Refere-se o presente relatório a um supressor de harmónicas, de energia reativa e de vazamento dê tensão ê, mais especificamente, a um conjunto supressor de distorções harmónicas da 3 ^a à 15 ^a ordem da rede elétrica, que atende às necessidades dos setores elétrícos dos Grupos A e B, de Pequeno, Médio e Grande Porte, em instalações Monofásicas, Bifásicas e Trifásicas. A presente invenção pode ser produzida de forma a atender isoladamente as necessidades de Indutores, Capacitores e Resistores, sob a forma de peças menores, colocadas entre a tomada interna e o cabo de alimentação. Trata-se, portanto de uma tecnologia, comprovada com a utilização de equipamentos de medição digital de alta precisão, que, instalada em paralelo à Rede Elétrica Interna, é capaz de suprimir desta as distorções harmónicas, com especial ênfase para aquelas que são da 3 ^a À 15 ^a ordem, motivo de especial atenção e supervisionamento por parte das Concessionárias.

Como é de conhecimento dos técnicos no assunto, a ocorrência de distorções harmónicas nas redes elétricas é fenómeno contemporâneo, sendo sua incidência a partir dos anos 90, com a proliferação dos eletrônicos.

Atualmente as soluções conhecidas para atenuar as harmónicas são definidas em três naturezas, a saber:

- adaptações da instalação;

- utilização de dispositivos particulares na alimentação (indutâncias, transformadores especiais);

- filtragem.

Conforme se pode ver abaixo, no excelente trabalho apresentado por Schneider/Procobre - Qualidade de Energia ~ Harmónicas temos soluções atenuantes, o que faz pioneiro o supressor de harmónicas, de energia reativa e de vazamento de tensão, objeto da presente invenção, por apresentar uma solução definitiva.

Schneider/Procobre, em sua obra - Qualidade de Energia - Harmónicas, apresenta:

1. Soluções de base: para limitar a propagação das harmónicas na rede, disposições podem ser levados em conta, e estão à observarem particular no caso de uma nova instalação

1.1 Posicionar as cargas poluentes a montante da rede

A perturbação harmónica global criada quando a potência de curto-circuito diminui.

Fora de toda consideração económica, é então preferível conectar as cargas poluentes a montante possível.

1.2 Reagruparas cargas poluentes

Quando estabelecemos o esquema unifílar, encontraremos para separar os equipamentos perturbadores: na prática, alimentaremos cargas poluentes e não poluentes por jogos de barras diferentes. Assim, reagrupando as cargas poluentes, aumentaremos a possibilidade de aumentar o volume angular. A soma vetorial das correntes hannônicas é mais fraca que sua soma algébrica.

Evitaremos igualmente quê às correntes hannônicas não percorram os cabos, este que limitará as quedas de tensão e os aquecimentos nos cabos.

1.3 Separaras fontes

Na luta contra as hannônicas, um melhoramento suplementar é obtido realizando uma alimentação pelo transfomiador separado.

1.4 Utilizar transformadores em conjugados isolados

O efeito de conjugado de transformadores permite a supressão de certas ordens de hannônicas.

1.5 Inserir indutâncias na instalação

No caso da alimentação de inversores de frequência, podemos suavizar a corrente colocando indutâncias de linha. Aumentando a impedância do circuito de alimentação, limitemos a corrente harmónica.

A colocação de selfs anti-harmônicas sobre os bancos de capacitores permite aumentar a impedância do conjunto self e capacitor, para as harmónicas de frequências elevadas.

1.6 Escolher um esquema de aterramento adaptado

^■ Caso do regime TNC

No caso do regime de neutro TNC, um único condutor (PEN) assegura a proteção em caso de defeito (terra) e assegura a circulação das correntes de desequilíbrio.

Em regime permanente, as conentes harmónicas circulam no

PEN. Tem uma certa impedância, esta que implica em pequenas diferenças de potencial (de ordem de quaisquer volts) entre aparelhos, ê pode ter como consequência o disfuncionamento dos equipamentos eletrônicos.

O regime TNC deve então ser reservado a alimentação dos circuitos de potência, no início da instalação, e é prescrito no caso da alimentação de cargas sensíveis.

• Caso do regime TNS

É aconselhado no caso de presença dê harmónicas. O condutor de neutro © o condutor de proteção PE seriam completamente separados, o potencial da rede é muito melhor fixo.

2. Ações no caso de ultrapassagem dos valores limites

2.1 Filtro passivo

'Aplicações típicas:

' instalações industriais com um conjunto de geradores de harmónicas de potência total superior a 200 kVA (inversores de frequência, alimentações sem intemipções, retificadores, ...),

^■ instalação apresentando uma necessidade de compensação de energia reativa,

•necessita de redução da taxa de distorção em tensão para evitar a perturbação de receptores sensíveis,

^■ necessita de redução da taxa de distorção em corrente para evitar as sobrecargas.

! ^■ Princípio de funcionamento:

Substituímos um circuito LC ajustado sobre cada frequência de harmónica a filtrar, em paralelo sobre o gerador de harmónicas.

Este circuito de derivação absorve as harmónicas e evita que elas circulem na alimentação.

Em geral, o filtro passivo é ajustado sobre uma ordem de harmónica próxima da harmónica a eliminar. Varias ligações de filtros em paralelo podem ser utilizadas quando desejamos uma redução forte da taxa de distorção sobre várias ordens.

2.2 Filtro ativo (ou compensador ativo)

'Aplicações típicas:

"instalações comerciais com geradores de harmónicas de potência total inferior a 200 kVA (inversores de frequência, alimentações sem interrupções,...),

^■ necessita de redução da taxa de distorção em corrente para evitaras sobrecargas.

■ Princípio de funcionamento.

Estes são sistemas eletrônicos de potência instalados em série ou em paralelo com a carga não-linear, visando a compensar seja as tensões harmónicas, seja as conentes harmónicas geradas pela carga.

O filtro ativo reinjetãdo em oposição de fases ãs harmónicas apresentam sobre a alimentação da carga, de tal sorte que a corrente de linha Is seja senoidal.

2.3 Filtro híbrido

Aplicações típicas:

"instalações industriais com um conjunto de geradores de harmónicas de potência total superior a 200 kVA (inversores de frequência, alimentações sem interrupções, ...),

■ instalação apresentando uma necessidade de compensação de energia reativa,

■ necessita de redução da taxa de distorção em tensão para evitar a perturbação de receptores sensíveis,

■ necessita de redução da taxa de distorção em corrente para evitaras sobrecargas,

^■ encontra conformidade a limites estritos de emissão hannônica.

^■ Princípio de funcionamento.

Os dois tipos de dispositivos anteriores podem ser associados a um mesmo equipamento e constituir um filtro híbrido. Esta nova solução de filtragem permite acumular as vantagens das soluções existentes e de cobrir um largo domínio de potência e de períormances.

2.4 Critérios de escolha

^■ O filtro passivo pennite (ao mesmo tempo):

: a compensação de energia reativa,

• uma grande capacidade de filtragem em corrente.

A instalação onde substituímos o filtro deve apresentar uma estabilidade suficiente, com pouco de flutuação da carga.

Se a potência reativa fornecida é importante, é aconselhado colocar fora de tensão o filtro passivo durante os períodos de fraca carga.

O estudo de ligação de um filtro deve levar em conta a presença eventual de um banco de compensação e pode conduzir a sua supressão.

^■ O compensador ativo permite a filtragem das harmónicas sobre uma larga faixa de frequência. Ele se adapta a não importa qual carga. Entretanto, sua potência hannônica é limitada. ■ O filtro híbrido reuni o conjunto das performances dos filtros passivos e ativos." (Schneider / Procobre - Qualidade de energia - Harmónicas - p.16/17).

Apesar de atender parcialmente as necessidades, essas soluções apresentam inconveniente de devolver ao neutro as harmónicas.

Nos últimos anos vem crescendo vertiginosamente o emprego de equipamentos eletroeletrônicos cada vez mais sofisticados, nas instalações elétricas prediais, comerciais e industriais em geral.

"Computadores pessoais, reatores eletrônicos, variadores de velocidade e fontes de alimentação em geral são exemplos de cargas que tem seu funcionamento baseado em componentes de eletrônica de potência, tais como: diodos, tiristores, transistores, triac, diacs, que trazem consigo o inconveniente de provocar deformações nas formas de ondas presentes nas instalações elétricas, o que resulta nas chamadas tensões e correntes ftam7ó7}/cas ⁿ (Schneider / Procobre - Qualidade de energia - Harmónicas).

"Se um equipamento for alimentado por uma tensão não pura qu tenha uma taxa de distorção harmónica elevada, poderão ocorrer perdas de energia. Os transformadores, em especial, são componentes sensíveis a este problema podendo apresentar ate mais de 50% de perda se forem alimentados com uma tensão muito distorcida. As cargas alimentadas pôr tensão distorcida podem ter ainda um fator e potência muito pobre, sobrecarregando o sistema".

"Outro problema a ser considerado é que as harmónicas de corrente podem também destorcer a forma de onda da tensão, e com isso causar harmónicas. Distorções da tensão podem afetar motores elétricos e bancos de capacitores. Nos motores elétricos, por exemplo, a sequência negativa de harmónicas (5 ^a , 11 ^a , 17 ^a , êtc.) assim chamada porque sua sequência (ABC ou ACB) é oposta à sequência fundamental, produz campos magnéticos rotativos. Estes campos "rodam" na direção oposta ao campo magnético fundamental e podem causar não somente sobreaquecimento do motor como até oscilações mecânicias no sistema motor-carga.

Nos casos dos bancos de capacitores, o que acontece é que a reatância de um bando de capacitores diminui com o aumento da frequência, fazendo que ele drene energia através das harmónicas de maior frequência. Este aumento de energia drenada pelos capacitores pode causar perdas e sobrecargas no dielétrico, capazes até de levar os capacitores a uma falha. Quanto aos equipamentos que operem com apenas uma fase, tais como computadores pessoais, reatores e outros, os problemas também existem. Para esses equipamentos são especialmente danosas as harmónicas ímpares como a 3 ^a , 5 ^a , 7 ^a , etc. Temos também as ações danosas das harmónicas denominadas triplas que são a 3 ^a , 9 ^a e 15 ^a . Essas harmónicas estão em fase, o que quer dizer que a primeira fase (A) triplica a harmónica, a (B) triplica novamente e a (C) faz uma multiplicação final, de modo que todas as três retomam em fase pelo condutor de neutro num sistema de três fases com 4 condutores. O resultado disso é uma sobrecarga do condutor de neutro, o que pode significar problemas se ele não estiver devidamente dimensionado para suportar esta corrente adicional" (Texto de Newton C. Braga - n° 134 - Revista ELETRONICA TOTAL)

Tecnicamente, uma harmónica é a componente de uma onda periódica cuja frequência é um múltiplo inteiro da frequência fundamental (no caso da energia elétrica, de 60 Hz). Tal componente distorce a frequência fundamental, resultando em prejuízos à sua utilização, sendo usualmente denominada de "energia suja" a onda sob influência de tais frequências. "Energia suja", então, é a expressão popular usada para descrever uma grande variedade de contaminações na corrente e na tensão elétrica. São especialmente nocivas as Distorções Harmónicas que vão de 180 Hz até 900 Hz (3 ^a até 15 ^a Ordem), sofrendo monitoramento por parte das concessionárias até a 13 ^a Ordem.

Os principais equipamentos causadores das harmónicas são: inversores de frequência, variadores de velocidade, acionamentos tiristorizados, acionamentos em corrente contínua ou alternada, retificadores, "dríves", conversores eletrônicos de potência, fornos de indução e a arco, "no-breaks" e máquinas de solda a arco, trazendo como consequências:

Capacitores: queima de fusíveis, e redução da vida útil.

Motores: redução da vida útil e impossibilidade de atingir potência máxima.

Fusíveis/Disjuntores: operação falsa/errônea e componentes danificados.

Transformadores: aumento de perdas no ferro e no cobre e redução de capacidade.

Medidores: medições erróneas e possibilidade de maiores contas.

Telefones: interferências.

Fontes: operações erróneas devido a múltiplas passagens por zero.

Desta forma, cada vez mais, se têm percebido a necessidade de lidar com o problema da "energia suja".

Harmónica é um fenómeno contínuo, e não deve ser confundida com fenómenos de curta duração, que ocorrem apenas durante alguns ciclos. Transientes, disturbações elétricas, picos de sobre-tensão e sub- tensão não são harmónicas. Estas perturbações no sistema podem normalmente ser eliminada com a aplicação de filtros de linha (supressores de transientes).

Entretanto, estes filtros de linha não reduzem ou eliminam correntes e tensões harmónicas.

Distorção harmónica, portanto, é um tipo específico de "energia suja", que é normalmente associada com a crescente utilização de equipamentos eletroeletrônicos.

Até hoje, a filosofia abordada foi minimizar os efeitos dos problemas que surgiram:

Comprometimento do funcionamento dos equipamentos; Desgaste excessivo dos Equipamentos;

Alto índice de Manutenção;

Excessiva queima de lâmpadas e reatores;

Paradas de CLP s;

Afundamento de tensão.

O que se tem feito até então, como acima descrito, é trabalhar no efeito imediato, buscando soluções atenuantes para casos específicos, sendo considerada a solução mais confiável e acessível, o uso de filtros de harmónicas. Um filtro de harmónicas é essencialmente um capacitor para correção de fator de potência, combinado em série com um reator (indutor), ou seja, a correção do Fator de Potência pela tentativa de compensar a Energia Reativa colocando capacitores na Rede Elétrica.

Tais filtros, por utilizarem-se do Neutro na descarga das distorções, não descontaminam a rede elétrica, devolvendo a energia suja para os transformadores, ou seja, para o sistema elétrico geral.

Considerando que energia reativa é uma sobrecarga de energia, criada pelas concessionárias e por grandes consumidores, de forma a suprir a demanda nos horários de pico (17:30 h até às 21:30 h), introduzindo na rede energia gerada pro bancos capacitores. Esta energia não produz trabalho, ocasionando picos de tensão danosos aos eletro-eletrônicos.

E considerando que vazamentos de tensão são perdas de energia originadas em emendas mal feitas, cabos sub dimensionados e fatores semelhantes, existentes nas redes e/ou equipamentos elétricos.

O objetivo da presente invenção é prover um supressor de harmónicas, de energia reativa e de vazamento de tensão, que apresente uma melhor qualidade de energia elétrica e, consequentemente, um melhor aproveitamento da carga gerada; sendo para isso constituído por Memórias, Díodos, Diodo Túnel e Varístor, envia ao Aterramento a energia reativa e as distorções harmónicas da Rede Elétrica sem devolvê-las ao Neutro, corrigindo deformação de ondas causadas por Frequências Parasitas e Harmónicas, devolvendo à Rede Elétrica, como consequência, uma energia de melhor qualidade ("energia limpa"), eliminando ainda os vazamentos de tensão, resultando em economia efetiva no consumo de energia.

Esses e outros objetivos e vantagens da presente invenção são alcançados com um supressor de harmónicas, de energia reativa e de vazamento de tensão formado por um conjunto de três blocos - indutivo, capacitivo e Resistivo - que, ao se associarem de forma inteligente, são capazes de criar uma Impedância = 0 (zero), estabilizando a frequência em 60 Hz entre a Rede Elétrica e o Aterramento, eliminando da rede elétrica as distorções harmónicas nela induzidas. Compõem ainda o conjunto, dois dispositivos: (1) Na presença de Tensão Diferenciada é acionado Mecanismo de Ativação de Filtro Interno, desviando a Energia Reativa a uma Haste Terra, garantindo a qualidade da energia no sistema, mesmo nos "Horários de Vazio" e, (2) - Supressor de Vazamento de Tensão Elétrica.

O supressor de harmónicas, de energia reativa e de vazamento de tensão, atende aos equipamentos Indutores, Capacitores e Resistores e às necessidades dos setores elétricos dos Grupos A e B, de Pequeno, Médio e Grande Porte, e em instalações Monofásicas, Bifásicas e Trifásicas, podendo ser utilizado nas redes de média e baixa tensão.

A seguir a presente invenção será descrita com referência ao desenho anexo no qual:

A figura 1 representa um diagrama do supressor de harmónicas, de energia reativa e de vazamento de tensão, objeto da presente invenção.

De acordo com as ilustrações acima descritas define-se preliminarmente os componentes dos diagramas por meio de suas referências numéricas a saber:

01 a 42 - Terminais das memórias (65), (66) e (67) 43 a 49 - Capacitores

50 a 53 e 55 a 57 - Díodos Retificadores

54 - Diodo Túnel

58 a 61 - Resistores

62 a 64 - Led Identificador

65 a 67 - Memória

68 a 70 - Chave liga-desliga

71 a 73 Transformadores

74 - Voltímetro

75 - Amperímetro

76 a 79 - Aterramento (Haste)

80 a 82 - entrada de tensão 127/220/380/440/660v

83 Varistor

84 a 89 - Placa Supressora

De acordo com a ilustração e as referências numéricas discriminadas acima, o supressor de harmónicas, de energia reativa e de vazamento de tensão, ilustrado na figura 1 , têm seus terminais de conexão (80) (81) e (82) como receptores da rede elétrica positiva, sendo que a cada um deles corresponde uma das fases de tensão, podendo receber tensões que variam de 127 até 660 volts, conectando-se aos transformadores (73) (72) e (71), respectivamente em 220V, que por sua vez conectam-se pelo 0V às hastes terra (78) (77) e (76), também respectivamente.

A energia recebida no terminal (82) alimenta ainda o voltímetro (74), conduzindo à haste terra (78).

Já a energia recebida no terminal (81) alimenta ainda o

Amperímetro (75), conduzindo ao transformador (72).

Como pode ser visto na figura 1 o transformador (71) alimenta o diodo retificador (50), que se liga ao capacitor (43), que, por sua vez, alimenta o terminal (05) da memória (65). O OVDC do transformador (71) alimenta o terminal (09) da memória (65), cujos terminais (1)/(2) alimentam, sob controle da chave (68) tanto os terminais (13) e (14) da memória (65) quanto o resistor (59); o led (62); o díodo (55); o capacitor (47) e finalmente o 127V do transformador (73), sendo conduzido através do 0V à haste terra (78).

O terminal (12) da memória (65) alimenta o terminal (19) da memória (66), enquanto que o 12V do transformador (72) alimenta o díodo (51) e o capacitor (44) que se liga ao terminal (20) da memória (66), jampeando com o terminal (19) da memória (66), fechando o circuito com a memória (65). Os terminais (17) e (18) da memória (66) são jampeados. Os terminais (15)/(16) da memória (66) alimentam, sob controle da chave (69) tanto os terminais (27)/(28) da memória (66) quanto o resistor (60); o led (63); o diodo (56); o capacitor (48) e, finalmente, o 127V do transformador (72), sendo conduzido através do 0V à haste terra (77). O 0VDC do transformador (72) alimenta o terminal (24) da memória (66). Os terminais (25) e (26) da memória (66) alimentam respectivamente os terminais (32) e (33) da memória (67).

O 1 ^o 12V do transformador (73) alimenta o diodo (52) e o capacitor (45) que se liga ao terminal (35) da memória (67), Os terminais (29)/(30) da memória (67) alimentam, sob controle da chave (70) tanto os terminais (41)/(42) da memória (67) quanto o resistor (61); o led (64); o diodo (57); o capacitor (49); o 127V do transformador (71), sendo conduzido através do 0V à haste terra (76); os diodos (84)- (85) - (86) e (87); os capacitares (88) e (89) que se liga à haste terra (79). O 2 ^o 12V do transformador (73) liga-se ao capacitor (46) que alimenta o diodo (53) que alimenta a placa (58) que liga-se ao varistor (83) que, por sua vez, liga-se ao diodo túnel (54), acionando o mecanismo que conduz energia reativa para a haste terra (79). O 0VDC do transformador (73) alimenta o terminal (39) da memória (67) e a placa (58).