1mili-H foi inserido entre a fonte alternada e o circuito da Fig. 4. Com este filtro, o circuito que simula um inversor trifásico, apresenta um Fator de Potência de 0,89 indutivo e a corrente de entrada uma Distorção Harmônica Total de aproximadamente 32%. A forma de onda da corrente de entrada com o filtro, é apresentada na Fig. 14.
O conteúdo harmônico (até a 25º componente) da corrente da Fig. 14 é apresentado na Fig. 15. Pode-se notar a grande atenuação nas componentes harmônicas de 300 Hz e 420 Hz (5º e 7º harmônicas) e praticamente, a eliminação das componentes seguintes.
3. CONCLUSÕES
A complexidade dos equipamentos utilizados nos atuais ambientes rurais e agro-industriais pode estar associada a problemas nas suas instalações elétricas. Particularmente, se a base dos circuitos destes equipamentos for a eletrônica de potência, os mesmos devem solicitar da fonte alternada de alimentação, uma corrente altamente não-senoidal. As etapas de potência de alguns destes circuitos foram simuladas e pode-se constatar através da forma de onda da corrente solicitada, o caráter especial destes circuitos. Duas topologias de filtros passivos, a serem instalados entre a fonte alternada e os equipamentos, foram simuladas e os resultados obtidos, denotaram uma diminuição na distorção harmônica da corrente e um significativo aumento no fator de potência do circuito.
4. REFERÊNCIAS
[1]MOHAN, M.;UNDERLAND, T.M. e ROBBINS, W.P., Power Electronics: Converters, Applications and Design; John Wiley & Sons; 1989.
[2]RASHID,M.H., Eletrônica de Potência; Makron Books; São Paulo;1999.
[3]LANDER, C.W., Eletrônica Industrial; Makron Books; São Paulo; 1996.