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Correção do fator de potência na presença de harmônicos
Artigo escrito por Lucas Teixeira, especialista de Produto da Siemens, fala sobre correção do fator de potência na presença de harmônicos
Data da Publicação 12/11/2020
Notícias de Artigos Técnicos
Com o grande desenvolvimento na eletrônica de potência nas últimas décadas, muitas funções que antes eram realizadas por componentes lineares (circuitos RLC) passaram a ser realizadas por componentes não lineares, utilizando, por exemplo, chaveamentos. Isso trouxe uma piora na qualidade da energia elétrica, em especial, com a inserção das componentes harmônicas nas instalações.
Além das consequências diretas, como sobreaquecimento em cabos e quedas de tensão, podem aparecer consequências como ressonância entre o banco de capacitores e a indutância equivalente da instalação. E isto interfere diretamente no projeto de banco de capacitores para corrigir o baixo fator de potência.
Para a correção do baixo fator de potência em uma instalação, sem a presença de harmônicas, a energia total é a energia aparente, que é a soma vetorial da energia ativa e da energia reativa. De forma semelhante, a potência aparente é a soma vetorial da potência ativa e a potência reativa (figura 1). O fator de potência é definido como relação entre a potência ativa P e a potência aparente S. As três potências têm a mesma dimensão, porém, a potência ativa é expressa com a unidade de watts (W); a potência reativa com a unidade de volt-ampères-reativos (VAr) e a potência aparente com a unidade de volt-ampères (VA).
Figura 1 – Triângulo das potências, representando a soma vetorial da potência ativa e a reativa.
As distribuidoras de energia devem entregar aos consumidores energia elétrica na forma senoidal, cuja frequência é padronizada em 60Hz no Brasil. Nas instalações elétricas de hoje, muitas cargas são "não lineares", ou seja, deformam a onda senoidal recebida. Portanto, é como se a carga adicionasse à onda de frequência fundamental as demais ondas harmônicas – por exemplo, 120Hz, 180Hz e 240Hz – e cada tipo de não linearidade gera um conteúdo de harmônicas específicas. Estas deformações (expressas em harmônicas) podem causar prejuízos não apenas ao consumidor que as gerou, mas também a partes da instalação alimentadas pela mesma rede elétrica.
A preocupação com as cargas não lineares é recente, porque elas começaram a ser representativas com a evolução da eletrônica de potência. Entre os exemplos de cargas não lineares estão: computadores, reguladores de tensão a núcleo saturado, motores CA controlados por tensão de estator, equipamentos eletrônicos com fontes chaveadas etc.
Para entender a influência das harmônicas nas instalações elétricas, em particular na correção do fator de potências (CFP), a mais fácil de entender, por ser mais intuitiva, é o surgimento de uma nova dimensão no triângulo de potências, transformando-o em um paralelepípedo das potências. Este paralelepípedo (figura 2) considera a potência aparente necessária para sustentar as harmônicas.
Figura 2 – Paralelepípedo de potências, representando o fator de potência em instalações com cargas não lineares.
Como nos sistemas industriais as cargas são predominantemente indutivas, a correção de fator de potência é feita com a inserção de um banco de capacitores na instalação. A resposta dos capacitores não é a mesma para toda a gama de frequência, tendo, portanto, uma resposta diferente para a frequência fundamental e para cada frequência harmônica. Esta característica pode provocar consequências indesejáveis em alguma frequência harmônica, como a ressonância.
Um aspecto importante a ressaltar é que o fenômeno da ressonância não depende das harmônicas, e sim da sintonia entre a capacitância do banco e a indutância do transformador. Nesta condição, a indutância equivalente da instalação se anula, resultando em uma impedância puramente resistiva, que normalmente é muito baixa, deixando a instalação elétrica vulnerável aos efeitos danosos da ressonância. O problema da ressonância pode ser resolvido através da instalação de indutores de bloqueio no banco de capacitores. Estes indutores de bloqueio que realizam a dessintonia na frequência harmônica são especificados por um fator de dessintonia (FD), que é dado pela seguinte relação:
FD = Zl/Zc
FD é o fator de dessintonia
Zl é a impedância do indutor de bloqueio
Zc é a impedância do capacitor ou banco
A instalação de indutores de bloqueio para realizar a dessintonia é recomendada quando a distorção harmônica total de tensão estiver entre 3% e 5% ou a distorção total de corrente estiver entre 10% e 30%. Os indutores de bloqueio devem ser instalados em série com os capacitores de CFP, dimensionados de acordo com a sua capacitância. Além de dessintonia, a instalação dos indutores faz com que se mantenha a expectativa de vida dos capacitores pelo aumento da impedância dos mesmos contra as correntes harmônicas, reduzindo a distorção da tensão a limites compatíveis com os equipamentos presentes na planta elétrica.
A inserção de um indutor de bloqueio em série com um capacitor provoca uma sobretensão permanente com relação à tensão da rede no capacitor. Por isso, os capacitores instalados na saída do indutor devem ter sua tensão sobredimensionada em relação à tensão da instalação.
Portanto, quando se faz a correção de fator de potência em instalações elétricas na presença de harmônico, as formas tradicionais não são adequadas, devido ao aparecimento de ressonância, sendo que, nestes casos, devem ser previsto os reatores de dessintonia. Por isto, para fazer o projeto da correção de fator de potência, é necessário fazer o levantamento do fator de potência considerando a distorção harmônica presente na instalação. Mesmo que nesta análise inicial, a distorção harmônica esteja baixa, a opção de usar a correção de fator de potência com bancos automáticos dessintonizados deve ser sempre considerada.