Como fornecedor de VFDs de controle VF, frequentemente encontro perguntas de clientes sobre o conteúdo harmônico desses drives. Nesta postagem do blog, vou me aprofundar no que é o conteúdo harmônico, por que ele é importante nos VFDs de controle VF e como ele afeta o desempenho geral dos seus sistemas.
Compreendendo Harmônicos
Para começar, vamos esclarecer o que são harmônicos. Num sistema elétrico, a frequência fundamental é a frequência principal da corrente alternada (CA), normalmente 50 ou 60 Hz dependendo da região. Harmônicos são frequências que são múltiplos inteiros desta frequência fundamental. Por exemplo, o 2º harmônico é o dobro da frequência fundamental, o 3º harmônico é três vezes a frequência fundamental e assim por diante.
Harmônicos são gerados em sistemas elétricos quando cargas não lineares estão presentes. Uma carga não linear é aquela em que a corrente consumida não é proporcional à tensão aplicada. Os VFDs de controle VF se enquadram nesta categoria. Quando um VFD converte a energia CA de entrada em CC e depois novamente em CA em uma frequência variável, ele introduz não linearidades na forma de onda da corrente, que por sua vez geram harmônicos.
A geração de harmônicos em VFDs de controle VF
Os VFDs de controle VF usam dispositivos eletrônicos de potência, como diodos, tiristores e transistores bipolares de porta isolada (IGBTs). Esses dispositivos ligam e desligam a corrente elétrica em altas frequências para controlar a tensão e a frequência de saída. Durante o processo de comutação, a forma de onda da corrente se desvia de uma onda senoidal pura, resultando na geração de harmônicos.
A seção retificadora de um VFD, que converte CA em CC, é uma importante fonte de harmônicos. A maioria dos VFDs usa um retificador de seis pulsos, que gera quantidades significativas de 5º, 7º, 11º e 13º harmônicos. Quanto maior a ordem do harmônico, menor sua amplitude, mas mesmo esses harmônicos de menor amplitude podem ter impacto no sistema.
Por que o conteúdo harmônico é importante
O conteúdo harmônico em um VF Control VFD pode ter vários efeitos negativos no sistema elétrico e nos equipamentos conectados:
1. Superaquecimento de Equipamentos
Harmônicos causam aquecimento adicional em equipamentos elétricos, como transformadores, motores e cabos. A corrente adicional devido aos harmônicos aumenta as perdas resistivas (perdas I²R) nestes componentes. Com o tempo, isso pode levar ao envelhecimento prematuro do isolamento, à redução da vida útil do equipamento e até mesmo à falha do equipamento.
2. Distorção de tensão
Harmônicos podem causar distorção de tensão no sistema elétrico. Quando a forma de onda da corrente é distorcida devido a harmônicos, cria-se uma queda de tensão na impedância do sistema. Esta queda de tensão contém componentes harmônicos, que podem afetar o desempenho de outros equipamentos sensíveis conectados à mesma fonte de alimentação. Por exemplo, computadores, dispositivos de comunicação e outros equipamentos eletrônicos podem apresentar mau funcionamento devido à distorção de tensão.
3. Interferência com outros equipamentos
Harmônicos também podem causar interferência eletromagnética (EMI) em outros equipamentos elétricos e eletrônicos. Os componentes de alta frequência dos harmônicos podem irradiar energia eletromagnética, o que pode interferir na operação normal de equipamentos próximos, como receptores de rádio, sensores e sistemas de controle.
Medindo Conteúdo Harmônico
Para avaliar o conteúdo harmônico em um VFD de controle VF, vários parâmetros são comumente usados:
1. Distorção Harmônica Total (THD):
THD é uma medida da distorção geral da forma de onda de corrente ou tensão devido a harmônicos. É expresso como uma porcentagem e representa a razão entre o valor da raiz quadrada média (RMS) de todos os componentes harmônicos e o valor RMS do componente fundamental. Um valor THD mais baixo indica uma forma de onda mais limpa com menos distorção harmônica.
2. Amplitudes Harmônicas Individuais:
Além do THD, também é importante medir as amplitudes dos harmônicos individuais. Isto ajuda a identificar as harmónicas específicas que estão a causar problemas e a determinar as medidas de mitigação apropriadas.
Mitigando Conteúdo Harmônico
Como fornecedor de VF Control VFD, oferecemos diversas soluções para mitigar o conteúdo harmônico em nossos drives:
1. Filtros passivos
Filtros passivos são o método mais comum de mitigação de harmônicos. Esses filtros consistem em indutores, capacitores e resistores conectados em uma configuração específica para absorver ou bloquear as correntes harmônicas. Filtros passivos podem ser projetados para atingir harmônicos específicos ou para reduzir o THD geral.
2. Filtros ativos
Os filtros ativos são mais avançados e podem fornecer melhor mitigação de harmônicos em comparação aos filtros passivos. Esses filtros usam eletrônica de potência para gerar uma corrente de compensação que é igual em magnitude, mas oposta em fase à corrente harmônica. Isto cancela efetivamente a corrente harmônica no sistema.
3. Retificadores multipulsos
Em vez de usar um retificador padrão de seis pulsos, retificadores multipulsos, como retificadores de 12 ou 18 pulsos, podem ser usados. Esses retificadores reduzem o conteúdo harmônico aumentando o número de pulsos no processo de retificação, o que resulta em uma tensão CC mais limpa e correntes harmônicas mais baixas.
Impacto no desempenho do sistema
O conteúdo harmônico em um VF Control VFD pode impactar significativamente o desempenho de todo o sistema. Ao reduzir o conteúdo harmônico, podemos melhorar a eficiência do sistema elétrico, reduzir o consumo de energia e aumentar a confiabilidade dos equipamentos conectados. Por exemplo, um motor operando com uma fonte de alimentação mais limpa (menor conteúdo harmônico) funcionará de forma mais suave, com menos vibração e ruído, e terá uma vida útil mais longa.
Aplicações e Considerações
Os VFDs de controle VF são usados em uma ampla gama de aplicações, incluindo máquinas industriais, sistemas HVAC e sistemas de energia renovável. Em cada aplicação, o conteúdo harmônico precisa ser cuidadosamente considerado. Por exemplo, num processo industrial sensível, mesmo uma pequena quantidade de distorção harmónica pode causar problemas de qualidade do produto. Num sistema HVAC, um elevado conteúdo harmónico pode levar ao aumento do consumo de energia e à falha prematura do equipamento.
Ao selecionar um VF Control VF para uma aplicação específica, é importante considerar os requisitos harmônicos do sistema. Algumas aplicações podem exigir um VFD com THD muito baixo, enquanto outras podem ser mais tolerantes à distorção harmônica. Nossa equipe de especialistas pode ajudá-lo a escolher o VFD e a solução de mitigação de harmônicas certa para suas necessidades específicas.
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Referências
- "Qualidade de Energia em Sistemas Elétricos" por Math HJ Bollen
- "Inversores de frequência variável: seleção, aplicação e manutenção" por Dan M. Ionel e Giri K. Venkataramanan