Seis soluções para lidar com harmônicas em inversores de freqüência

Na edição passada, o leitor pôde ver o que são as correntes harmônicas e alguns parâmetros elétricos usados para medí-las. Veja agora seis soluções possíveis para resolver o problema na sua empresa.

Gleston Castro

Em uma indústria, os pequenos motores não sofrem tanta influência das distorções harmônicas. Enquanto o THD (Distorção Harmônica Total) aumenta, a corrente diminui e sua influência num determinado circuito também é reduzida. Mas quando usamos um inversor de grande potência, mesmo com a redução de sua corrente, ainda assim sua influência pode ser danosa ao circuito de alimentação e devemos analisar a pior situação possível (abaixo de 40 % da corrente nominal).  Outra informação que devemos ter em mente é a forma de onda básica da corrente de um inversor de freqüência sem nenhum filtro. A ligação básica do circuito, consiste de um transformador que alimenta diretamente o inversor e as únicas impedâncias relevantes presentes: são as do cabo e do próprio transformador. A forma de onda com dois picos por semiciclo deve-se ao carregamento do capacitor do inversor. Para comparações posteriores, devemos observar no gráfico de espectro quais as harmônicas que estão presentes. O THD típico de 80 % a 120% significa que para cada 100 ampères de corrente fundamental teremos de 80 a 120 ampéres de correntes harmônicas. Para um pequeno motor não teremos problemas, mas caso tenhamos 20 x 5 HP, a corrente no pico pode chegar a 300 ampères. Veja também Harmônicos e inversores de freqüência: o que você está perdendo com isto? 1ª Geralmente a mais usada quando o inversor não possui nenhum tipo de filtro, é a colocação de um reator no circuito de entrada do inversor, adicionando uma impedância de 3 a 5% no circuito de alimentação. Desta forma, o circuito fica com uma impedância cada vez maior. Quanto maior for a freqüência da harmônica, reduzindo seus valores nominal e de pico (até quase a metade), maior será a redução das harmônicas de ordem 5 e 7 e o THD passa a ficar entre 60 e 30% . Trata-se da solução mais econômica, desde que o filtro não venha dentro do inversor. O reator ocupa pouco espaço e é simples de montar. Pode ser usado um reator para vários inversores, dando flexibilidade à solução. Também não torna o acionamento do motor dependente do filtro, apesar de passar a trabalhar com uma forte presença de harmônicas. Isto pode ser observado na figura 1. Previne contra desarmes esporádicos do inversor devidos a transientes de tensão causados por chaveamento na rede de alimentação. Porém, esta solução cresce o custo da compra do inversor. Ela aumenta a dissipação térmica dentro do painel e requer uma ventilação maior, com queda de tensão adicional. Pode chegar a até 5% no barramento CC em plena carga, o que faz o motor perder torque para acionar a máquina. Para aplicações onde o controle do torque é imprescindível, esta característica deve ser levada em consideração. Testes indicam que com a variação da carga, a tensão no barramento CC flutua muito mais com reator do que sem ele. Para comparação de custos, podemos ver na tabela 1 qual o acréscimo de custo de um inversor com e sem reator. Podemos ver que, para pequenos inversores (exemplo: um de 0,5 HP) o acréscimo no custo para comprar um reator adequado é de 60 %, mas para 100 HP este aumento é de 25 %. Como o impacto de um pequeno inversor é irrelevante numa instalação, podemos aperfeiçoar a solução com o uso de um reator maior para vários inversores. Lembre-se que o efeito do reator é melhor quando todos os inversores estão operando ao mesmo tempo e a plena carga. Se tivermos situações onde isto não acontece, uma análise via software deve ser realizada. 2ª A segunda solução a ser analisada é muito parecida com a primeira, porém o reator fica interno ao inversor, localizado no barramento CC, conforme mostra a figura 2. Esta solução está presente na maioria dos inversores acima de 5 HP. É constituída por dois enrolamentos numa bobina comum, um na parte positiva e outro na parte negativa, logo após a ponte retificadora. Nesta solução, a suavização da corrente, assim com o indutor na entrada está acima de 25% da corrente nominal. A corrente fica mais constante, fazendo o THD manter-se em torno de 30 a 40 % e o espectro, com melhora na redução da 5ª e 7ª harmônicas. Podemos ver que o reator no barramento CC apresenta uma redução ainda maior no THD e tem a vantagem de vir como solução pronta dentro do produto. Possui tamanho menor e melhor resposta na flutuação de tensão do barramento CC com relação ao percentual de carga que o inversor está operando. Outro ponto importante é o aquecimento térmico menor, tanto dentro do inversor quanto nos cabos de alimentação. Para comparação, atabela 2 mostra o custo adicional quando compramos inversor com ou sem reator no barramento CC. 3ª A partir desta terceira solução, os custos são bem mais altos e devem ser analisados quando a necessidade de redução das harmônicas é grande, ou pior: quando é a responsável pelo funcionamento da planta industrial. Podemos construir um inversor, cujo retificador de entrada já produza um THD bem menor. Para tal, usamos um retificador de 12 pulsos que é constituído por dois retificadores comuns de seis pulsos, mas ligados de duas maneiras diferentes, conforme se vê nas figuras 3 e 4.   Apesar de ser um inversor mais sofisticado, o gráfico de espectro mostra uma redução das harmônicas bem drástica. Como qualquer solução técnica, o uso do retificador de 12 pulsos tem suas vantagens e desvantagens. Para situações onde a tensão de alimentação é desbalanceada, o retificador de 12 pulsos tem seu desempenho de redução de harmônicas prejudicado, chegando até a não ter o efeito esperado. Também para situações de baixa carga (bem abaixo da corrente nominal) o desempenho é comprometido. 4ª Para a quarta solução usaremos o filtro passivo, que é constituído de um conjunto reator – capacitor sintonizado na freqüência da harmônica que desejamos reduzir. Conforme vemos na figura 5, ele é colocado entre a subestação e o inversor e tem um bom resultado na redução do THD, com a vantagem de ser produzido para uma harmônica específica. O resultado na redução do THD (figura 6), com o teste de vários modelos de filtros, demonstra que todos tiveram seu desempenho bem próximo um do outro. Também podemos ver a comparação com a solução de 18 pulsos e de 6 pulsos. Constatamos, inclusive, que o resultado é similar a um retificador de 18 pulsos com o custo bem menor, mas sua aplicabilidade prática fica restrita a certas condições e cuidados. Especial atenção deve ser tomada para evitar ressonância com a rede de alimentação, onde ele pode absorver harmônicas de outras cargas que não a do inversor para a qual foi fabricado (as correntes capacitivas podem provocar instabilidade quando são alimentadas). O barramento CC do inversor passa a sofrer uma grande flutuação de tensão entre o trabalho em vazio e a plena carga, prejudicando o torque do motor. Filtro usado em rede de 50 Hz (na Europa) não deve ser posto em funcionamento numa rede de 60 Hz (no Brasil). Caso o filtro de ordem 5 se danifique, o filtro de 7ª ordem deve ser sintonizado de novo para operar na nova freqüência. Há a possibilidade de haver fator de potência capacitivo em baixas cargas, resultando em multa da concessionária. E, finalmente, esta solução é totalmente particularizada e estudada caso a caso, tendo um custo de engenharia mais elevado do que as outras, sendo também sem muita flexibilidade para futuras ampliações e/ou modificações que aconteçam. Mais recentemente algumas opções estão aparecendo no mercado. 5ª Nossa quinta solução é um filtro ativo, que funciona com mais um circuito eletrônico colocado de forma a analisar a forma de onda em tempo real e através de um algoritmo de controle, um microprocessador gera uma corrente numa forma específica somada à corrente do inversor obtendo-se uma forma senoidal. Seu resultado é um dos melhores possíveis, pois é extremamente adaptável e pode ser dimensionado com folga para futuras ampliações. Seu trabalho pode ser monitorado e registrado em computador para estudos posteriores. Na figura 7 podemos ver seu princípio de funcionamento. Nessa solução acontece a quase perfeita redução das harmônicas, deixando o usuário livre para qualquer configuração de inversores que desejar, inclusive no caso de baixas cargas onde a distorção aumenta. Não necessita nenhum acessório especial e suporta bem o desbalanço de tensão. Tem relativa pouca perda de energia (comparado com outras soluções anteriores) e trabalha com diversas harmônicas ao mesmo tempo. Não interfere na tensão do barramento CC do inversor. Por outro lado, seu tamanho e custo são proporcionais à potência do inversor. Necessita de uma equipe de manutenção com forte conhecimento em eletrônica de potência, pois seu circuito é muito similar ao de um inversor, com transistores IGBT na mesma configuração, porém com método de controle diferente do que aciona o motor. Hoje, sua viabilidade só é possível quando a solução atinge a vários inversores, ou é feita em conjunto com outras menos dispendiosas. Entretanto, seu custo vem se reduzindo ao longo dos anos e, dentro em breve, deverá se tornar mais viável como solução individual. 6ª Como sexta solução podemos usar o filtro passa - baixas que possui bom desempenho e um custo relativamente menor que o filtro ativo. Conforme mostra a figura 8. a colocação deste tipo de filtro passivo na entrada do inversor faz com que somente um percentual muito reduzido de harmônicas fluam pela rede, tendo um THD comparável com um retificador de 18 pulsos, mas sendo tecnicamente uma solução bem mais simples . Este tipo de filtro é menos sensível à ressonância da rede. Ele não altera muito seu desempenho com o desbalanço de tensão. Tem custo menor que as anteriores, com fácil reposição de peças e manutenção, pois, é basicamente constituído de reatores e capacitores. Ele não altera a tensão do barramento CC entre funcionamento em vazio e a plena carga. Alguns cuidados inerentes à sua operação são: o fator de potência pode ficar capacitivo com cargas abaixo de 40% da corrente nominal; os capacitores são dispositivos muito sensíveis às perturbações da rede e, portanto, carecem de mais atenção; seu tamanho é proporcional à potência do motor; necessita de espaço para instalação. *Originalmente publicado na revista Mecatrônica Atual - Ano 6 - Edição 35 - Ago/Set/07 http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/19