Fenômenos harmônicos em sistemas elétricos: causas, efeitos e riscos

Harmônicossão um fenômeno crítico, mas muitas vezes esquecido, em sistemas elétricos. Eles representam distorções da forma de onda sinusoidal ideal de tensão ou corrente, ocorrendo em frequências que são múltiplos inteiros da frequência fundamental (por exemplo, 50 Hz ou 60 Hz). Embora os harmônicos sejam inerentes aos sistemas de energia modernos, sua presença não controlada pode levar a graves consequências operacionais e financeiras. Este artigo explorará suas causas, efeitos e riscos.

O que causa harmônicos?

Harmônicosorigem principalmente de cargas não lineares - provisões onde a corrente não se alinha com a forma de onda de tensão sinusoidal. Exemplos comuns incluem:

Unidades de frequência variável (VFDs) em motores industriais, fontes de alimentação no modo de comutador (por exemplo, computadores, servidores, iluminação LED), inversores de energia renovável (sistemas solares/eólicos), fontes de alimentação ininterruptas (UPS) e estações de carregamento de veículos elétricos. Essas cargas interrompem o fluxo suave de corrente, produzindo formas de onda distorcidas. Por exemplo, um VFD pode desenhar corrente em pulsos curtos, em vez de uma onda senoidal contínua, resultando em harmônicos como a 3ª (150 Hz), 5ª (250 Hz) ou 7º (350 Hz).

Quais são os efeitos dos harmônicos?  

Os harmônicos degradam a qualidade da energia e impõem custos ocultos significativos à infraestrutura de energia:  

Os harmônicos causam perdas de energia e aumento de custos. Por exemplo, as correntes harmônicas de quinta ordem podem resultar em até 15% de desperdício de energia adicionais em sistemas de distribuição (Departamento de Pesquisa de Energia dos EUA). Essa ineficiência pode levar a contas de eletricidade mais altas.  

Pode causar danos ao equipamento e vida útil reduzida, pois as correntes harmônicas geram correntes de Foucault e Perdas de Histrese, levando ao superaquecimento. Os transformadores que operam em ambientes de alto haverônico podem falhar 30 a 50% mais rápido que a vida útil nominal. Além disso, os harmônicos podem causar ressonância, levando à sobrecarga do capacitor e possíveis explosões ou incêndios. Além disso, em sistemas trifásicos, os harmônicos de terceira ordem (3ª, 9ª, etc.) se acumulam na linha neutra, fazendo com que ela superaqueça.  

Os harmônicos também podem causar interrupções operacionais, particularmente em equipamentos sensíveis, como dispositivos médicos, instrumentos de laboratório ou servidores de data center que dependem de energia limpa. A distorção de tensão causada por harmônicos pode resultar em falha do equipamento, corrupção de dados ou tempo de inatividade não planejado.

Os riscos de conformidade e segurança associados a harmônicos também são críticos. Os limites harmônicos excedentes especificados em padrões como o IEEE 519-2022 podem resultar em finos regulatórios. Além disso, o superaquecimento do equipamento pode criar riscos de incêndio e riscos de segurança.

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