O verdadeiro papel dos filtros harmónicos nos sistemas de energia

Na área da gestão da qualidade de energia, as discussões sobre filtros harmónicos para geradores que provocam oscilações no sistema são constantes. Os técnicos preocupam-se frequentemente com a segurança da ligação de equipamentos de filtragem quando planeiam esquemas de compensação de potência reativa e de supressão de harmónicos. Através de uma análise aprofundada das características de impedância do sistema e dos mecanismos de funcionamento do filtro, é claro que o filtro harmónico elétrico não provoca ressonância no sistema de energia; pelo contrário, é uma ferramenta poderosa para suprimir os riscos de ressonância.

A ressonância tem origem nos condensadores e na impedância do sistema.

Os fenómenos de ressonância nos sistemas de energia estão geralmente diretamente relacionados com os condensadores de compensação de potência reativa. Quando existem fontes harmónicas no sistema, o condensador de compensação forma um circuito paralelo com a indutância da linha e a indutância de dispersão do transformador. Em determinadas frequências, pode ocorrer amplificação harmónica ou mesmo ressonância. Neste caso, o risco de sobretensão e sobrecorrente nos condensadores aumenta drasticamente, podendo levar a danos nos equipamentos.

A relação de casamento entre a impedância equivalente do sistema e a reatância capacitiva do condensador determina o ponto de ressonância. Por exemplo, alterações na relação entre a impedância de curto-circuito do transformador de distribuição e a sua capacidade de compensação alteram diretamente a frequência de ressonância em paralelo. Se esta frequência coincidir com uma harmónica característica (como a 5ª ou a 7ª), a corrente harmónica será significativamente amplificada. Este processo físico tem origem nas características inerentes dos componentes passivos e não está diretamente relacionado com a ligação do filtro.

O projeto de filtros visa evitar frequências de ressonância.

O filtro de filtragem harmónica é construído com base no princípio da ressonância em série LC. Para a ordem harmónica a filtrar (por exemplo, a 5ª harmónica a 250 Hz), os projetistas definem o ponto de ressonância do ramo do filtro próximo dessa frequência, fazendo com que o ramo apresente uma impedância extremamente baixa, desviando assim a corrente harmónica.

Um filtro correctamente concebido não induzirá ressonância no sistema pelos seguintes motivos:

Projeto de desafinação: Para a frequência harmónica principal, a reatância é tipicamente ajustada para 6% ou 7%, fazendo com que a frequência de ressonância em série do próprio filtro (aproximadamente 204 Hz) seja significativamente menor que a frequência do 5º harmónico, evitando a formação de um novo ponto de ressonância paralelo com a impedância do sistema.

Remodelação da impedância: Após a ligação do filtro, a frequência de ressonância paralela do sistema desloca-se para frequências mais baixas. Quando a frequência é superior à frequência de ressonância em série, o fator de amplificação harmónica é sempre inferior a 1, o que significa que a corrente harmónica não será amplificada.

Efeito de amortecimento: Num sistema de filtro híbrido, o componente ativo pode injetar corrente inversa ativamente para amortecer a potencial tendência de ressonância entre o ramo passivo e o sistema, reduzindo ainda mais o risco de oscilação.