Por André Igor Nóbrega da Silva

Um dos tópicos de grande importância dentro da engenharia elétrica se refere à qualidade de energia elétrica que é gerada, transmitida e distribuída no território nacional. Esse tema é de grande recorrência no âmbito das indústrias de potência desde o final da década de 1980. A razão para tamanha preocupação é basicamente econômica. Os estudos referentes à qualidade energética beneficiam tanto as concessionárias quanto os consumidores finais. Além de uma busca por maior eficiência dos sistemas elétrico, a mitigação das questões relacionados à qualidade de energia diminui consideravelmente as perdas nos equipamentos de forma que a legislação nos países referente ao assunto se torna cada vez mais rígida.

De um modo geral, os problemas sobre qualidade energética podem ser definidos da seguinte forma: Qualquer problema manifestado na tensão, corrente ou frequência que resulta em falhas ou erros de operação dos equipamentos do consumidor (DUGAN, 2004). Em relação a essas adversidades, a literatura técnica pode registrar os seguintes: quedas e interrupções de tensão, dilatações de tensão, harmônicos, dentre outros (ver figura 1).

Embora cada um desses tópicos impacte de maneira significativa o sistema, esse trabalho se dispõe a introduzir, apenas, alguns conceitos sobre os harmônicos, termo que se refere a distorções nas formas de onda de tensão ou de corrente causadas, principalmente, pela presença de elementos não lineares dentro do circuito. Do ponto de vista da qualidade de energia, um sinal — seja ele de corrente ou de tensão — considerado bom é aquele perfeitamente senoidal.

Considere a seguinte ilustração (Figura 2), em que uma forma de tensão perfeitamente senoidal é aplicada a um resistor não linear. A corrente resultante é bastante distorcida, de modo que pode causar diversos problemas à rede.

Os maiores danos provocados por harmônicos são aplicados aos componentes da rede: capacitores, motores e transformadores. Além disso, pode-se destacar os impactos nas linhas de telecomunicações, impactos nas medições de potência e o agravamento do efeito pelicular (diminuição da área de condução de cabos, aumentando as perdas por efeito joule).

Os esforços da engenharia para entender e contornar essas distorções são, em grande parte, sustentados pelas séries de Fourier. Qualquer tipo de onda periódica distorcida pode ser expressa como uma soma de senoides, em que cada uma dessas possui uma frequência de vibração que corresponde a um múltiplo inteiro da frequência de vibração da onda fundamental. Cada um desses múltiplos é chamado de harmônico da onda fundamental, como ilustrado na figura 3, daí o nome do assunto, Dessa forma, em vez de tentar analisar e corrigir a onda distorcida como um todo, é possível tratar cada tipo de harmônico separadamente.

A preocupação com esse tipo de distorção possui um caráter, também, legislativo. O órgão brasileiro que monitora as questões relacionadas à qualidade de energia é o Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS). Esse se atém ao índice de distorção harmônica total (DHT) em concessionárias ligadas ao sistema de geração ou de transmissão de energia elétrica em nosso país.

Dentro desse contexto, existem algumas maneiras básicas para se contornar os problemas relacionados aos harmônicos. Uma das mais simples seria a redução das cargas não lineares conectadas ao circuito, mas isso pode acabar se tornando uma tarefa árdua devido às características imutáveis de determinados equipamentos, como a maioria dos conversores eletrônicos de potência.

Opta-se, então, pela utilização dos filtros passivos. Esses filtros são relativamente simples de serem desenvolvidos e baratos quando comparados a filtros para a correção de outros problemas, como o ajuste do fator de potência, por exemplo. Trata-se de um circuito contendo cargas resistivas, capacitivas e indutivas de modo a apresentar uma impedância muito baixa às correntes harmônicas, retirando-as do sistema. É importante destacar, ainda, que não existe uma solução predefinida para os harmônicos. É necessário que o responsável pela correção analise cuidadosamente — por meio de simulações ou por qualímetros em campo — que tipo de harmônico está presente no circuito para, em seguida, projetar uma alternativa de solução.

Um último ponto deve, por fim, ser considerado: a alocação desses filtros dentro do referido sistema. Essa questão pode se tornar complexa quando se considera a miríade de casos em que os harmônicos podem ser encontrados. No que tange a alocação desses componentes dentro de parques de geração de energia, como por exemplo, parques eólicos, é necessário que a correção seja feita de tal modo a tanto proteger os equipamentos do sistema, quanto a se adequar ao índice de distorção harmônica total máximo estabelecido pela ONS. Esse órgão se preocupa apenas com o que o parque entrega à rede com a qual ele está ligado e não necessariamente com o parque em si. Torna-se dever dos engenheiros estudar em que ponto os filtros devem ser colocados de forma a favorecer ambos os lados.

Desde o surgimento do termo harmônicos, muito se desenvolveu na literatura técnica. Contudo, a modernização dos equipamentos, como a introdução dos conversores eletrônicos de potência, por exemplo, pode mudar o jeito como esse problema é tratado. As questões econômicas e legislativas representam uma grande motivação, portanto, para aqueles que desejam se dedicar a reduzir, não apenas as distorções harmônicas, mas problemas de qualidade energética como um todo

Referências: 

DUGAN, Roger C. et al. Electrical Power Systems Quality. 2º. ed. [S.l.]: McGraw-Hill, 2004. 520 p.

CONFERENCE IN ADVANCES IN SIGNAL PROCESSING (CASP), 2016, Cummins College of Engineering for Women. Harmonic Analysis and Mitigation in Wind Power Plants... [S.l.: s.n.], 2016. 6 p.

A solução para distorção harmônica X impactos negativos nas instalações elétricas. Focus Eng. Elétrica. Disponível em: http://focusengenharia.eng.br/artigo/solucao-distorcao-harmonica-impactos-negativos-instalacoes-eletricas/