- O que são harmônicos no sistema elétrico?
- Por que é necessário eliminar Harmônicas no Sistema de Potência?
- Tipo de filtros de harmônicas
- Filtros Harmônicos Passivos
- Filtros Harmônicos Ativos
- Como selecionar filtros harmônicos
O que são harmônicos no sistema elétrico?
Em sistemas de potência, os harmônicos são definidos como múltiplos inteiros positivos da frequência fundamental. Harmônica é uma tensão ou corrente que ocorre em um múltiplo da frequência fundamental. Geralmente é considerado ruído na linha de alimentação.
Os harmônicos no sistema de potência podem ser classificados em dois tipos: harmônicos de corrente e harmônicos de tensão.
As harmônicas de corrente induzidas pela carga não linear, como VSDs (drives de velocidade variável). As cargas não lineares consomem corrente da linha de alimentação que não está em uma forma de onda senoidal perfeita. A forma de onda da corrente não senoidal pode ser uma série complexa de senoidais simples que podem oscilar em um número inteiro, múltiplo da frequência fundamental da linha de alimentação.
Na maioria dos casos, os harmônicos de tensão são causados pelos harmônicos de corrente. O harmônico de tensão ocorre por causa da tensão distorcida produzida pelo efeito dos harmônicos de corrente com a impedância da fonte.
A imagem acima mostra a forma de onda da corrente angustiada na carga não linear. Aqui, a forma de onda da corrente distorcida não está seguindo a onda senoidal. Isso mostra os harmônicos atuais no sistema de potência.
Por que é necessário eliminar Harmônicas no Sistema de Potência?
As harmônicas de corrente e tensão são diretamente proporcionais à transferência de energia ruidosa para a carga. Vários equipamentos domésticos e de escritório são responsáveis pelos harmônicos no sistema de energia. Os harmônicos do sistema de potência freqüentemente aumentam a corrente de carga. Vários instrumentos, como lâmpadas fluorescentes nas fábricas ou em casa ou no escritório, são afetados por harmônicos e sofrem vários defeitos. Os motores são extremamente afetados pelos harmônicos do sistema de potência.
Às vezes, os harmônicos nos sistemas de potência podem ser muito perigosos e aumentar a potência fornecida aos instrumentos, o que leva a um aumento de temperatura na carga e pode encurtar a vida útil do instrumento.
Para superar essas harmônicas do sistema de potência, é necessário reconstruir a conexão de energia para acionar cargas não lineares e introduzir filtros de harmônicas no sistema de potência.
Tipo de filtros de harmônicas
Filtros de harmônicos muito eficazes para proteger equipamentos elétricos caros de saídas de energia distorcidas devido aos harmônicos. Existem diferentes tipos de filtros de harmônicos disponíveis no mercado elétrico e eletrônico, dependendo da potência nominal, tensão aplicada, monofásico ou trifásico e outros parâmetros dependentes da carga.
No entanto, existem dois tipos principais de filtros de harmônicos disponíveis, que são filtros de harmônicos passivos e filtro de harmônicos ativos.
A principal diferença entre esses dois tipos de filtros harmônicos são os componentes usados para o projeto do filtro. Filtros de harmônicos passivos usam componentes passivos simples, principalmente resistores, indutores e capacitores. Enquanto os filtros harmônicos ativos usam componentes ativos, como diferentes tipos de BJTs, IGBTs, MOSFETs e circuitos integrados.
Como os filtros de harmônicas são os equipamentos de segurança da linha elétrica, eles devem confirmar os padrões internacionais de segurança como IEEE, EN, AS, BS e a marca UL dos laboratórios de subscrição.
Além disso, os filtros de harmônicas podem ser projetados em diferentes ordens. Como uma terceira ordem, os filtros harmônicos podem filtrar a frequência, que é o terceiro múltiplo da frequência fundamental.
Filtros Harmônicos Passivos
Os filtros de harmônicos passivos são os mais comuns e os filtros de harmônicos facilmente disponíveis. É um filtro acessível para suprimir a perturbação harmônica na linha de alimentação.
Conforme discutido antes, os filtros de harmônicos passivos usam componentes passivos padrão, como resistores, indutores e capacitores. Esses componentes passivos são usados para formar um circuito tanque. O circuito tanque é projetado de forma especial para que possa operar na mesma frequência de ressonância em relação aos harmônicos indesejados. Os filtros de harmônicos passivos bloqueiam a passagem de harmônicos indesejados. O filtro harmônico passivo converte a corrente harmônica em calor e protege o dispositivo final ou carga. O filtro pode ser sintonizado em uma determinada frequência que precisa ser eliminada como harmônicos.
Existem principalmente quatro tipos de filtros harmônicos passivos:
1. Filtro passa-alto
2. Filtro passa-banda
3. Filtro tipo C e
4. Filtro de série.
Filtro passa-alto
Filtros de harmônicos passivos altos são usados para eliminar os harmônicos de ordem superior e para ter controle flexível sobre a ampla faixa de frequências. O projeto básico do filtro harmônico passa-alto usa três componentes passivos, resistor, capacitor e indutor.
Na imagem acima, podemos ver a construção básica de um filtro harmônico passa-alto passivo. A construção mostra o resistor e o indutor está conectado em paralelo a um capacitor em série. O filtro produz características de impedância plana na faixa de alta frequência. A alta frequência diminui a perda de potência.
Este tipo de filtros é utilizada, principalmente, para a filtragem de 5 th / 6 ou corrente mais elevada ordem. Freqüentemente, filtros diferentes são combinados com filtros de harmônicas passa-altas para eliminar a perda de energia quando usados em aplicações de baixa frequência ou de baixa frequência.
A curva de impedância com a frequência pode ser mostrada na imagem abaixo.
Filtro passa-banda
O filtro harmônico passa-banda é um filtro de dupla afinação. O filtro harmônico passa-banda consiste em dois capacitores, dois indutores e um único resistor. Ele também é usado para fins de filtragem de harmônicos de alta ordem. Este filtro funciona com a combinação de ressonância paralela do filtro passa-banda padrão junto com a ressonância em série do indutor e do capacitor combinados.
Na imagem acima, o esquema básico do filtro passa-banda é mostrado. O circuito do filtro tem duas partes, na primeira parte um capacitor C2 e um indutor L2 são conectados em série, enquanto na segunda parte um resistor, um indutor e um capacitor são conectados em paralelo. A primeira parte e a segunda parte também estão conectadas em série.
As características da impedância com a frequência podem ser mostradas no gráfico abaixo.
Filtro tipo C
O filtro do tipo C é usado para fins de filtragem de harmônicos de segunda ou terceira ordem de ordem inferior. Os filtros do tipo C têm perda menor do que a passagem de banda equivalente ou o filtro em série.
Os filtros do tipo C consistem em 4 componentes passivos - dois capacitores, um indutor e um único resistor.
Na imagem acima, a construção básica do filtro do tipo c é mostrada. Um capacitor é conectado em série com um indutor, que é novamente conectado em paralelo com o resistor. A conexão paralela de três componentes é novamente conectada em série com um segundo capacitor.
O resistor suprime a corrente fundamental criada pelo indutor e capacitor oscilados.
A curva de impedância é mostrada na imagem abaixo
Filtro de série
O filtro em série é chamado de filtro passivo de supressor de harmônicas com sintonia única. Este filtro possui as propriedades de construção mais simples. Apenas três componentes passivos - um único capacitor, indutor e resistor são usados em série. Este filtro elimina uma única frequência.
A construção deste filtro pode ser mostrada na imagem abaixo, onde 3 componentes passivos são conectados em série para formar o filtro harmônico em série sintonizado único.
A característica de impedância é mostrada na imagem abaixo -
Filtros Harmônicos Ativos
Conforme discutido anteriormente, os filtros de harmônicos passivos são bons para eliminar os harmônicos associados na linha de alimentação. No entanto, o projeto do filtro de harmônicos passivos é realmente complexo e o projetista deve projetar os filtros de harmônicos passivos de acordo com os requisitos de potência reativa da carga. Nesse caso, o projeto do filtro passivo é muito difícil e leva a uma operação de fator de potência ruim para certas condições de carga.
Nesse caso, os filtros ativos são melhores para lidar com os harmônicos da linha de alimentação sem as dependências de potência reativa da frequência fundamental.
Filtros harmônicos ativos usam um método excelente onde o filtro usa componentes harmônicos produzidos por você e os injeta na linha de alimentação, o que cancela os harmônicos indesejados.
Existem diferentes tipos de filtros ativos disponíveis que usam diferentes topologias para eliminar os harmônicos na linha de alimentação.
O projeto de filtros harmônicos ativos mais comuns usa os seguintes itens básicos, como
1. Inversor de fonte de tensão usando vários interruptores de energia
2. Amostragem e referência de controle da linha de alimentação
3. Sistema PWM que injeta pulso de disparo PWM no sistema como harmônicos.
O filtro Harmônico Ativo usa um tipo diferente de chaves semicondutoras que requerem energia para operar.
Como selecionar filtros harmônicos
Determinar o filtro harmônico perfeito é bastante complicado. É necessário identificar a frequência harmônica na qual os filtros precisam ser sintonizados. Em alguns casos, a operação do filtro falha em servir ao propósito apenas por causa da sintonia errada em uma certa frequência fundamental onde nenhum harmônico está presente.
O primeiro passo importante é identificar a ordem dos harmônicos e, dependendo da ordem dos harmônicos, o filtro deve ser escolhido. Para eliminar a distorção harmônica de frequência única, os filtros harmônicos em série são eficientes, mas em alguns casos, filtros harmônicos de sintonia dupla precisam ser empregados.
As perdas nos filtros também precisam ser compensadas, pois são altamente dependentes da escolha do filtro. Às vezes, para um alto nível de cargas não lineares, ambos os tipos de filtros harmônicos ativos e passivos são necessários.