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Novos padrões de medição: Harmônicos mais altos na rede
A situação da rede de baixa tensão mudou significativamente nos últimos anos. Isso se deve à chegada de novos aparelhos – luzes, eletrônicos com fontes de alimentação comutadas – e às mudanças nos locais de fornecimento/geradores.
Fontes de alimentação – muitos participantes pequenos
No passado, os grandes geradores (máquinas rotativas) eram usados predominantemente. Sua construção levava à geração direta de uma curva senoidal. Sua distorção era resultado de imperfeições técnicas (elétricas e mecânicas) e era muito pequena.
Atualmente, há uma grande quantidade de geradores pequenos e não rotativos em campo – eles são inversores/conversores de modo comutado. Para gerar curvas pseudo-sinusóides, é usada a modulação por largura de pulso (PWM) com filtro passa-baixa. A frequência de modulação chega a vários kHz. Principalmente, a PWM gera muitos harmônicos superiores, que devem ser filtrados do sinal final.
No entanto, a filtragem desses harmônicos traz custos financeiros mais altos e, portanto, na maioria dos casos, é tolerada. Quanto maior a potência gerada fornecida, mais complicada e cara é a filtragem (bobina e capacitor) a ser usada. Posteriormente, isso leva a um agravamento da qualidade da fonte de alimentação.
Eletrodomésticos – Sem motivo para satisfação
No passado, predominavam os eletrodomésticos que operavam com base em resistência (lâmpadas, aquecimento, caldeiras de água…). Eles consistiam em reguladores simples e seus componentes eletrônicos eram alimentados por fontes lineares. As máquinas rotativas eram controladas por reguladores lineares clássicos. Os harmônicos apareciam muito raramente e eram insignificantes em tamanho. Os aparelhos também eram bem compensados no fator de potência.
Por isso, não era necessário que os clientes finais – residências – medissem a energia reativa ou observassem a qualidade da energia fornecida. Essa qualidade era monitorada apenas pelos grandes clientes, bem como nos transformadores de distribuição, onde fazia sentido fazê-lo.
A situação atual é bem diferente. As lâmpadas fluorescentes compactas e as lâmpadas de LED prevalecem entre as fontes de luz. Elas são alimentadas por comutadores de modo comutado e com baixa compensação para o fator de potência e nenhuma para distúrbios.
Às vezes, a compensação está totalmente ausente para manter os preços baixos. Os capacitores são usados para limitar a impedância das lâmpadas de led. Como resultado, ocorre uma redução do consumo de energia ativa em dezenas de por cento, enquanto a influência da energia reativa e de frequência mais alta aumenta. Economizamos na energia ativa, enquanto o fator de potência é significativamente deteriorado.
Atualmente, quase todos os aparelhos usam fontes de alimentação de modo comutado ou outros comutadores sincronizados controlados/comutados por cruzamento zero. Essas fontes têm eficiência relativamente alta e são pequenas em tamanho, mas, se as usarmos, aparecerá uma grande quantidade de harmônicos de corrente mais alta (e, secundariamente, de tensão).
| Consumo de energia (potência ativa) | Potência aparente | Fator de potência | |
| Lâmpada clássica | 60W | 60VA | 1 |
| Lâmpada fluorescente compacta | 12W | 30VA | 0,4 |
| Luz LED | 5W | 10VA | 0,5 |
Como os medidores eletrônicos (não) medem os harmônicos mais altos
Os medidores eletrônicos (medidores de energia elétrica) devem medir toda a energia fornecida/consumida. Isso significa tanto a energia dos harmônicos básicos quanto todos os harmônicos que aparecem na rede. Os medidores eletrônicos atuais podem medir com alta precisão quantidades muito pequenas de corrente (stand by current).
Por outro lado, eles não medem a energia que contém harmônicos mais altos na rede. Nesse estágio, os instrumentos legais de medição estão significativamente atrasados em relação à situação real da rede.
A limitação mais importante é a frequência de amostragem do conversor analógico digital (adc). Esse adc deve ser acompanhado (de acordo com o teorema da amostra) por um filtro passa-baixa – filtro anti-aliasing – para garantir que os harmônicos mais altos não se aproximem do conversor.
Hoje, a frequência de amostragem normalmente atinge 1kHz – podemos, portanto, teoricamente medir harmônicos com frequência de até 500Hz (10º harmônico). As frequências acima de 1kHz (a frequência de todos os inversores de energia) não são medidas de forma alguma.
A dependência de frequência dos transformadores de corrente também tem uma influência (menor) nos resultados da medição de energia de harmônicos mais altos. Essa dependência de frequência é mal compensada no domínio do tempo, embora possa ser compensada no domínio da frequência. Além disso, em bobinas de dois núcleos (com imunidade CC), a compensação é impossível.
Os medidores eletrônicos com fonte de alimentação de capacitor também influenciam a medição de harmônicos mais altos. Esses medidores eletrônicos ficam mais quentes e aquecem se houver harmônicos mais altos. A fonte de alimentação de um e-meter é sobrecarregada por harmônicos mais altos e, como resultado, pode ser danificada.
Como podemos gerenciá-lo?
Temos algumas possibilidades com relação à abordagem que escolheremos para resolver o problema da não medição dos harmônicos mais altos:
- Podemos deixar esse problema sem solução e nos comportar como se não fosse um problema. Talvez na esperança de que a situação melhore mais tarde?
- Podemos tentar uma melhor filtragem nos suprimentos. Forçar os fabricantes de inversores a adicionar filtros de qualidade, o que significa mudanças nos padrões relevantes com relação à qualidade da fonte de alimentação e à EMC.
- Podemos tentar uma melhor filtragem dos aparelhos. A situação é a mesma que a anterior e diz respeito à implementação de outro padrão.
- Começando a medir a influência do fornecimento e da carga, e começando a emitir multas se o fator de potência não for mantido. Uma das possibilidades é realmente medir toda a energia e medir o fator de potência (FP). Se o FP estiver fora dos limites, os clientes pagarão mais.
De qualquer forma, é necessário medir a potência em um espectro de frequência mais amplo do que o padrão atual (até 10 kHz) e monitorar a qualidade do fornecimento de energia em mais pontos da rede.
Conclusão
Hoje, quando o consumo real dos aparelhos diminui, enquanto a potência reativa aumenta e precisamos adicionar energia em frequências mais altas, os dispositivos de medição certificados atuais estão obsoletos. Os limites para erros adicionais e sinais/curvas de teste devem ser alterados.
Os padrões atuais permitem erros adicionais de até 6% para a medição de harmônicos (harmônicos inferiores). Não há padrão para um medidor eletrônico medir harmônicos superiores.
No entanto, esses padrões para medidores eletrônicos e qualidade do fornecimento de energia NÃO refletem o fato de que o fornecimento de energia e os aparelhos mudaram. Portanto, está mais do que na hora de substituir esses padrões por novos.