Harmônicos e Fator de Potência: um Curso de Extensão

Publicação FEEC 05/97
Revisão Janeiro de 1997

José Antenor Pomilio

Outras apostilas 

Apresentação

    Este texto foi preparado para o curso de extensão "Influência dos Harmônicos nas Instalações Elétricas Industriais" promovido pelo Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul, ministrado nos dias 17, 18 e 19 de junho de 1997. Trata-se de um curso voltado para profissionais atuantes no setor elétrico e interessados em acompanhar as inovações tecnológicas decorrentes da evolução da Eletrônica de Potência, especialmente as possibilidades do condicionamento de energia elétrica visando aprimorar a qualidade do produto Energia Elétrica.
    Inicialmente, no capítulo 1, faz-se uma discussão sobre Fator de Potência e Harmônicas, vinculando-os em termos da influência das harmônicas sobre o fator de potência de um sistema. A seguir, no capítulo 2, são apresentadas algumas normas e regulamentações que limitam a contaminação harmônica de um sistema ou a emissão de uma carga. No capítulo 3 são apresentados os componentes semicondutores de potência que são utilizados em conversores estáticos que, em última instância, são os responsáveis pelo aumento da distorção presente na rede. Paradoxalmente, são estes mesmos conversores que permitem a compensação das distorções quando adequadamente empregados. No capítulo 4 são apontados os efeitos sobre os componentes de um sistema elétrico e as causas da distorção harmônica. Nos capítulos 5, 6 e 7 são apresentadas soluções para a minimização da distorção harmônica, iniciando com correções passivas, passando para as ativas, como os pré-reguladores de fator de potência e os filtros ativos.
    Este é um material que deve sofrer constantes atualizações, em função da constante evolução tecnológica na área da Eletrônica de Potência, além do que, o próprio texto pode ainda conter eventuais erros, para os quais pedimos a colaboração dos estudantes e profissionais que eventualmente fizerem uso do mesmo, no sentido de enviarem ao autor uma comunicação sobre as falhas detectadas. Os resultados experimentais incluídos no texto referem-se a trabalhos executados pelo autor, juntamente com estudantes e outros pesquisadores e foram motivo de publicações em congressos e revistas, conforme indicado nas referências bibliográficas.
    Textos semelhantes foram, ou estão sendo produzidos referentes às disciplinas de "Fontes de Alimentação com Correção de Fator de Potência" "Fontes Chaveadas" e "Eletrônica de Potência". Arquivos em formato .PS estão disponíveis a cada capítulo.Cursos de Extensão sobre estes assuntos são oferecidos sob demanda através da Escola de Extensão da UNICAMP.
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Campinas, 26 de Julho de 1997


Conteúdo

1. FATOR DE POTÊNCIA E DISTORÇÃO HARMÔNICA

1.1 FATOR DE POTÊNCIA
1.1.1 Definição de Fator de Potência
1.1.2 Caso 1: Tensão e corrente senoidais
1.1.3 Caso 2: Tensão senoidal e corrente distorcida
1.1.4 Caso 3: Tensão e corrente não-senoidais, mas de mesma freqüência.
1.2 DESVANTAGENS DO BAIXO FATOR DE POTÊNCIA (FP) E DA ALTA DISTORÇÃO DA CORRENTE
1.2.1 Perdas
1.2.2 Capacidade de transmissão

2. NORMAS RELATIVAS À CORRENTE DE LINHA: FATOR DE POTÊNCIA E HARMÔNICAS DE BAIXA FREQÜÊNCIA

2.1 FATOR DE POTÊNCIA
2.2 NORMA IEC 1000-3-2: LIMITES PARA EMISSÃO DE HARMÔNICAS DE CORRENTE (<16 A POR FASE)
2.3 RECOMENDAÇÃO IEEE PARA PRÁTICAS E REQUISITOS PARA CONTROLE DE HARMÔNICAS NO SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA: IEEE-519

3. COMPONENTES SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA

3.1 DIODOS DE POTÊNCIA
3.2 TIRISTOR
3.2.1 Princípio de funcionamento
3.2.2 Maneiras de disparar um tiristor
3.2.3 Parâmetros básicos de tiristores
3.2.4 Circuitos de excitação do gate
3.2.5 Redes Amaciadoras
3.2.6 Associação em Paralelo de Tiristores
3.2.7 Associação em série de tiristores
3.2.8 Sobre-tensão
3.2.9 Resfriamento
3.3 GTO - GATE TURN-OFF THYRISTOR
3.3.1 Princípio de funcionamento
3.3.2 Parâmetros básicos do GTO
3.3.3 Condições do sinal de porta para chaveamento
3.3.4 Circuitos amaciadores (snubber)
3.3.5 Associações em série e em paralelo
3.4 TRANSISTOR BIPOLAR DE POTÊNCIA (TBP)
3.4.1 Princípio de funcionamento
3.4.2 Área de Operação Segura (AOS)
3.4.3 Conexão Darlington
3.4.4 Métodos de redução dos tempos de chaveamento
3.5 MOSFET
3.5.1 Princípio de funcionamento (canal N)
3.5.2 Característica de chaveamento - carga indutiva
3.6 IGBT (INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR)
3.6.1 Princípio de funcionamento
3.7 MCT - MOS-CONTROLLED THYRISTOR
3.7.1 Princípio de funcionamento
3.7.2 Comparação entre P-MCT e N-MCT

4. EFEITOS E CAUSAS DE HARMÔNICAS NO SISTEMA DE ENERGIA ELÉTRICA

4.1 EFEITOS DE HARMÔNICAS EM COMPONENTES DO SISTEMA ELÉTRICO
4.1.1 Motores e geradores
4.1.2 Transformadores
4.1.3 Cabos de alimentação
4.1.4 Capacitores
4.1.5 Equipamentos eletrônicos
4.1.6 Aparelhos de medição
4.1.7 Relés de proteção e fusíveis
4.2 CAUSAS DE DISTORÇÃO HARMÔNICA
4.2.1 Conversores

5. FILTROS PASSIVOS

5.1 FILTROS PASSIVOS APLICADOS A UM CONJUNTO DE CARGAS
5.2 FILTROS PASSIVOS APLICADOS À CARGA
5.2.1 Exemplos monofásicos

6. CONDICIONAMENTO DA CORRENTE ABSORVIDA: PRÉ-REGULADORES DE FATOR DE POTÊNCIA - PFP

6.1 RETIFICADORES MONOFÁSICOS: ESTUDO DO CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO (BOOST)
6.2 O CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO (BOOST) COM ENTRADA CC
6.2.1 Condução contínua
6.2.2 Condução descontínua
6.2.3 Conversor boost operando como PFP em condução descontínua
6.2.4 Conversor boost operando como PFP em condução crítica
6.2.5 Conversor Boost operando como PFP em condução contínua
6.2.6 Conversor Boost operando em condução contínua e controle por histerese
6.3 RETIFICADOR TRIFÁSICO A DIODOS
6.3.1 Conversor trifásicos com entrada indutiva como PFP
6.3.2 Conversor com chaveamento em baixa freqüência

7. FILTROS ATIVOS DE CORRENTE

7.1 SÍNTESE DE FORMAS DE ONDA UTILIZANDO INVERSORES
7.1.1 Técnicas de modulação
7.1.2 Síntese de correntes em inversor com acúmulo indutivo
7.1.3 Síntese de correntes em inversor com acúmulo capacitivo
7.1.4 Síntese de tensões
7.1.5 Modulação vetorial
7.2 FILTROS ATIVOS TRIFÁSICOS
7.2.1 Geração de referências de corrente utilizando a teoria da potência instantânea de Akagi-Nabae
7.2.2 Estudo de caso com carga desequilibrada
7.2.3 Estudo de caso com alimentação desequilibrada
7.2.4 Estudo de tensões equilibradas, com harmônicas
7.2.5 Produção de compensação de tensão
7.2.6 Considerações sobre as teorias de potência
7.3 FILTRO ATIVO MONOFÁSICO
7.3.1 Estrutura de controle do filtro
7.3.2 Considerações sobre o filtro de saída e o sistema de controle
7.3.3 Resultados experimentais
7.4 FILTROS HÍBRIDOS


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