Idealmente, deveria haver uma tensão alternada na rede elétrica, que muda de acordo com uma lei senoidal com frequência de 50 Hz (50 vezes por segundo), se estamos falando de redes domésticas. Na prática, a situação é diferente - a tensão está longe de ser uma forma senoidal, ela é distorcida, não só nas frentes, mas também em toda a sua extensão, preenchida por diversos bursts e ruídos. Este fenômeno é chamado de harmônicas em redes elétricas. Neste artigo, veremos mais de perto o que é e por que os harmônicos são perigosos para os equipamentos conectados à rede.
Contente:
- Determinação de harmônicos
- Fontes de interferência
- Consequências da interferência harmônica
Determinação de harmônicos
O gráfico do sinal, que muda de acordo com uma lei sinusoidal, é semelhante a:
Mas isso é significativamente diferente da forma real de tensão na rede elétrica:
Esses saltos e picos são causados por harmônicos. Tentaremos descrever esse fenômeno em termos simples. O gráfico mostrado acima pode ser considerado a soma de sinais de frequência e magnitude variadas. Se você adicionar tudo isso, o resultado será exatamente esse sinal. Um exemplo e resultado da adição de sinais é mostrado no gráfico abaixo:
Os harmônicos são distinguidos por números, onde o primeiro harmônico é o componente com o maior valor. No entanto, esta descrição é muito curta. Portanto, vamos dar uma fórmula para determinar a magnitude do harmônico. Isso é possível com a análise harmônica e expansão da série de Fourier:
A partir dessa fórmula, é possível destacar os valores das frequências e fases dos componentes harmônicos da rede elétrica e de qualquer outro sinal senoidal.
Fontes de interferência
As fontes de interferência incluem uma variedade de equipamentos, desde eletrodomésticos até poderosas máquinas elétricas industriais. Primeiro, vamos dar uma olhada rápida nas razões de sua ocorrência.
Os harmônicos em uma rede elétrica CA surgem das características dos equipamentos elétricos, por exemplo, devido à não linearidade de suas características ou à natureza do consumo de corrente.
Por exemplo, em redes trifásicas nos circuitos magnéticos de transformadores, os comprimentos dos caminhos magnéticos das fases intermediária e extrema diferem em quase 2 vezes, portanto, suas correntes magnetizantes diferem em até uma vez e meia. A partir daqui, os harmônicos surgem em redes trifásicas.
Outra fonte interferência na engenharia elétrica, são motores elétricos, tanto síncronos quanto assíncronos trifásicos, e monofásicos, incluindo motores coletores universais. O último tipo de motor é usado na maioria dos eletrodomésticos, por exemplo:
- máquinas de lavar roupas;
- Processadores de alimentos;
- brocas, esmerilhadeiras, brocas de martelo, etc.
Como resultado da operação de chaveamento das fontes de alimentação, harmônicos de alta frequência (interferência) surgem na rede elétrica. Para entender como eles são formados, você precisa ter informações sobre sua estrutura interna. Isso se deve ao fato da corrente do enrolamento primário do UPS ser diferente da contínua, ela flui somente quando a chave do semicondutor de potência está aberta. E este último abre e fecha com frequência acima de 20 kHz.
Interessante:A frequência de operação de algumas fontes de alimentação chaveadas modernas chega a 150 kHz.
Filtros EMI, como bobinas de modo comum e capacitores, são usados para reduzir esses harmônicos. Para melhorar o gráfico de consumo de corrente em relação à tensão monofásica de alimentação, são usados corretores de fator de potência ativo (rus. KKM, eng. PFC).
Essas fontes de alimentação são instaladas em:
- Lampadas de led;
- Reatores eletrônicos para lâmpadas fluorescentes;
- fontes de alimentação de computador;
- carregadores modernos para telefones celulares;
- TVs e outros equipamentos.
Além disso, os conversores de frequência podem ser atribuídos a essas fontes de energia.
Consequências da interferência harmônica
A presença de harmônicos em uma rede elétrica CA causa certos problemas. Entre eles - aumento do aquecimento de motores elétricos e fios de alimentação. Os efeitos dos harmônicos são a vibração do motor. Outras consequências podem ser diferentes - do desgaste acelerado dos rolamentos do rotor do motor, terminando com uma quebra na caixa do enrolamento devido ao aumento do aquecimento.
Na parte elétrica, existem falsos alarmes de comutação e equipamentos de proteção - disjuntores, contatores e partidas magnéticas. Ocorre interferência em equipamentos de áudio e comunicação devido a harmônicos. Eles são combatidos da mesma forma - instalando filtros de interferência eletromagnética.
O vídeo abaixo descreve quais harmônicas e inter-harmônicas estão na rede elétrica:
Concluindo, gostaria de observar que harmônicos em redes elétricas, em princípio, não trazem nenhum benefício. Eles apenas causam mau funcionamento, alarmes falsos de equipamentos de comutação e outras manifestações de instabilidade na operação. Isso pode causar não apenas transtornos na operação, mas também problemas econômicos, perdas e acidentes que podem ser fatais.
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