O impacto dos harmônicos nos sistemas elétricos

Compreender os efeitos dos harmônicos nos sistemas elétricos é muito útil para manter as coisas funcionando sem problemas e com segurança.Harmonics são mudanças na onda elétrica que podem causar vários problemas, como muito calor, quebra de equipamento e menos eficiência.Este artigo explica os diferentes tipos de harmônicos, o que os causa e os problemas que eles podem criar nos sistemas de energia usados ​​em indústrias e empresas.Também procuraremos maneiras de corrigir esses problemas, como usar filtros especiais, transformadores projetados para lidar com harmônicos e verificações regulares da qualidade da energia.Nosso objetivo é fornecer um guia claro e simples para o gerenciamento de harmônicos em sistemas elétricos de maneira eficaz.

Catálogo

Figura 1: Harmonics

Entendendo os harmônicos em engenharia de energia

Os harmônicos são correntes ou tensões em frequências mais altas que são múltiplos da frequência básica.Eles podem causar problemas como formas de onda distorcidas, aquecimento extra e menor eficiência em equipamentos elétricos.Harmônicos ímpares, que ocorrem em múltiplos ímpares da frequência básica, aumentam a distorção e o aquecimento.Mesmo os harmônicos, que ocorrem em múltiplos da frequência básica, podem fazer com que os transformadores superaquecem.O triplo harmônico, que é um tipo específico de harmônicos ímpares, pode sobrecarregar os fios neutros e também fazer com que os transformadores superaquecem.

Os harmônicos podem ser divididos em três tipos: seqüências positivas, negativas e zero.Harmônicos de sequência positiva adicionam calor extra ao sistema.Os harmônicos de sequência negativa reduzem o poder dos motores e aumentam o calor.Os harmônicos de sequência zero causam aquecimento nos fios neutros.A distorção harmônica total (THD) é uma medida dos efeitos dos harmônicos, com valores mais altos mostrando mais distorção.

Em ambientes industriais, dispositivos como unidades de frequência variáveis ​​criam muita distorção.Para reduzir esses problemas, podemos usar filtros e transformadores especiais projetados para lidar com altos níveis de harmônicos.Verificar regularmente a qualidade do poder ajuda a encontrar e corrigir problemas harmônicos e garante a conformidade com os padrões IEEE 519.As ferramentas avançadas podem medir até o 511º harmônico para ajudar a gerenciar esses problemas de maneira eficaz.

Tipos de harmônicos

Harmonics ímpares

Figura 2: Harmônicos ímpares

Harmônicos ímpares são harmônicos que são múltiplos ímpares da frequência principal, como os 3º, 5º e 7º harmônicos.Esses harmônicos podem causar grandes problemas nos sistemas de energia, pois podem prejudicar o equipamento elétrico e fazê -los funcionar mal.Quando os harmônicos ímpares estão presentes, eles aumentam as perdas de resistência e as perdas de corrente de Foucault nos Transformadores.As perdas de resistência, também chamadas de perdas de I²R, acontecem porque as correntes harmônicas fazem com que os condutores aqueçam mais.Esse aquecimento extra é devido à energia perdida como calor devido à resistência nos condutores.As perdas de corrente de Foucault ocorrem quando as correntes induzidas fluem dentro do núcleo do transformador, também gerando calor.A presença de harmônicos piora esses efeitos porque o núcleo do transformador enfrenta campos magnéticos de maior frequência, que criam mais correntes de redemoinho e mais calor.

Altos níveis de harmônicos estranhos podem afetar bastante o desempenho de um transformador.Para reduzir o risco de superaquecimento e possíveis falhas, os transformadores geralmente precisam ser derados quando houver altos níveis de harmônicos.Descrever um transformador significa usá -lo com menor capacidade do que sua capacidade nominal para reduzir o aquecimento causado pelos harmônicos.Isso mantém o transformador funcionando com segurança e faz com que dure mais.A deração envolve descobrir quanto conteúdo harmônico existe e calculando as perdas extras causadas por esses harmônicos.Depois que essas perdas são conhecidas, a capacidade de carga do transformador é ajustada para impedir que o superaquecimento e garantir que funcione de maneira confiável.

Em termos simples, deratar um transformador devido a harmônicos ímpares envolve uma visão cuidadosa do conteúdo harmônico da carga.Os engenheiros usam medidores de qualidade de energia para medir o conteúdo harmônico e ver como isso afeta o transformador.Os dados dessas medições são usados ​​para descobrir quanto reduzir a carga do transformador para mantê -los operando com segurança.

Até harmônicos

Figura 3: Até harmônicos

Até os harmônicos são frequências que são até múltiplos da frequência principal, como os 2º (120 Hz), 4º (240 Hz) e 6º (360 Hz) quando a frequência principal é de 60 Hz.Nos sistemas de energia, mesmo os harmônicos são geralmente pequenos porque a maioria das cargas não lineares produz principalmente harmônicos estranhos.No entanto, a presença de harmônicos mesmo pode mostrar problemas específicos dentro do sistema elétrico.

Mesmo os harmônicos geralmente indicam um deslocamento de DC no sistema.Um deslocamento de CC ocorre quando há um componente de corrente direta (DC) misturada com a forma de onda de corrente alternada (AC).Isso pode ser causado pela retificação de meia onda, que ocorre devido a um retificador quebrado.Um retificador é um dispositivo que altera o CA para CC e, quando quebra, pode produzir uma forma de onda incompleta, levando a um deslocamento DC.O deslocamento da DC introduzido por harmônicos mesmo pode causar vários problemas nos sistemas elétricos.Um efeito importante é a saturação do transformador.Quando um transformador experimenta um deslocamento de CC, seu núcleo pode ficar magneticamente saturado durante meios alternativos da forma de onda CA.Essa saturação leva a um empate excessivo de corrente, fazendo com que o transformador superaqueça e possivelmente queima o enrolamento primário.Além disso, um deslocamento de CC pode causar vibrações mecânicas e ruído nos transformadores.A saturação magnética do núcleo resulta em fortes vibrações, que podem ser altas e fisicamente prejudiciais à estrutura do transformador.Mesmo um pequeno deslocamento de CC, mais de 1% da corrente nominal, pode causar esses problemas sérios.

Até os harmônicos também podem ser usados ​​como uma ferramenta de diagnóstico.Sua presença em um sistema elétrico pode ajudar a identificar problemas relacionados a retificadores ou outros componentes que podem estar introduzindo um componente CC no sistema.Monitorando e analisando até os harmônicos, os engenheiros podem detectar e resolver problemas com antecedência, impedindo possíveis falhas e garantindo a operação confiável do sistema de distribuição de energia.

Triplen Harmonics

Figura 4: Harmonics triplos

Os harmônicos triplos são um tipo especial de múltiplos ímpares do terceiro harmônico.Estes ocorrem no 3º, 9º, 15º e assim por diante.Eles são produzidos exclusivamente por dispositivos monofásicos e podem causar problemas significativos em sistemas elétricos.

Um grande problema causado pelo triplo harmônico é a sobrecarga de fios neutros.Em um sistema trifásico equilibrado, as correntes no fio neutro devem se cancelar.No entanto, os harmônicos triplos de dispositivos monofásicos não cancelam no fio neutro.Em vez disso, eles acrescentam, causando correntes excessivas.Isso pode levar ao superaquecimento e aos possíveis danos ao fio neutro.

A Harmonics Triplen também pode interferir nas linhas telefônicas.As partes de alta frequência desses harmônicos podem criar ruído nas linhas de comunicação que são paralelas aos cabos de energia.Esse ruído pode reduzir a qualidade dos sinais telefônicos e interromper os sistemas de comunicação.

Outra questão importante com a Harmonics Triplen é o superaquecimento do transformador.Os transformadores são construídos para lidar com níveis específicos de corrente e tensão.Os harmônicos triplos aumentam a corrente RMS (quadrado médio da raiz) nos enrolamentos do transformador, causando aquecimento extra.Se o transformador não for projetado para lidar com esse calor extra, poderá levar à quebra de isolamento e eventual falha.

Para reduzir os efeitos dos harmônicos triplos, os transformadores especiais chamados Transformadores com classificação K podem ser usados.Esses transformadores são projetados para lidar com correntes harmônicas mais altas sem superaquecimento.Eles têm melhores sistemas de refrigeração e são feitos com materiais que podem suportar o calor extra causado por harmônicos.

Sequência harmônica

Uma sequência harmônica descreve como diferentes frequências de ondas elétricas interagem com a onda principal, o que nos ajuda a entender seu impacto nos sistemas de energia.Existem três tipos principais de sequências harmônicas: positivo, negativo e zero.

Harmonics de sequência positiva

Os harmônicos de sequência positiva incluem frequências como a 1ª, 4ª e 7ª Harmonics.Esses harmônicos se movem na mesma direção que a onda principal.Eles aumentam a corrente no sistema e geram calor extra nos componentes.Esse calor adicionado pode danificar o isolamento, reduzir a eficiência do sistema e fazer com que os componentes se quebrem mais cedo do que o esperado.Nos motores, esses harmônicos atrapalham o campo magnético, o que faz com que o motor funcione com menos eficiência e reduz sua vida útil.Para lidar com esses problemas, é útil usar filtros ou outros dispositivos para monitorar e reduzir os harmônicos de sequência positiva.

Harmonics de sequência negativa

Os harmônicos de sequência negativa incluem frequências como o 2º, 5º e 8º Harmonics.Esses harmônicos se movem na direção oposta à onda principal.Eles reduzem a potência dos motores e criam calor extra, o que pode danificar o isolamento, causar vibrações mecânicas e reduzir a vida útil de motores e outros componentes.Os transformadores também podem experimentar perdas aumentadas e superaquecimento devido a esses harmônicos.O monitoramento e a instalação dos filtros certos pode ajudar a gerenciar os harmônicos de sequência negativa e seus efeitos adversos.

Zero Harmonics de sequência

Os harmônicos de sequência zero incluem frequências como a 3ª, 6ª e 9ª Harmonics.Esses harmônicos não criam um campo magnético rotativo, mas, em vez disso, se acumulam no fio neutro, fazendo com que ele superaqueça e fique danificado.Isso é especialmente problemático em sistemas com cargas não lineares.O uso de transformadores especiais e filtros harmônicos pode ajudar a gerenciar o calor extra e reduzir o conteúdo harmônico no sistema, impedindo o superaquecimento e os danos ao fio neutro.

Causas de harmônicos elétricos

Em ambientes industriais, certos tipos de equipamentos elétricos geralmente causam distorção harmônica.Esse problema é comum em dispositivos como unidades de frequência variável (VFDs) e inversores.Esses dispositivos alteram a corrente alternada (AC) para a corrente direta (CC) e, em seguida, criam uma saída CA de frequência variável para controlar as velocidades do motor com precisão em várias aplicações.

Durante essa conversão, esses dispositivos desenham corrente de uma maneira não linear e desigual, em vez da maneira suave e semelhante a ondas de cargas regulares.Esse desenho de corrente desigual adiciona componentes harmônicos ao sistema elétrico, causando distorção de tensão.A principal razão para esse sorteio de corrente irregular são as peças eletrônicas internas, como retificadores e circuitos de comutação, que apenas desenham corrente em determinados momentos durante o ciclo AC.Por exemplo, um VFD que controla um motor industrial altera primeiro o CA para CC e depois usa um inversor para criar uma saída CA de frequência variável para ajustar a velocidade do motor.O estágio de retificação envolve a comutação de peças que desenham corrente em rajadas, e não continuamente.Essa explosão de corrente distorce a forma de onda, criando harmônicos.

Esses harmônicos podem causar vários problemas em um sistema de energia industrial.Eles podem aumentar o aquecimento em transformadores e outras peças elétricas, reduzindo sua eficiência e vida útil.A distorção harmônica também pode causar mau funcionamento do equipamento eletrônico sensível, aumentar as perdas de energia e interferir potencialmente nos sistemas de comunicação.

Para reduzir esses efeitos, os fabricantes de equipamentos projetam seus produtos para atender aos padrões de compatibilidade eletromagnética (EMC).Esses padrões limitam a quantidade de distorção harmônica que seus dispositivos podem introduzir no sistema de energia.Os padrões EMC garantem que os dispositivos individuais não causem distorção excessiva que possa afetar todo o sistema de energia.No entanto, mesmo com o equipamento compatível com EMC, o efeito combinado de muitos dispositivos em execução ao mesmo tempo ainda pode causar distorção harmônica significativa.Isso torna imperativo monitorar e gerenciar ativamente os harmônicos em ambientes industriais.

Problemas propensos a ocorrer em níveis harmônicos mais altos

Problemas em motores e geradores

Os harmônicos podem causar grandes problemas em motores e geradores.O calor extra criado por correntes harmônicas pode quebrar o isolamento e colocar estresse nas peças da máquina.Isso pode fazer com que essas máquinas falhem mais cedo, tenham uma vida mais curta e precisam de mais reparos.As vibrações harmônicas também podem causar desgaste nas máquinas, piorando o problema.

Menor eficiência

Os harmônicos pioram as perdas resistivas (perdas de I²R) em fios e transformadores.Essas perdas criam calor extra, o que torna o sistema de energia menos eficiente.O calor extra pode acelerar o envelhecimento dos materiais de isolamento, levando a falhas mais frequentes e maior uso de energia.

Viagens de disjuntor não planejadas e fusíveis soprados

Altos níveis harmônicos podem fazer com que os disjuntores tropeçam e os fusíveis sopram sem um bom motivo.Isso acontece porque os harmônicos podem causar muita interferência de calor e magnética nesses dispositivos de segurança, fazendo com que eles funcionem incorretamente.Esse disparo indesejado pode interromper as operações, causar tempo de inatividade não planejado e precisa de mais manutenção.

Problemas com equipamentos eletrônicos

Os dispositivos eletrônicos são muito sensíveis à distorção harmônica.Os harmônicos podem causar problemas em dispositivos como computadores, equipamentos de comunicação e outros eletrônicos sensíveis.A interferência das frequências harmônicas pode atrapalhar os dados, causar erros de comunicação e reduzir o desempenho, exigindo filtragem e proteção extras.

Ressonâncias inesperadas

As frequências harmônicas podem se misturar com as frequências naturais do sistema de energia, causando ressonâncias.Essas ressonâncias podem fortalecer as correntes e tensões harmônicas, levando a sobretensões, superaquecendo e possíveis danos ao equipamento.Encontrar e corrigir condições ressonantes ajuda a evitar falhas graves nos sistemas de energia.

Soluções para mitigar harmônicos

Instalação de filtros

Os filtros são uma solução prática e econômica para reduzir os harmônicos em sistemas de distribuição de energia.Os filtros harmônicos são projetados para bloquear ou reduzir frequências harmônicas específicas, permitindo que apenas a frequência base passa.Esse processo ajuda a limpar a forma de onda elétrica e mitigar os efeitos adversos dos harmônicos.

Para implementar filtros de maneira eficaz, é imperativa a realização de pesquisas harmônicas.Essas pesquisas envolvem o uso de analisadores de qualidade de energia para medir os níveis e tipos de harmônicos presentes no sistema.Ao identificar as frequências harmônicas específicas e suas fontes, os engenheiros podem projetar e instalar filtros adaptados para atender às necessidades específicas do sistema.Existem diferentes tipos de filtros disponíveis, como filtros passivos, ativos e híbridos, cada um com seus aplicativos e benefícios específicos.Os filtros passivos consistem em indutores, capacitores e resistores.Eles são ajustados para filtrar frequências harmônicas específicas.Os filtros passivos são econômicos e simples de implementar, mas podem ser volumosos e menos flexíveis em sistemas dinâmicos.Os filtros ativos usam eletrônicos de potência para combater dinamicamente a distorção harmônica.Eles são mais versáteis e podem se adaptar à mudança de perfis harmônicos em tempo real.Os filtros ativos são mais caros, mas fornecem desempenho superior em condições de carga variável.Os filtros híbridos combinam componentes de filtro passivos e ativos para otimizar o desempenho e o custo.Eles oferecem uma abordagem equilibrada, fornecendo mitigação harmônica eficaz com investimentos moderados.

Usando transformadores de alto fator k

Figura 5: Alto transformador de fator K e sua forma de onda atual

Altos transformadores de fatores K são feitos para lidar com o calor extra causado por correntes harmônicas.O "K-Factor" é uma classificação que mostra o quão bem um transformador pode lidar com essas correntes sem ficar muito quente.Esses transformadores têm melhores sistemas de isolamento e refrigeração para gerenciar o calor extra dos harmônicos.Eles podem se livrar do calor extra, evitando danos e tornando a vida do transformador por mais tempo.Ao lidar com níveis harmônicos mais altos, esses transformadores diminuem o risco de superaquecimento e falha, tornando o sistema de distribuição de energia mais confiável.

O uso de transformadores de alto fator K requer um planejamento cuidadoso.Eles custam mais e são mais difíceis de instalar do que os transformadores regulares.O processo começa com uma verificação detalhada para descobrir a classificação do fator k necessária para uso específico.Essa verificação envolve analisar o conteúdo harmônico da carga e entender como isso afeta o transformador.Os engenheiros usam ferramentas para medir os níveis harmônicos e calcular o calor extra causado por esses harmônicos.

Depois que a classificação correta do fator K é determinado, a próxima etapa é equilibrar os benefícios de longo prazo em relação aos custos iniciais.Os altos transformadores de fatores K reduzem as necessidades de manutenção e melhoram a confiabilidade, o que pode compensar seus custos mais altos de compra e instalação ao longo do tempo.No entanto, a instalação desses transformadores é complexa, portanto, é necessário um planejamento cuidadoso para minimizar a interrupção.Isso inclui a programação do possível tempo de inatividade para substituir ou instalar o transformador e considerar todos os impactos nas operações.

Pesquisas regulares de qualidade de energia

As verificações regulares da qualidade da energia são necessárias para manter os sistemas elétricos saudáveis ​​e funcionar bem.Essas verificações envolvem medir sistematicamente as propriedades elétricas para encontrar e corrigir possíveis problemas com antecedência.Ao monitorar constantemente a qualidade da energia, garantimos que o equipamento elétrico funcione bem, dura mais tempo e seja mais confiável.As medições devem ser realizadas nos pontos -chave do sistema, como onde a energia entra e nos painéis de distribuição.A coleta regular de dados ajuda a spot padrões que possam mostrar problemas em desenvolvimento, como níveis crescentes de alterações de ruído elétrico ou tensão.Os medidores de qualidade de energia, que medem a tensão, a corrente, o ruído elétrico e as mudanças repentinas, são as principais ferramentas usadas nessas verificações.Os medidores avançados registram dados ao longo do tempo, fornecendo uma imagem completa das tendências de qualidade de energia.Observar esses dados ajuda a encontrar diferenças das condições normais, permitindo correções oportunas e reduzir o risco de quebrar o equipamento.

Conformidade com os padrões IEEE 519

O IEEE 519 padrões estabelecem regras para níveis aceitáveis ​​de tensão e distorção atual em sistemas elétricos.Essas regras ajudam a evitar danos ao equipamento e garantir a confiabilidade do sistema.

A tabela abaixo mostra os padrões IEEE 519-2014 para distorção harmônica total (THD) em tensão e corrente para diferentes níveis de tensão:

Figura 6: Tabela mostrando limites totais de distorção harmônica (THD) para tensão e corrente em diferentes níveis de tensão

Analisadores de qualidade de energia são ferramentas que ajudam a medir os harmônicos até o 511º harmônico.Esses analisadores fornecem dados detalhados que permitem monitoramento e gerenciamento precisos da qualidade da energia.Eles ajudam a identificar frequências harmônicas específicas e seus tamanhos, permitindo soluções direcionadas.

O monitoramento regular da qualidade da energia garante que os níveis harmônicos permaneçam dentro dos limites aceitáveis ​​e ajudem a detectar possíveis problemas com antecedência.O gerenciamento de harmônicos envolve efetivamente encontrar e corrigir fontes de distorção, como a instalação de filtros harmônicos e a atualização de transformadores.

Conclusão

Os harmônicos em sistemas elétricos podem causar muitos problemas, como superaquecimento, falhas de equipamentos e ineficiências.Ao entender os diferentes tipos de harmônicos - ímpares, uniformes e triplos - e como eles afetam as peças elétricas, os engenheiros podem prever e corrigir melhor esses problemas.Usando soluções como filtros harmônicos, transformadores especiais que lidam com calor extra e verificações regulares da qualidade da energia ajudam a manter os sistemas confiáveis ​​e eficientes.Após os padrões do IEEE 519 garantem que os níveis harmônicos permaneçam dentro dos limites seguros, protegendo o equipamento e o operações.O gerenciamento de harmônicos bem não apenas faz com que os sistemas elétricos duram mais tempo, mas também melhore o desempenho e reduz os custos de manutenção, tornando -o uma parte essencial da engenharia elétrica moderna.

Perguntas frequentes [FAQ]

1. Quais são os perigos dos harmônicos?

Os perigos dos harmônicos incluem superaquecimento de equipamentos elétricos, falha prematura de isolamento, aumento de perdas, mau funcionamento de eletrônicos sensíveis, disparo incômodo de disjuntores e condições potenciais de ressonância que podem causar danos graves aos componentes.

2. Quais são os efeitos dos harmônicos na qualidade da energia e perdas nos sistemas de distribuição de energia?

Os harmônicos degradam a qualidade da energia distorcendo as formas de onda de tensão e a corrente, levando a um aumento de perdas em transformadores e condutores, redução da eficiência, superaquecimento e interferência em equipamentos sensíveis, o que pode resultar em falhas operacionais e aumento dos custos de manutenção.

3. Qual é a principal causa de harmônicos em um sistema elétrico?

Uma das principais causas de harmônicos em um sistema elétrico é a presença de cargas não lineares, como acionamentos de frequência variáveis, inversores, retificadores e outros dispositivos eletrônicos que desenham corrente de maneira não sinusaidal, introduzindo correntes harmônicas no sistema.

4. Qual é o efeito dos harmônicos no fator de potência de um sistema de distribuição?

Os harmônicos afetam negativamente o fator de potência de um sistema de distribuição, aumentando a potência aparente, fazendo com que mais corrente seja desenhada para a mesma quantidade de energia real.Isso resulta em menor eficiência e custos operacionais mais altos devido ao aumento de perdas e capacidade reduzida dos componentes do sistema.

5. Quais são os harmônicos em um sistema de distribuição de energia elétrica?

Os harmônicos em um sistema de distribuição de energia elétrica são correntes ou tensões em frequências que são múltiplos inteiros da frequência base (60 Hz nos EUA).Eles resultam de cargas não lineares e causam distorção na forma de onda, levando a vários problemas operacionais e de eficiência dentro do sistema.