“Não linearidade significa que é difícil de resolver”, disse certa vez Arthur Mattuck, matemático do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).Mas deve ser abordado quando a não linearidade é aplicada a cargas elétricas, porque gera correntes harmônicas e afeta negativamente a distribuição de energia - e é cara.Aqui, Marek Lukaszczyk, gerente de marketing para Europa e Oriente Médio da WEG, fabricante e fornecedor global de tecnologia de motores e acionamentos, explica como mitigar harmônicos em aplicações de inversores.
Lâmpadas fluorescentes, fontes de alimentação chaveadas, fornos elétricos a arco, retificadores e conversores de frequência.Todos esses são exemplos de dispositivos com cargas não lineares, o que significa que o dispositivo absorve tensão e corrente na forma de pulsos curtos repentinos.Eles são diferentes dos dispositivos que possuem cargas lineares – como motores, aquecedores de ambiente, transformadores energizados e lâmpadas incandescentes.Para cargas lineares, a relação entre as formas de onda de tensão e corrente é senoidal e a corrente em qualquer momento é proporcional à tensão expressa pela lei de Ohm.
Um problema com todas as cargas não lineares é que elas geram correntes harmônicas.Harmônicos são componentes de frequência que geralmente são superiores à frequência fundamental da fonte de alimentação, entre 50 ou 60 Hertz (Hz), e são adicionados à corrente fundamental.Essas correntes extras causarão distorção na forma de onda da tensão do sistema e reduzirão seu fator de potência.
Correntes harmônicas circulando no sistema elétrico podem produzir outros efeitos indesejáveis, como distorção de tensão em pontos de interligação com outras cargas e superaquecimento de cabos.Nesses casos, a medição da distorção harmônica total (THD) pode nos dizer quanto da distorção de tensão ou corrente é causada por harmônicos.
Neste artigo, estudaremos como reduzir harmônicos em aplicações de inversores com base nas recomendações da indústria para o correto monitoramento e interpretação dos fenômenos que causam problemas de qualidade de energia.
O Reino Unido usa a Recomendação de Engenharia (EREC) G5 da Energy Network Association (ENA) como uma boa prática para gerenciar a distorção de tensão harmônica em sistemas de transmissão e redes de distribuição.Na União Européia, essas recomendações geralmente estão contidas nas diretivas de compatibilidade eletromagnética (EMC), que incluem vários padrões da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC), como o IEC 60050. O IEEE 519 geralmente é um padrão norte-americano, mas vale a pena notar que o IEEE 519 se concentra em sistemas de distribuição em vez de dispositivos individuais.
Uma vez que os níveis harmônicos são determinados por simulação ou medição, existem muitas maneiras de minimizá-los para mantê-los dentro de limites aceitáveis.Mas qual é o limite aceitável?
Como não é economicamente viável ou impossível eliminar todos os harmônicos, existem dois padrões internacionais de EMC que limitam a distorção da tensão de alimentação especificando o valor máximo da corrente harmônica.São a norma IEC 61000-3-2, indicada para equipamentos com corrente nominal até 16 A (A) e ≤ 75 A por fase, e a norma IEC 61000-3-12, indicada para equipamentos acima de 16 A.
O limite de harmônicos de tensão deve ser manter o THD (V) do ponto de acoplamento comum (PCC) em ≤ 5%.O PCC é o ponto onde os condutores elétricos do sistema de distribuição de energia são conectados aos condutores do cliente e qualquer transmissão de energia entre o cliente e o sistema de distribuição de energia.
Uma recomendação de ≤ 5% tem sido usada como único requisito para muitas aplicações.É por isso que, em muitos casos, apenas o uso de um inversor com retificador de 6 pulsos e reatância de entrada ou indutor de link de corrente contínua (CC) é suficiente para atender à recomendação de máxima distorção de tensão.Evidentemente, em comparação com um inversor de 6 pulsos sem indutor no link, a utilização de um inversor com indutor de link CC (como CFW11, CFW700 e CFW500 próprios da WEG) pode reduzir significativamente a radiação harmônica.
Caso contrário, existem várias outras opções para reduzir os harmônicos do sistema em aplicações de inversores, que apresentaremos aqui.
Uma solução para reduzir os harmônicos é usar um inversor com um retificador de 12 pulsos.No entanto, este método geralmente é usado apenas quando um transformador já está instalado;para vários inversores conectados ao mesmo barramento CC;ou se uma nova instalação requer um transformador dedicado ao inversor.Além disso, esta solução é adequada para potências geralmente superiores a 500 kilowatts (kW).
Outro método é usar um inversor de corrente ativa (CA) de 6 pulsos com um filtro passivo na entrada.Este método pode coordenar diferentes níveis de tensão - tensões harmônicas entre média (MV), alta tensão (HV) e extra alta tensão (EHV) - e suporta compatibilidade e elimina efeitos adversos em equipamentos sensíveis dos clientes.Embora esta seja uma solução tradicional para reduzir os harmônicos, ela aumentará a perda de calor e reduzirá o fator de potência.
Isso nos leva a uma maneira mais econômica de reduzir os harmônicos: use um inversor com retificador de 18 pulsos ou, especialmente, um inversor CC-CA alimentado por um link CC por meio de um retificador de 18 pulsos e um transformador defasador.O retificador de pulso é a mesma solução, seja de 12 ou 18 pulsos.Embora seja uma solução tradicional para redução de harmônicos, devido ao seu alto custo, normalmente é utilizada apenas quando já foi instalado um transformador ou é necessário um transformador especial para o inversor para uma nova instalação.A potência é geralmente superior a 500 kW.
Alguns métodos de supressão de harmônicos aumentam a perda de calor e reduzem o fator de potência, enquanto outros métodos podem melhorar o desempenho do sistema.Uma boa solução que recomendamos é a utilização de filtros ativos WEG com inversores de frequência de 6 pulsos.Esta é uma excelente solução para eliminar harmônicos gerados por vários dispositivos
Finalmente, quando a energia pode ser regenerada para a rede ou quando vários motores são acionados por um único link CC, outra solução é atraente.Ou seja, um drive regenerativo de front-end ativo (AFE) e um filtro LCL são usados.Neste caso, o driver possui um retificador ativo na entrada e atende aos limites recomendados.
Para inversores sem link CC - como os inversores CFW500, CFW300, CFW100 e MW500 próprios da WEG - a chave para a redução de harmônicos é a reatância da rede.Isso não apenas resolve o problema de harmônicos, mas também resolve o problema da energia sendo armazenada na parte reativa do inversor e tornando-se ineficaz.Com a ajuda da reatância da rede, um inversor monofásico de alta frequência carregado por uma rede ressonante pode ser usado para realizar a reatância controlável.A vantagem deste método é que a energia armazenada no elemento de reatância é menor e a distorção harmônica é menor.
Existem outras maneiras práticas de lidar com harmônicos.Uma é aumentar o número de cargas lineares em relação às cargas não lineares.Outro método é separar os sistemas de alimentação para cargas lineares e não lineares de forma que existam diferentes limites de THD de tensão entre 5% e 10%.Este método atende às recomendações de engenharia acima mencionadas (EREC) G5 e EREC G97, que é usado para avaliar a distorção de tensão harmônica de plantas e equipamentos não lineares e ressonantes.
Outro método é usar um retificador com um número maior de pulsos e alimentá-lo em um transformador com vários estágios secundários.Os transformadores de vários enrolamentos com vários enrolamentos primários ou secundários podem ser conectados entre si em um tipo especial de configuração para fornecer o nível de tensão de saída necessário ou para acionar várias cargas na saída, fornecendo assim mais opções na distribuição de energia e sistema de flexibilidade.
Finalmente, há a operação de acionamento regenerativo do AFE mencionado acima.Os conversores de frequência básicos não são renováveis, o que significa que não podem retornar energia à fonte de alimentação - isso não é suficiente, porque em algumas aplicações, a recuperação da energia devolvida é um requisito específico.Se a energia regenerativa precisar ser devolvida à fonte de alimentação CA, essa é a função do acionamento regenerativo.Os retificadores simples são substituídos por inversores AFE, e a energia pode ser recuperada dessa maneira.
Esses métodos fornecem uma variedade de opções para combater harmônicos e são adequados para diferentes tipos de sistemas de distribuição de energia.Mas eles também podem economizar energia e custos significativamente em várias aplicações e atender aos padrões internacionais.Esses exemplos mostram que, desde que a tecnologia de inversor correta seja usada, o problema de não linearidade não será difícil de resolver.
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