O avanço do cenário industrial atual revelou tecnologias eletrônicas que elevaram o patamar dos ganhos relacionados à eficiência, automação e controle de processos.

Entre os dispositivos que se tornaram indispensáveis para o controle e segurança  de setores produtivos, destacam-se os inversores de frequência, fontes chaveadas, retificadores e sistemas de alimentação ininterrupta (UPS).

Contudo, esses dispositivos trouxeram um outro desafio para a indústria, e este merece mais atenção do que é dado. Estamos falando da presença de harmônicos na rede elétrica.

Os harmônicos basicamente são distorções de onda que muitas vezes passam despercebidas por operadores, mas os seus efeitos podem ser notados da pior maneira: desempenho reduzido e menor confiabilidade de processos industriais.

Isso, é claro, dito de forma superficial. Os harmônicos, na verdade, trazem um caos ainda maior ao aquecer excessivamente motores e transformadores, disparando indevidamente proteções e reduzindo a vida útil de componentes elétricos.

Diante de um problema tão grande e que pode estar oculto no seu cotidiano, neste artigo  apresentamos os principais conceitos sobre o tema e quais medidas podem ser adotadas para minimizar os impactos na indústria.

O que são harmônicos?

Em cursos técnicos ou em matérias da universidade, aprendemos que em sistemas elétricos ideais, a tensão e a corrente são distribuídas na forma de uma onda senoidal pura, em que no Brasil tem uma frequência de operação de 60 Hz.

O efeito dessa condição de energia elétrica é a transmissão e utilização de forma eficiente e previsível pelos equipamentos.

Contudo, a utilização de cargas eletrônicas e não lineares pode alterar essa forma de onda, e adivinhe só: isso ocorre nos equipamentos presentes na indústria

Quando isso ocorre, nos deparamos com componentes de frequência múltipla da frequência fundamental (de 60Hz), e essas ganham os nomes de “harmônicos”.

Por exemplo: em um sistema de 60 Hz, o terceiro harmônico possui frequência de 180 Hz, enquanto o quinto harmônico vai ter uma frequência de 300 Hz, e por aí vai.

O problema é que os componentes adicionais se somam à onda fundamental, e com isso surgem distorções na forma de onda da tensão e da corrente elétrica, que deixam de ser previsíveis e que são mais distorcidas quanto mais harmônicos no sistema.

“E como se mede isso?”. A resposta para essa dúvida está em um indicador chamado Distorção Harmônica Total (THD – Total Harmonic Distortion).

Principais fontes de harmônicos na indústria 

Resumidamente, os harmônicos na indústria são uma consequência da integração de equipamentos que não consomem corrente de maneira linear.

Em outras palavras, a corrente é consumida de forma desproporcional à tensão aplicada, e isso ocorre com dispositivos de acionamento eletrônicos modernos para obter-se controle, automação e eficiência energética. Além disso, isso ocorre em:

• Inversores de frequência, utilizados para controlar velocidade de motor elétrico;
• Retificadores, fontes chaveadas;
• Equipamentos de soldagem;
• Fornos de indução;
• Sistemas UPS;
• Acionamentos eletrônicos em geral. 

Mas, e agora. Como remover esses itens que são essenciais para a automação moderna? 

Bem, embora altos níveis de harmônicos comprometam a qualidade da energia afetam o desempenho de equipamentos, nós não removemos os dispositivos que a provocam! 

Afinal de contas, e assim como já foi dito, eles são essenciais para o contexto industrial. Então, logo você vai saber como mitigá-los.

Riscos para equipamentos elétricos

Por que os harmônicos são tão ruins?

Bem, a presença excessiva de harmônicos provoca efeitos indesejados nos equipamentos elétricos.

Entre os diversos efeitos, um dos mais comuns é o aumento das perdas elétricas.

“E a corrente pode ser perdida?”

Mas é claro! E uma das principais formas é vista na Lei de Joule, em que se manifesta na forma de aquecimento adicional.

Em motores, transformadores, cabos e painéis elétricos, este aquecimento é terrível.

Por exemplo: os harmônicos aumentam as perdas no cobre e no núcleo de transformadores, além de elevar a temperatura de operação, a vida útil dos materiais isolantes é reduzida.

Em motores elétricos, a distorção resulta em aquecimento excessivo, vibrações e redução da eficiência.

Além disso, os bancos de capacitores utilizados para correção do fator de potência também exigem atenção, já que em determinadas condições os harmônicos podem provocar ressonância elétrica, implicando aumento das correntes circulantes e falhas prematuras nos capacitores.

Por fim, o harmônico pode induzir à leitura incorreta e disparos de elementos de proteção e instrumentação. Portanto, dê atenção a relés, disjuntores e equipamentos de medição.

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Como identificar e mitigar os harmônicos

Pessoal, não existe milagre! O primeiro passo é conhecer a condição atual da instalação elétrica, e para isso, você pode utilizar avaliadores de qualidade de energia que medem parâmetros como a Distorção Harmônica Total (THD).

Assim, você pode identificar as ordens harmônicas predominantes e avaliar possíveis impactos nos equipamentos.

O problema foi identificado? Se sim, vamos ao próximo passo.

Para reduzir os níveis de distorção, você pode recorrer a diversos métodos. No mercado, você encontra reatores de linha, filtros passivos, filtros harmônicos ativos e transformadores projetados, em especial, para operar em ambientes com elevada presença de harmônicos.

Para escolher qual a melhor opção, considere fatores como potência instalada, tipos de cargas presentes, limites de qualidade de energia exigidos e características da rede elétrica. 

Conclusão

O avanço tecnológico fez expandir a capacidade da automação industrial e da eletrônica de potência. No entanto, alguns outros problemas surgiram a partir disso, o que exige atenção voltada à saúde do sistema elétrico industrial.

Assim, o monitoramento contínuo da qualidade da energia tem se tornado uma prática cada vez mais importante para garantir o desempenho e a segurança dos processos industriais.

Ao mitigar harmônicos, você aumenta a confiabilidade da instalação e contribui para a redução de perdas energéticas e custos de manutenção.

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FAQ – Harmônicos em instalações industriais

1. O que são harmônicos em sistemas elétricos?

Harmônicos são componentes de frequência múltipla da frequência fundamental da rede elétrica, responsáveis por distorções nas formas de onda de tensão e corrente.

2. Quais equipamentos costumam gerar harmônicos na indústria?

Inversores de frequência, fontes chaveadas, retificadores, sistemas UPS, fornos de indução e diversos acionamentos eletrônicos são algumas das principais fontes.

3. Quais problemas os harmônicos podem causar?

Eles podem provocar aquecimento excessivo em motores e transformadores, disparos indevidos de proteções, redução da vida útil dos equipamentos e aumento das perdas elétricas.

4. Como reduzir os efeitos dos harmônicos na rede elétrica?

A mitigação pode ser realizada com medições de qualidade de energia e com a utilização de reatores de linha, filtros passivos, filtros ativos e soluções adequadas para cada instalação industrial.