Efeitos da qualidade da energia em transformadores e motores

Andy Sagl - Gerente de produtos 

Nos dois primeiros artigos desta série, que podem ser encontrados clicando aqui, analisamos os tipos de problemas de qualidade de energia e como eles são categorizados e medidos. Este artigo dá continuidade ao tema, analisando como um grande problema de qualidade de energia – as harmônicas – afeta condutores, transformadores e motores.

Harmônicas, aquecimento e condutores neutros

O principal problema associado à distorção harmônica excessiva pode ser resumido de forma simples: ela gera calor. Frequentemente, isso se manifesta como superaquecimento em condutores neutros, transformadores e motores.

Vamos começar analisando os condutores neutros. Em um sistema onde todas as fases estão balanceadas e não há harmônicas, o condutor neutro não transporta corrente líquida, pois as correntes neutras das três fases se cancelam. No entanto, se houver harmônicas de sequência tripla ou zero, as correntes neutras associadas a eles não se cancelam - em vez disso, elas se somam.

De fato, quanto maior a quantidade de harmônicas de ordem tripla presentes, mantidas as demais condições constantes, maior será a corrente que fluirá no condutor neutro. Por exemplo, a presença da terceira harmônica em um determinado sistema gerará um certo nível de corrente no neutro, mas, ao adicionar harmônicas de ordem tripla de nona ordem, a corrente no neutro aumentará ainda mais. Como o efeito de aquecimento é proporcional ao quadrado da corrente, isso pode rapidamente levar ao superaquecimento ou até mesmo à falha do condutor neutro.

Transformadores

As harmônicas também causam efeitos de aquecimento nos transformadores. Os efeitos do aquecimento podem ser divididos em dois tipos principais: aquecimento devido a perdas no enrolamento (que também são conhecidas como perdas no cobre) e aquecimento devido a perdas no núcleo.

À medida que os níveis de harmônicas na rede de fornecimento continuam a aumentar, devido à disseminação de cargas não lineares, como fontes de alimentação comutadas, há um risco cada vez maior de que os transformadores que prestaram serviço sem problemas por um longo período comecem a apresentar aquecimento excessivo, levando, no pior dos casos, a falhas dispendiosas e que causam interrupções. 

Para começar a entender como as harmônicas causam aquecimento nos transformadores, vamos começar com o simples fato de que ordens harmônicas mais altas significam frequências mais altas. À medida que a frequência aumenta, também aumenta a reatância indutiva de um circuito, o que significa que sua impedância total também aumenta. E, nos transformadores, esse aumento na impedância significa um aumento nas perdas do enrolamento, levando a uma maior produção de calor. 

Quanto maior a ordem harmônica, maior a magnitude das perdas de cobre e do núcleo. Isso acontece principalmente por causa das correntes de Foucault, que são correntes circulantes induzidas nos condutores dos enrolamentos do transformador por campos magnéticos alternados. As correntes de Foucault produzem seus próprios campos magnéticos, que se opõem aos campos que as criaram. A repulsão entre esses campos opostos aumenta efetivamente a resistência em espiral, levando ao aquecimento e a perdas de energia. Quanto maior a frequência das harmônicas, maior a energia das correntes de Foucault e maior o seu efeito de aquecimento.

Efeito pelicular

Uma das maneiras pelas quais as correntes de Foucault aumentam a resistência efetiva de um condutor é conhecida como “efeito pelicular”, que é a tendência da corrente alternada que flui em um condutor de se distribuir de modo que a densidade da corrente seja maior perto da superfície do condutor. Sabemos que as correntes de Foucault induzidas em um condutor produzem campos magnéticos que se opõem aos campos que as originaram. Dentro de um condutor, esses campos de correntes parasitas têm o efeito de forçar a corrente a fluir mais perto da parte externa do condutor, reduzindo, na prática, a área útil da seção transversal do condutor, aumentando assim sua resistência. Isso inevitavelmente leva a maiores perdas e ao aumento do aquecimento.

Em baixas frequências, como a frequência fundamental da alimentação, o efeito pelicular é mínimo, mas, à medida que a frequência aumenta, a “profundidade pelicular”, na qual a maior parte da corrente flui, torna-se cada vez menor, aumentando ainda mais a resistência do condutor e a perda do enrolamento.

Efeito de proximidade

O efeito de proximidade é outra maneira pela qual as correntes de Foucault levam ao aumento das perdas. É um fenômeno que ocorre quando uma corrente CA flui por um condutor que está muito próximo de outro condutor — um exemplo típico são as espiras adjacentes em um enrolamento do transformador. 

À medida que a corrente CA flui pelo primeiro condutor, ela gera um campo magnético que induz correntes de Foucault longitudinais no condutor adjacente. As correntes de Foucault tendem a restringir o fluxo de corrente no segundo condutor para o lado mais distante do primeiro condutor. Isso mais uma vez aumenta a resistência efetiva e, como consequência, as perdas também aumentam e mais calor é gerado.

Perdas no núcleo

Até agora, nossa discussão se concentrou nas perdas nos enrolamentos ou no cobre dos transformadores, mas a presença de harmônicas também gera perdas no núcleo magnético. Há dois mecanismos subjacentes que contribuem para essas perdas: correntes de Foucault e histerese.

As correntes de Foucault são induzidas no material (condutor) que compõe o núcleo do transformador da mesma forma que são induzidas nos enrolamentos. As correntes de Foucault circulantes no núcleo contribuem para as perdas e geram calor. Para reduzir esses efeitos ao mínimo, todos os transformadores práticos usam núcleos laminados. O núcleo é composto de chapas finas de aço silício intercaladas com material isolante.

As correntes de Foucault não podem passar por essas camadas isolantes, mas o campo magnético do qual o transformador depende para sua operação é muito pouco afetado pela presença das camadas isolantes. O resultado geral é que as correntes parasitas só podem circular dentro das chapas individuais de aço silício que compõem o núcleo, o que reduz bastante as correntes de Foucault e seus efeitos de aquecimento.

A histerese, o segundo mecanismo que contribui para as perdas no núcleo, está associada ao comportamento intrínseco dos materiais à medida que são magnetizados e desmagnetizados - especificamente, a maneira como a polaridade dos dipolos magnéticos dentro do material muda durante esse processo e a maneira como os domínios magnéticos se formam e se reformam. 

É importante observar que, ao contrário da maioria dos outros mecanismos de perda em transformadores, as perdas por histerese não estão relacionadas a correntes de Foucault. As perdas totais do núcleo, no entanto, são a soma das perdas por histerese e das perdas por correntes de Foucault. 

Redução de potência do transformador

Devido à presença de harmônicas, que aumentam as perdas e o calor gerado dentro de um transformador, fica claro que, para evitar superaquecimento e falhas, os transformadores precisam ser reduzidos em potência de acordo com o nível de harmônicas que precisam suportar. O parâmetro usado para essa redução de potência é conhecido como fator K. 

Essencialmente, o fator K indica o nível de carga não linear que um transformador pode tolerar sem superaquecer. O cálculo desse fator leva em consideração o efeito das correntes de Foucault geradas nos enrolamentos do transformador, mas não as perdas no núcleo. A base para o cálculo do fator K é a norma ANSI C57.110, que fornece a base aceita para redução de potência de transformadores operando com cargas não lineares. Vale ressaltar que, embora o termo “fator K” seja amplamente aceito como terminologia padrão da indústria, ele nunca é explicitamente mencionado na norma!

O fator K leva em consideração o fato de que o efeito de aquecimento das harmônicas é proporcional ao quadrado da corrente e ao quadrado da ordem harmônica. Um fator K de 1, o que, na prática, descreve um transformador padrão, significa que se assume que não há harmônicas de corrente presentes no sistema de alimentação. Quanto maior o fator K, maior o conteúdo de harmônicas que o transformador pode suportar sem superaquecimento.

Um fator K de 2, por exemplo, indica que o transformador pode suportar o dobro dos efeitos de aquecimento por perdas parasitas de um transformador padrão. Na prática, os transformadores estão disponíveis com uma variedade de classificações de fator K – tipicamente 4, 9, 13, 20, 30, 40 ou 50. Diferentes tipos de carga geram diferentes componentes harmônicos e o fator K do transformador deve ser compatível com o tipo de carga. Por exemplo, equipamentos de soldagem podem exigir um transformador com fator K de 4, enquanto um transformador que alimenta inversores de frequência variável pode precisar de um fator K de 20.

A tabela mostra os fatores K aproximados para uma variedade de cargas, mas serve apenas como referência. Uma análise abrangente do fator K, de preferência baseada em medições de qualidade de energia feitas com um instrumento preciso de qualidade de energia, deve sempre ser realizada antes de selecionar um transformador.

Harmônicas e motores 

Os principais efeitos das harmônicas nos motores são a operação ineficiente, o superaquecimento e o aumento dos níveis de vibração. A operação ineficiente é o resultado das harmônicas de sequência negativa, pois elas produzem campos magnéticos dentro do motor que giram na direção oposta ao campo magnético resultante da frequência de alimentação fundamental. Isso reduz o torque e aumenta a quantidade de corrente exigida pelo motor para acionar uma determinada carga.

Os efeitos de aquecimento das harmônicas nos motores são semelhantes aos efeitos de aquecimento encontrados nos transformadores. Em especial, as correntes de Foucault produzem os mesmos efeitos nos enrolamentos do motor e nos materiais magnéticos que produzem nos enrolamentos e nos componentes magnéticos dos transformadores. Assim como acontece com os transformadores, os componentes magnéticos dos motores - os formadores do estator e do rotor - geralmente são laminados para ajudar a minimizar as perdas por correntes de Foucault. A vibração devido às harmônicas nos motores resulta da interação dos campos magnéticos produzidos pelas diferentes ordens de harmônicas. As harmônicas de sequência positiva produzem campos magnéticos que giram na mesma direção que o campo magnético produzido pela frequência fundamental, enquanto as harmônicas de sequência negativa produzem campos que giram na direção oposta. O efeito combinado desses campos pode produzir vibração no eixo do motor. Isso é especialmente problemático quando a frequência da vibração coincide com a frequência de ressonância mecânica do eixo. Nesses casos, as vibrações podem atingir uma amplitude grande a ponto de danificar ou até mesmo destruir o eixo.

Limites e recomendações 

Devido aos efeitos prejudiciais das harmônicas em transformadores, motores e outros ativos, as organizações de normas estabeleceram limites para os níveis permitidos de harmônicas no sistema de alimentação.

Os limites da EN50160 normalmente adotados na Europa são mostrados na Tabela 1. Observe que esses limites se aplicam apenas
à tensão.
 

Não são especificados limites para harmônicas de ordem superior a 25, pois normalmente são pequenas, embora as ressonâncias possam tornar seus efeitos imprevisíveis.

Estes são os limites de tensão recomendados pela IEEE519, geralmente adotados nos EUA, conforme detalhado na versão de 2014 da norma. (Tabela 2)

Ao contrário da EN50160, a norma IEEE519 inclui recomendações para limites de corrente. Essas recomendações são apresentadas na Tabela 3:

Onde Isc é a corrente máxima de curto-circuito no ponto de acoplamento comum (PCC), e IL é a corrente máxima de demanda de carga (componente de frequência fundamental) no PCC sob condições normais de operação de carga.

As harmônicas pares são limitadas a 25% dos valores mostrados na tabela para as harmônicas ímpares, e as distorções de corrente que resultam em um desvio de CC - como as produzidas por conversores de meia onda, por exemplo - não são permitidas. Todos os equipamentos de geração de energia estão limitados aos valores de distorção de corrente mostrados na tabela, independentemente do valor real de Isc/IL.