Análise de Harmônicos em Inversores: Como Identificar e Solucionar

Introdução

Os harmônicos são uma das principais preocupações em instalações com inversores de frequência. Este guia apresenta uma abordagem prática para identificar, medir e solucionar problemas relacionados a harmônicos.

Fundamentos dos Harmônicos

O que são Harmônicos?

Harmônicos são componentes senoidais de frequências múltiplas da frequência fundamental (60Hz no Brasil). Em inversores, surgem devido ao chaveamento dos semicondutores de potência.

Principais Harmônicos em Inversores:

• 3° harmônico (180Hz): Mais significativo em sistemas trifásicos
• 5° harmônico (300Hz): Causa aquecimento em motores
• 7° harmônico (420Hz): Afeta capacitores
• 11° e 13° harmônicos: Interferem em sistemas de comunicação

Efeitos dos Harmônicos

No Sistema Elétrico:

• Aquecimento de transformadores
• Sobrecarga do neutro
• Ressonância em capacitores
• Interferência em equipamentos sensíveis
• Aumento das perdas na instalação

Nos Motores:

• Aumento das perdas no ferro
• Aquecimento adicional
• Vibrações mecânicas
• Redução da vida útil
• Ruído audível

Custos Associados:

• Aumento da conta de energia (multas)
• Redução da vida útil dos equipamentos
• Paradas não programadas
• Necessidade de superdimensionamento

Medição e Análise

Equipamentos Necessários:

• Analisador de qualidade de energia
• Alicate amperímetro True RMS
• Osciloscópio com FFT
• Multímetro com THD

Pontos de Medição:

1. Entrada do inversor: THD de corrente
2. Saída do inversor: THD de tensão
3. Ponto de acoplamento comum (PAC)
4. Neutro (em sistemas 3F+N)

Parâmetros a Medir:

Análise Prática: Caso Real

Problema Identificado:

Indústria têxtil com 15 inversores WEG CFW11 apresentando:

• THDi = 47% na entrada principal
• Aquecimento excessivo do transformador
• Interferência nos CLPs
• Multa da concessionária

Medições Realizadas:

Análise dos Resultados:

• THDi elevado: Retificadores a diodos dos inversores
• 5° harmônico predominante: Típico de conversores 6-pulsos
• THDv no motor: PWM de alta frequência

Soluções Técnicas

1. Reatores de Linha (Mais Comum)

Características:

• Redução típica: THDi de 40% para 25%
• Custo: ~15% do valor do inversor
• Instalação: Série com entrada do inversor
• Impedância: 3-5% da impedância base

Dimensionamento:

L = (Un² × Z%) / (2 × π × f × Sn)

Onde:

• Un = Tensão nominal
• Z% = Impedância percentual (3-5%)
• f = Frequência (60Hz)
• Sn = Potência nominal

2. Filtros Passivos LC

Aplicação: Casos críticos com THDi > 30%

Vantagens:

• Redução significativa (THDi < 8%)
• Correção do fator de potência
• Proteção contra surtos

Desvantagens:

• Custo elevado (~50% do inversor)
• Possibilidade de ressonância
• Manutenção dos capacitores

3. Retificadores 12-Pulsos

Princípio: Defasagem de 30° entre retificadores

Resultados típicos:

• THDi: 10-15%
• Eliminação de harmônicos de ordem 5, 7, 17, 19
• Melhor utilização do transformador

4. Filtros Ativos

Tecnologia: Injeção de correntes de compensação

Características:

• THDi resultante: < 5%
• Compensação dinâmica
• Múltiplas cargas simultâneas
• Custo: ~100% do inversor

Estudo de Caso: Implementação de Solução

Problema Original:

• 12 inversores CFW300 (30CV cada)
• THDi = 52% no PAC
• Multa mensal: R$ 8.500
• Transformador superaquecendo

Solução Implementada:

Fase 1: Reatores de Linha (3%)

• Investimento: R$ 18.000
• THDi resultante: 28%
• Redução da multa: 40%

Fase 2: Filtro Passivo Personalizado

• Investimento adicional: R$ 45.000
• THDi final: 7.2%
• Eliminação total das multas

Resultados Obtidos:

Análise Econômica:

• Investimento total: R$ 63.000
• Economia mensal: R$ 8.500 (multas) + R$ 1.200 (energia)
• Payback: 6.5 meses
• Benefícios adicionais: Maior vida útil dos equipamentos

Aspectos Regulamentares

NBR 16149 (Distorções Harmônicas):

Procedimentos PRODIST - Módulo 8:

• Medição contínua por 7 dias
• Intervalos de 10 minutos
• Valores de referência por faixa de tensão
• Penalidades por não conformidade

Ferramentas de Simulação

Software Recomendados:

• ETAP: Análise completa de harmônicos
• PSS/E: Estudos de estabilidade
• ATP/EMTP: Simulação de transitórios
• MATLAB/Simulink: Modelos personalizados

Parâmetros para Modelagem:

• Impedância da rede
• Características dos transformadores
• Modelos dos inversores
• Cargas lineares adicionais

Boas Práticas

Projeto:

• Considerar harmônicos desde o projeto
• Dimensionar cabos para correntes harmônicas
• Prever espaço para filtros futuros
• Separar cargas lineares das não-lineares

Instalação:

• Cabo neutro adequado (sistemas 3F+N)
• Aterramento eficiente
• Separação física entre equipamentos sensíveis
• Blindagem de cabos de controle

Operação:

• Monitoramento contínuo da qualidade
• Manutenção preventiva dos filtros
• Treinamento das equipes
• Documentação das alterações

Troubleshooting Rápido

🔧 THD Alto Repentino:

• Verificar se algum filtro foi desconectado
• Conferir capacitores queimados
• Analisar novas cargas conectadas
• Verificar configuração dos inversores

🔧 Interferência em Equipamentos:

• Medir harmônicos de alta frequência
• Verificar blindagem dos cabos
• Conferir aterramento dos equipamentos
• Analisar frequência de chaveamento

🔧 Aquecimento de Transformadores:

• Medir corrente no neutro
• Analisar harmônicos triplos (3°, 9°, 15°)
• Verificar fator K do transformador
• Avaliar necessidade de desrating

Conclusão

A análise de harmônicos em inversores requer abordagem técnica sistemática e conhecimento das normas aplicáveis. O investimento em soluções adequadas resulta em:

• Conformidade regulamentar
• Redução de custos operacionais
• Maior confiabilidade do sistema
• Extensão da vida útil dos equipamentos

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