Como resolver problemas de harmônicos na fonte

Um inversor de frequência variável comum (VFD) gera harmônicos tanto na entrada quanto na saída. No lado do motor (saída), o VFD emula uma onda senoidal com um sinal modulado por largura de pulso (PWM). A diferença entre os dois sinais é mostrada na Imagem 1. O sinal PWM está em algum lugar entre uma onda quadrada e uma senóide pura. A natureza quadrada do sinal PWM resulta da frequência de comutação limitada dos transistores bipolares de porta integrada (IGBT), comumente usados ​​em VFDs comuns. Os harmônicos são um subproduto inevitável e infeliz de um sinal PWM.

A situação é semelhante no lado da grade (entrada) do VFD. A arquitetura de ponte de diodo usada em VFDs comuns extrai corrente não linearmente no pico da forma de onda de tensão. A forma de onda de corrente resultante (Imagem 2) é pesada em conteúdo harmônico, que é propagado de volta para a rede de distribuição elétrica. Não é incomum que um VFD comum de 6 pulsos gere distorção de corrente harmônica total (THDi) na faixa de 80% tanto no lado da grade quanto no lado do motor do VFD.

Por definição, os harmônicos ocorrem em múltiplos inteiros da frequência fundamental. Por exemplo, um sistema de 60 hertz (Hz) experimentará harmônicos no segundo—120 Hz, terceiro—180 Hz, quarto—240 Hz, quinto—300 Hz, etc. Cada harmônico pode ser ainda categorizado como sequência positiva, sequência negativa e zero componentes da sequência. Os harmônicos de sequência positiva (quarto, sétimo, décimo, décimo terceiro, décimo nono, etc.) têm o mesmo vetor rotacional que a frequência fundamental. Como o nome indica, as harmônicas de sequência negativa (segunda, quinta, oitava, décima primeira, décima quarta etc.) giram na direção oposta à fundamental. Componentes de sequência zero (terceiro, sexto, nono, décimo segundo, décimo quinto, etc.) não possuem vetor rotacional.

O fato de que a saída do motor de um VFD comum contém harmônicos significa que a corrente quadrática total (RMS) no motor é significativamente maior do que a corrente fundamental. Esse excesso de corrente se manifesta como perdas aumentadas de cobre e núcleo (ferro), que por sua vez aumentam o calor dentro do próprio motor. A curto prazo, o excesso de calor pode causar distúrbios térmicos, prejudicando diretamente as operações. A longo prazo, o excesso de calor degradará o isolamento do motor, levando à falha precoce.

As preocupações com harmônicos não se limitam ao excesso de corrente RMS. A alta taxa de mudança de tensão (dv/dt) gerada por correntes parasitas induzidas por harmônicos pode causar arcos entre os enrolamentos individuais do motor e entre os rolamentos e a pista do rolamento. O primeiro degrada o isolamento do motor, enquanto o último causa corrosão nos rolamentos e quebra do lubrificante. A magnitude relativa dos harmônicos individuais pode ter um impacto no desempenho e na longevidade do motor. Conforme observado acima, os harmônicos de sequência negativa operam na direção oposta da fundamental, criando o potencial de aquecimento do rotor por meio de grandes correntes parasitas.

Além disso, a interação entre correntes harmônicas positivas e negativas adjacentes pode criar torque pulsante e oscilação mecânica, reduzindo a eficiência operacional. Semelhante aos motores, a presença de harmônicos em um sistema de distribuição elétrica significa que os condutores devem ser superdimensionados dentro da instalação, exigindo despesas de capital adicionais e limitando as opções para expansão e reconfiguração subsequentes. Outros equipamentos conectados à rede elétrica podem estar sujeitos a aquecimento excessivo, desgaste prematuro e falha precoce.

As especificidades dependerão do tipo de equipamento. Alguns exemplos incluem aquecimento excessivo dentro de transformadores, cintilação visível em cargas de iluminação ou danos a cargas sensíveis. As concessionárias de energia elétrica estão cientes de como o excesso de harmônicos afeta negativamente suas redes de distribuição. A maioria exige que os usuários cumpram os limites especificados no Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE) 519, que exige que o THDi não exceda 5% no ponto de acoplamento comum. Aqueles que não cumprirem estão sujeitos a penalidades financeiras.