Energia Eletrica - Porque é que os harmónicos são prejudiciais?

A Energia Elétrica que recebemos é de corrente alternada e tem a frequência de 60Hz que chamamos de fundamental; harmónicas são correntes com frequências múltiplas da fundamental que transitam no sistema causando grandes danos a equipamentos e condutores.

Qualquer mudança no sinal da onda da tensão ou corrente é designada como distorção, geralmente conhecida por THD ou taxa de distorção harmónica. Distorção na onda da tensão é designado como taxa de distorção harmónica na tensão (THDV - taxa de distorção harmónica na tensão simples, THDU - taxa de distorção harmónica na tensão composta). O mesmo acontece na onda da corrente em que a distorção é designada por taxa de distorção harmónica na corrente (THDI).

A distorção harmónica é composta por várias ondas sobrepostas à onda da corrente ou tensão da frequência fundamental. Essas ondas sobrepostas são harmónicos com ordem desde 2 até 50. A frequência de uma onda puramente sinusoidal é designada como frequência fundamental e possui uma harmónica de ordem 1, a harmónica de ordem 2 terá o dobro da frequência fundamental, e assim consecutivamente até a ordem 50.

A taxa de distorção harmónica é a diferença entre o valor eficaz da onda completa (até a ordem 50) e o valor eficaz da onda de frequência fundamental (ordem 1 a 50 Hz).

Com a presença de distorção harmónica, os equipamentos passam a trabalhar de forma deficiente, há prejuízo ao fator de potência, os condensadores são sobrecarregados, o isolamento dos condutores sofrem perdas devido a altas temperaturas dos mesmos, ocorrem queimas de equipamentos mais sensíveis como variadores de velocidade, arrancadores suaves, placas de interface entre equipamentos, entre outros, e com a diminuição da qualidade da energia, paga-se mais do que se consome, graças ao desperdício.

 As instalações elétricas necessitam de uma alimentação estável e confiável, mas, em todos sistemas elétricos existem componentes harmônicas que causam efeitos indesejáveis ao funcionamento do sistema, por exemplo:

Motores e Geradores

O maior efeito das harmônicas em máquinas rotativas (de indução e síncronas) é o aumento do aquecimento devido ao aumento das perdas no ferro e no cobre. Afeta-se assim a sua eficiência e o torque disponível. Além disso, tem-se um possível aumento do ruído audível, quando comparado com alimentação senoidal. O efeito cumulativo do aumento das perdas reflete-se numa diminuição da eficiência e da vida útil da máquina. A redução na eficiência é indicada na literatura como de 5% a 10% dos valores obtidos com uma alimentação senoidal.

Transformadores

Também neste caso tem-se aumento nas perdas. As harmônicas na tensão aumentam as perdas no ferro, enquanto harmônicas na corrente elevam as perdas no cobre. A elevação das perdas no cobre deve-se principalmente ao efeito pelicular, que implica uma redução da área efetivamente condutora à medida que se eleva a frequência da corrente. Associada à dispersão existe ainda outro fator de perdas que se refere às correntes induzidas pelo fluxo disperso. Esta corrente manifesta-se nos enrolamentos, no núcleo e nas peças metálicas adjacentes aos enrolamentos. Estas perdas crescem proporcionalmente ao quadrado da frequência e da corrente. Existe ainda uma maior influência das capacitâncias parasitas (entre espiras e entre enrolamento) que podem realizar acoplamentos não desejados e eventualmente produzir ressonâncias no próprio dispositivo.

Cabos de alimentação

Em razão do efeito pelicular, que restringe a secção condutora para componentes de frequência elevada, também os cabos de alimentação têm um aumento de perdas devido às harmônicas de corrente. Além disso, tem-se o chamado "efeito de proximidade", o qual relaciona um aumento na resistência do condutor em função do efeito dos campos magnéticos produzidos pelos demais condutores colocados nas adjacências. Além disso, caso os cabos sejam longos e os sistemas conectados tenham suas ressonâncias excitadas pelas componentes harmônicas, podem aparecer sobretensões elevadas ao longo da linha, podendo danificar o cabo.

Condensadores

O maior problema aqui é a possibilidade de ocorrência de ressonâncias (excitadas pelas harmônicas), podendo produzir níveis excessivos de corrente e/ou de tensão. Além disso, como a reatância capacitiva diminui com a frequência, tem-se um aumento nas correntes relativas às harmônicas presentes na tensão. As correntes de alta frequência, que encontrarão um caminho de menor impedância pelos condensadores, elevarão as suas perdas ôhmicas. O decorrente aumento no aquecimento do dispositivo encurta a vida útil do condensador.

Equipamentos Eletrônicos

Alguns equipamentos podem ser muito sensíveis a distorções na forma de onda de tensão. Por exemplo, se um aparelho utiliza o cruzamento como zero (ou outros aspetos da onda de tensão) para realizar alguma ação, distorções na forma de onda podem alterar, ou mesmo inviabilizar, seu funcionamento.

Caso as harmônicas penetrem na alimentação do equipamento por meio de acoplamentos indutivos e capacitivos (que se tornam mais efetivos com o aumento da frequência), eles podem também alterar o bom funcionamento do aparelho.

Aparelhos de Medição

Aparelhos de medição e instrumentação em geral são afetados por harmônicas, especialmente se ocorrerem ressonâncias que afetam a grandeza medida. Dispositivos com discos de indução, como os medidores de energia, são sensíveis a componentes harmônicas, podendo apresentar erros!

Relés de Proteção e Fusíveis

Um aumento da corrente eficaz devida a harmônicas sempre provocará um maior aquecimento dos dispositivos pelos quais circula a corrente, podendo ocasionar uma redução em sua vida útil e eventualmente sua operação inadequada. O desempenho de um relé considerando uma faixa de frequências de entrada não é uma indicação de como aquele componente responderá a uma onda distorcida contendo aquelas mesmas componentes espectrais. Relés com múltiplas entradas terão comportamento ainda mais imprevisíveis.


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