O que é um Filtro Ativo de Potência (APF)? Princípio de Funcionamento e Dimensionamento

Filtros Ativos de Potência (FAP) são tecnologias muito importantes para melhorar a qualidade de energia dos sistemas elétricos. Os APF são também utilizados para reduzir perturbações harmónicas e ajudar a melhorar a qualidade dos sistemas de energia. Com o aumento de dispositivos eletrónicos utilizados pelas indústrias, existe uma maior necessidade de uma fonte de eletricidade limpa e fiável, o que os torna essenciais para melhorar a gestão dos sistemas elétricos.

Como Funciona um Filtro Ativo de Potência (FAP)?

Um Filtro de Potência Ativo opera monitorizando e analisando uma forma de onda em tempo real de um sistema elétrico. Ele pode identificar componentes fundamentais e harmónicos da tensão e corrente de alimentação e gerar correntes de compensação com o objetivo de contrariar os impactos negativos dos harmónicos. Ao ter uma resposta dinâmica, pode filtrar eficazmente frequências indesejáveis, permitindo que a frequência fundamental passe sem entraves, criando assim um fornecimento de energia otimamente equilibrado que atende às necessidades de dispositivos eletrónicos sensíveis.

Principais Benefícios dos Filtros Ativos de Potência (APF)

A implementação de um APF oferece inúmeras vantagens:

• Mitigação Harmónica: Os APFs garantem a conformidade com os requisitos regulamentares, reduzindo significativamente as distorções harmónicas no fornecimento de energia elétrica.
• Fator de Potência Melhorado: Os APFs melhoram a eficiência dos dispositivos elétricos através da correção do fator de potência, resultando numa redução das despesas operacionais.
• Vida Útil Aprimorada do Equipamento: A contaminação reduzida de fontes elétricas causa menos desgaste nos equipamentos, o que também resulta numa vida útil mais longa para os aparelhos equipados.
• Adaptabilidade em Tempo Real: Comparados aos tipos de filtros passivos, cujas características são pré-determinadas, os filtros ativos (APFs) adaptar-se-ão automaticamente a alterações nas condições de carga e ambientais para oferecer maior flexibilidade do que os filtros passivos.

APF vs. Filtro Passivo: Diferenças Essenciais

Uma comparação lado a lado de filtros ativos e sistemas de filtros passivos revela rapidamente as principais distinções entre estes grupos de produtos. Os filtros passivos utilizam apenas elementos de circuito passivo (por exemplo, indutores e condensadores) para visar frequências harmónicas predeterminadas; portanto, os filtros passivos demonstram um baixo grau de adaptabilidade a condições em mudança. Em contraste, os filtros ativos de potência empregam tanto cálculos algorítmicos como eletrónica de potência para oferecer níveis de compensação dinamicamente ajustáveis numa gama de frequência de operação mais ampla. Devido à sua capacidade de fornecer compensação dinâmica, os filtros ativos são geralmente mais eficazes em aplicações onde o conteúdo harmónico varia tremendamente de tempos a tempos ou de um local para outro.

Aplicações Comuns de Filtros Ativos de Potência

Filtro Ativo de Potência (APF) encontram aplicação extensiva em várias indústrias, incluindo:

• Fábricas Para garantir a operação ininterrupta de maquinaria que depende fortemente de energia eletrónica.
• Centros de Dados: Em situações que exigem a obtenção de alta fiabilidade e alta eficiência, as Melhorias na Qualidade de Energia permitirão que o faça aos seus níveis mais elevados.
• Sistemas de Energia Renovável: Os harmónicos são frequentemente um problema com turbinas eólicas e painéis solares, mas o uso de bancos de condensadores ajuda a estabilizar a sua produção de energia.
• Sistemas de Tração Elétrica: Frequentemente utilizado nos setores de transportes para melhorar a qualidade da energia de tração.

Os APFs não se limitam a cumprir estas funções; auxiliam igualmente no cumprimento de muitas das rigorosas diretrizes e normas da indústria para regular a qualidade da energia, o que tem aumentado ainda mais a sua aceitação nas redes elétricas atuais.

O que um APF Mede e Injeta

Um filtro de potência ativa usa transformadores de corrente para observar a corrente da carga ou da fonte e um controlador para separar componentes indesejados da corrente fundamental necessária pela carga. Um conversor de fonte de tensão então injeta uma corrente controlada com conteúdo harmônico oposto. No ponto de medição selecionado, a corrente da fonte torna-se mais próxima da forma de onda de referência. Dependendo do projeto e das configurações, o mesmo conversor também pode fornecer compensação de corrente reativa e ajudar a equilibrar a corrente de fase, mas essas funções consomem capacidade de corrente e devem ser incluídas na dimensionamento.

A posição do CT define o que o controlador pode ver. Um CT instalado ao redor de apenas parte de um alimentador paralelo não pode corrigir a corrente que não mede. Polaridade invertida, mapeamento incorreto de fase, carga excessiva de secundário ou uma relação de CT incorreta podem causar resposta fraca, instabilidade ou um alarme. A comissão deve provar a sequência de fase e a polaridade com uma carga conhecida antes de habilitar a saída automática completa.

Como Dimensionar um Filtro de Potência Ativa

Não selecione um APF apenas pelo kVA do transformador ou pela potência do VFD conectado. Meça o espectro de corrente harmônica e a corrente RMS no ponto de correção pretendido durante estados operacionais representativos. Determine a corrente que deve ser removida para atender ao limite do projeto, adicione corrente reativa e desequilíbrio apenas se essas funções forem necessárias, e aplique margens de ambiente, altitude, gabinete e redundância. Verifique se o conversor possui largura de banda adequada para as ordens harmônicas relevantes e se sua entrada de CT, classificação de tensão, resistência a curto-circuito e comunicações correspondem ao local.

APF, Filtro Passivo ou Banco de Capacitores Desajustado?

Um APF é atraente onde as cargas variam, várias ordens harmónicas diferem ou a capacidade modular em etapas é valiosa. Um filtro passivo ajustado pode ser eficiente para um espectro previsível, mas deve ser estudado com a impedância da rede e os estados de comutação. Um banco de capacitores desajustado é principalmente uma solução de potência reativa projetada para evitar uma região de ressonância selecionada; não é automaticamente um filtro harmónico completo. Sistemas híbridos podem dividir a carga reativa constante e a carga harmónica dinâmica, mas os seus controladores e proteção devem estar coordenados.

Comissionamento e Aceitação

Registar formas de onda de tensão e corrente de referência, espectro, carregamento e estados de operação. Verificar transformadores de corrente, ventilação, proteção, bypass, alarmes e comunicações. Ativar a compensação gradualmente, observando a corrente do conversor e a tensão do barramento. A aceitação deve comparar medições antes e depois no ponto acordado, usando o mesmo intervalo de agregação e estado de produção. Investigar qualquer nova ressonância, sobreaquecimento, disparo por alarme ou interação com geradores, sistemas UPS, capacitores ou outros compensadores ativos.

FAQ: Perguntas Frequentes Sobre Filtros Ativos de Potência

Que tipos de filtros ativos de potência (APF) estão disponíveis?

Três tipos básicos de filtro ativo de potência (APF) incluem: (1) APF em paralelo – Um filtro ativo de potência em paralelo liga-se às cargas para mitigar harmónicos de corrente. (2) APF em série – Um filtro ativo de potência em série compensa a qualidade da tensão (ou seja, distorção ou perturbações de tensão) ao ser ligado em série com a rede de fornecimento. (3) APF híbrido – Um filtro ativo de potência híbrido é uma combinação de um filtro ativo de potência e um filtro passivo, o que melhora o desempenho e a eficiência total dos filtros em comparação com a utilização de qualquer um dos métodos isoladamente.

Os harmónicos são ondas de tensão ou corrente que ocorrem a frequências que são múltiplos inteiros da frequência fundamental do sistema de potência. Podem ser prejudiciais porque aumentam a corrente nos condutores, o que pode levar ao sobreaquecimento e causar dano a equipamentos. Também podem criar cargas desequilibradas nos transformadores e outros equipamentos elétricos.

Os harmónicos são frequências dentro de um sistema elétrico que não são necessárias; são múltiplos da frequência fundamental, como 50 Hz ou 60 Hz. Problemas de harmónicos podem resultar em sobreaquecimento, falhas de equipamentos elétricos, contas de energia aumentadas e maior desgaste em dispositivos elétricos. Os Filtros Ativos de Potência eliminam estes harmónicos indesejados do sistema, permitindo que o sistema funcione de forma suave e fiável.

Um Filtro Ativo de Potência (FAP) compensa o investimento?

Um APF vale frequentemente o investimento em qualquer ambiente industrial, centro de dados e/ou sensível a equipamentos eletrónicos. A longo prazo, os benefícios de um APF incluem a diminuição das perdas de energia e dos custos de manutenção, o aumento da vida útil do seu equipamento e uma maior eficiência geral do seu sistema, resultando em poupanças.

Posso instalar um filtro de potência ativa (APF) em minha casa?

Embora um filtro de potência ativa (APF) seja implementado comummente para solucionar problemas de qualidade de energia, como harmónicos de eletrodomésticos atuais e sistemas de energia renovável, os APFs podem ser usados em residências onde exista um problema de qualidade de energia devido a harmónicos da sua aplicação específica. No entanto, devido ao seu elevado custo, tendem a ser implementados com mais frequência em aplicações de maior dimensão.

Como selecionar o filtro de potência ativa (APF) correto para a minha aplicação?

Antes de selecionar um filtro ativo de potência (FAP), uma avaliação completa do seu sistema de energia deve ser realizada. Fatores a considerar incluem: distorção harmónica, tipo de carga, potência nominal da carga e o grau de compensação que necessita. Adicionalmente, trabalhar com um especialista ou fornecedor especializado em APF ajudará a garantir que obtém o melhor filtro de potência ativa (APF) possível para a sua aplicação.

Ao proporcionar maior eficiência energética, proteger componentes eletrónicos sensíveis contra danos e cumprir os padrões de qualidade de energia, os filtros ativos de potência representam um excelente investimento para qualquer empresa interessada em melhorar os seus sistemas elétricos.

Perguntas Frequentes Práticas

O que faz um filtro ativo de potência?

Mede as correntes harmónicas indesejadas e, opcionalmente, as correntes reativas ou desequilibradas, injetando depois uma corrente de compensação controlada.

Um filtro ativo de potência (APF) pode melhorar o fator de potência?

Muitos APFs podem fornecer corrente reativa, mas isso utiliza a capacidade do conversor e deve ser incluído nas configurações e dimensionamento do projeto.

Como é selecionada a corrente nominal do FAP?

Utilizar a corrente harmónica medida por ordem e caso de operação, depois incluir a carga reativa opcional, redução de capacidade, expansão e redundância.

Onde devem ser instalados os transformadores de corrente do APF?

Instalá-los na fronteira que o APF deve controlar, com a proporção correta, polaridade, mapeamento de fases e inclusão de todos os caminhos paralelos relevantes.

Um APF substitui um estudo harmónico?

Não. O estudo define o problema, o ponto de correção, a corrente necessária, as interações na rede e os limites de aceitação.