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Harmônicos e inter-harmônicos



As formas de onda periódicas não-senoidais podem ser matematicamente decompostas em uma série de senóides (série de Fourier) que somadas, recompõem a forma de onda original. A senóide que possui a mesma freqüência da onda original é chamada fundamental e as outras senóides da série, de freqüências múltiplas da fundamental, são chamadas harmônicas.

Quando uma carga não-linear drena corrente do sistema de geração de energia, o fluxo de corrente passa por toda a impedância do sistema da rede elétrica. As correntes não-senoidais simétricas dos modernos dispositivos eletroeletrônicos produzem harmônicas ímpares que somadas à senóide original produzem distorções. Estas cargas, mesmo que menos freqüentemente, também são capazes de gerar harmônicos pares, encontrados nas formas de onda assimétricas, tendo como resultado possível a introdução de uma componente DC sobreposta à tensão alternada.

A magnitude das distorções depende da impedância da fonte e da grandeza das tensões harmônicas produzidas. Baixas impedâncias na rede elétrica produzem baixas distorções, mas aumentos significativos na não-linearidade ou impedância do sistema, podem elevar significativamente esses valores.

Os estudos realizados para compreender estes efeitos são centrados no levantamento do espectro de freqüência das cargas não-lineares mais usuais. O espectro de freqüência é a representação gráfica da amplitude de cada uma das componentes harmônicas de uma dada forma de onda em relação percentual à fundamental. Assim, podemos observar que a corrente de uma carga de informática, como um computador desktop alimentado por uma fonte chaveada, é rica em harmônicas ímpares de alta amplitude e nenhuma harmônica par de amplitude significativa. Neste exemplo, a amplitude da terceira harmônica chega a ter em torno de 90% da amplitude da fundamental e a quinta, mais de 70%.

O parâmetro que melhor resume esta distribuição é o THD (abreviação em inglês para o termo Distorção Harmônica Total). Ele é calculado como sendo a porcentagem resultante da divisão do valor RMS (eficaz) total das componentes harmônicas sobre o valor RMS (eficaz) da fundamental. Para uma forma de onda senoidal pura, o THD é obviamente zero, mas em um computador este THD atinge 134%!!! São estes harmônicos que acabam por se espalhar na rede elétrica e contaminar outros equipamentos ali conectados.

Embora existam procedimentos e recomendações que estabeleçam limites para os harmônicos injetados na rede como, por exemplo, a IEEE 519-1992 ou EN 61000-3-2, os sistemas de geração e distribuição de energia, antes capazes de absorver os efeitos destes harmônicos, rapidamente esgotam esta capacidade devido à quantidade crescente de cargas não-lineares nas instalações industriais, comerciais e residenciais. Os efeitos destes harmônicos são potencialmente danosos, seja aos circuitos sensíveis dos aparelhos de alta tecnologia, seja às instalações elétricas, causando aquecimento de condutores, mau funcionamento, falha e/ou aquecimento de equipamentos e queima desnecessária de fusíveis.

Os inter-harmônicos são diferenciados dos harmônicos de rede por possuírem freqüência múltiplas não-inteiras da fundamental. São provocados pela presença na rede de circuitos cicloconversores, filtros ativos, drivers lineares de motores ou dispositivos à base de arco voltaico.

Cicloconversores podem ser vistos como casos especiais de circuitos conversores estáticos de freqüência que fornecem em sua saída uma tensão AC uma freqüência diferente da entrada. Tais dispositivos efetuam a conversão da tensão AC/DC através de um retificador e depois DC/AC através de um inversor. A tensão DC é modulada pela freqüência de saída gerando correntes inter-harmônicas na entrada do dispositivo que acabam por contaminar a rede. As recomendações e análises para inter-harmônicas são as mesmas das harmônicas.

Os harmônicos e inter-harmônicos de rede afetam o funcionamento dos mais diversos equipamentos e dispositivos eletrônicos em praticamente todas as áreas da atividade humana.

Os motores são sensíveis às distorções harmônicas. Freqüências harmônicas altas provocam altas temperaturas de operação e perda de confiabilidade por vibração excessiva estressando rolamentos e mancais. Correntes harmônicas nos enrolamentos dos transformadores provocam sobreaquecimento, mesmo se ele não estiver à plena carga, além de ruído audível e erros de valores nas tensões do secundário. As comunicações por fio, especialmente a comunicação telefônica outrora projetada para sinais de voz, também são afetadas pelo acoplamento dos harmônicos da rede provocando entre outros problemas, a perda de performance em modems de alta velocidade. Senóides extremamente distorcidas, com duplicidade no cruzamento de zero, provocam erros em relógios ou em circuitos sincronizados pela rede. Harmônicos podem conduzir à leitura incorreta dos valores RMS da tensão e podem causar acionamento inadequado de dispositivos de proteção.

Os harmônicos de rede de baixa freqüência afetam particularmente os equipamentos de A/V - que por estarem dentro do espectro audível provocam um som monocórdico de fundo nos falantes das caixas acústicas -, e afetam também, de forma particular, a qualidade de imagem em televisores. A introdução da componente DC pela superposição da 2ª harmônica, provoca nos transformadores das fontes de alimentação o que chamamos de "rattle hum" ou ruído de vibração das chapas dos transformadores, que são incômodos aos ouvidos pela emissão em baixa freqüência, e também provocam sobreaquecimento.

Enfim há de se concluir que por sua efetividade, os harmônicos são hoje, entre todos os distúrbios da rede, os que mais contribuem para deteriorar a qualidade da energia elétrica.

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