Motores de Indução Alimentados com Conversores de Frequência

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Variação da Velocidade de
Motores de Indução
n: velocidade mecânica de rotação (rpm)
f1: freqüência da tensão fundamental (Hz)
Pólos: número de pólos do motor
S: escorregamento
Método mais eficiente para controle de velocidade é a variação da freqüência da tensão de alimentação do motor → Conversores de Frequência
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As letras e símbolos têm os seguintes significados: 
V1 : tensão por fase aplicada a uma fase do enrolamento do estator.
E1 : tensão induzida pelo fluxo girante em uma fase do enrolamento do estator.
I1 : corrente do estator.
R1 : resistência ôhmica de uma fase do enrolamento do estator.
X1 : reatância de dispersão de uma fase do enrolamento do estator.
Rw : resistência equivalente às perdas magnéticas do estator, para uma fase.
Xm : reatância de magnetização.
I0 : corrente a vazio.
Iw : corrente que passa por Rw, que produz as perdas magnéticas do estator (não indicada na figura)
Im : corrente magnetizante que passa por Xm que produz o campo magnético(não indicada na figura)
R2 : resistência de uma fase do enrolamento do rotor, referida ao estator.
X2 : reatância de dispersão de uma fase do rotor, referida ao estator.
I2 : corrente do rotor, referida ao estator.
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Conceitos sobre Variação da Velocidade de Motores de Indução
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T: Torque ou conjugado desenvolvido pelo motor no seu eixo (Nm)
m: Amplitude do fluxo magnetizante (Wb)
I2: Corrente no rotor (A)
V: Tensão de alimentação do motor (V)
f: Frequência de alimentação do motor (Hz)
P: Potência mecânica disponível no eixo (kW)
k1, k2, kp e kmax: constantes que dependem do material e projeto do motor.
Conceitos sobre Variação da Velocidade de Motores de Indução
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Conceitos sobre Variação da Velocidade de Motores de Indução
(desprezando a queda de tensão na impedância do estator)
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Conceitos sobre Variação da Velocidade de Motores de Indução
(considerando a queda de tensão na impedância do estator)
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Conceitos sobre Variação da Velocidade de Motores de Indução
(compensando a queda de tensão na impedância do estator)
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Características dos Conversores de Freqüência PWM
 
Conversores estáticos indiretos de freqüência com tensão imposta PWM são atualmente os equipamentos mais empregados para a alimentação de motores de baixa tensão nas aplicações industriais que requerem variação de velocidade. 
Eles operam como uma interface entre a fonte de energia (rede) e o motor de indução.
O processo de obtenção da tensão e freqüência desejadas por meio de tais equipamentos passa por três estágios:
 Retificador em Ponte a Diodos: Converte a potência CA em CC
Monofásico
Trifásico
 Circuito Intermediário: Filtro ou Link DC
Indutor : alisamento e regulação da tensão retificada 
Capacitores: armazenamento de energia e manter a tensão constante na entrada do inversor
 Inversor a Transistores IGBT 
 Converte a potência CC em CA com tensão e freqüência variáveis.
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Inversor - detalhes da parte de potência
Motor
Inversor
Retificador
Circuito
Intermediário
(Link DC)
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Vantagens dos Conversores Estáticos de Freqüência
 Controle a distância – nos sistemas eletrônicos de variação de velocidade, o equipamento de controle pode situar-se em uma área conveniente, ficando apenas o motor acionado na área de processamento - ao contrário dos sistemas hidráulicos e mecânicos de variação de velocidade.
 Redução de custos – partidas diretas ocasionam picos de corrente, que
causam danos não apenas ao motor, mas também a outros equipamentos
ligados ao sistema elétrico. Conversores estáticos proporcionam partidas
mais suaves, reduzindo custos com manutenção.
 Aumento de produtividade – sistemas de processamento industrial
geralmente são sobredimensionados na perspectiva de um aumento futuro de produtividade. Conversores estáticos possibilitam o ajuste da velocidade de operação mais adequada ao processo, de acordo com os equipamentos disponíveis e a necessidade de produção a cada momento.
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Vantagens dos Conversores Estáticos de Freqüência
Eficiência energética – o rendimento global do sistema de potência depende não apenas do motor, mas também do controle. Os conversores estáticos de freqüência apresentam rendimento elevado, da ordem de 97% ou mais. Motores elétricos também apresentam alto rendimento, tipicamente de 70% em máquinas pequenas até 95% ou mais em máquinas maiores operando sob condições nominais. Na variação de velocidade, a potência fornecida pelo motor é variada de maneira otimizada, influenciando diretamente a potência consumida e conduzindo a elevados índices de rendimento do sistema (motor + conversor).
 Versatilidade – conversores estáticos de freqüência são adequados para
aplicações com qualquer tipo de carga. Com cargas de torque variável (pequena demanda de torque em baixas rotações), o controle reduz a tensão do motor compensando a queda de rendimento que normalmente resultaria da diminuição de carga. Com cargas de torque (ou potência) constante a melhoria de rendimento do sistema provém da capacidade de variar continuamente a velocidade, sem necessidade de utilizar múltiplos motores ou sistemas mecânicos de variação de velocidade (como polias e engrenagens), que introduzem perdas adicionais.
 Maior qualidade – o controle preciso de velocidade obtido com conversores resulta na otimização dos processos. O controle otimizado do processo proporciona um produto final de melhor qualidade.
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Controle de Velocidade na Prática
A relação tensão/freqüência (fluxo) é mantida constante ou otimizada
Logo: 
O conjugado se mantém constante para uma dada carga
A potência varia proporcionalmente à variação de rotação
A tensão mantém-se constante, a freqüência varia.
Logo, o fluxo se reduz com o aumento da freqüência
A corrente Ia tende a compensar a redução do fluxo, tentando manter C constante
O limite de corrente do inversor poderá ser atingido, causando o seu desligamento, ou o motor poderá se sobreaquecer
FAIXA DE OPERAÇÃO NOMINAL
ENFRAQUECIMENTO DE CAMPO
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Diagrama torque / rotação de um motor de gaiola
Cmn
Cmn = constante
Cn
1,0
2,0
2,5
0
0,2
0,4
0,6
0,8
zona fluxo cte
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
zona enfraq. campo
SN
w
wS
SN = constante
Cn = constante
>30%
O conjugado do acionamento se reduz na zona de enfraquecimento de campo
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Nk
 C , I
CN IN
Ck
CA
Ponto de
operação
Cn
NN
Ns
N
I
5 a 7
3
1
~1,5
0
Motor de gaiola - curvas características
2
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AMPS
TORQUE
400
300
200
100
0
0	 1680 1720 1760 1800
% do torque a plena carga
% da corrente a plena carga
RPM
Sobrecarga conjugado / Corrente
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Modos de controle
Basicamente existem dois tipos de controle dos conversores eletrônicos: 
Controle Escalar 
O conversor de freqüência impõe no motor uma determinada tensão/freqüência, visando manter a relação V/f constante, ou seja, o motor trabalha com fluxo aproximadamente constante. Controla-se apenas os valores da freqüência e as amplitudes das grandezas como tensão e fluxo magnético.
 É aplicado quando não há necessidade de respostas rápidas a comandos de torque e velocidade e é particularmente interessante quando há conexão de múltiplos motores a um único conversor. 
O controle é realizado em malha aberta e a precisão da velocidade é função do escorregamento do motor, que varia em função da carga, já que a freqüência no estator é imposta. Para o torque da carga variando de 0% a 100%, a precisão de velocidade varia de 3% a 5% e a faixa de variação da velocidade é de 1:10 (6Hz a 60Hz). Para melhorar o desempenho do motor nas baixas velocidades, alguns conversores possuem funções especiais como a compensação de escorregamento (que atenua a variação da velocidade em função da carga) e o boost de tensão
(aumento da relação V/f para compensar o efeito da queda de tensão na resistência estatórica), de maneira que a capacidade de torque do motor seja mantida. O controle escalar é muito utilizado devido à sua simplicidade e devido ao fato de que a grande maioria das aplicações não requer alta precisão e/ou rapidez no controle da velocidade.
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Controle Vetorial
O controle vetorial possibilita atingir um elevado grau de precisão e rapidez no
controle do torque e da velocidade do motor. 
O controle decompõe a corrente do motor em dois vetores: um que produz o fluxo magnetizante e outro que produz torque, regulando separadamente o torque e o fluxo. Este controle é realizado a partir dos vetores representativos das grandezas elétricas instantâneas e as equações espaciais dinâmicas da máquina (motor). As grandezas elétricas são referidas ao fluxo enlaçado pelo rotor, permitindo que o controle veja o motor CA como um motor CC com excitação separada possibilitando a regulação independente de fluxo e torque.
O controle vetorial pode ser realizado em malha aberta (“sensorless”) ou em malha fechada (com realimentação).
· Com sensor de velocidade – requer a instalação de um sensor de velocidade (por exemplo, um encoder incremental) no motor. Este tipo de controle permite a maior precisão possível no controle da velocidade e do torque, inclusive em rotação zero.
· Sensorless – mais simples que o controle com sensor, porém, apresenta limitações de torque principalmente em baixíssimas rotações.
 Em velocidades maiores é praticamente tão bom quanto o controle vetorial com
realimentação.
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As principais diferenças entre os dois tipos de controle são:
 Controle escalar só considera as amplitudes das grandezas elétricas instantâneas (fluxos, correntes e tensões), referindo-as ao estator, e seu equacionamento baseia-se no circuito equivalente do motor, ou seja, são equações de regime permanente. 
 Controle vetorial admite a representação das grandezas elétricas instantâneas por vetores, baseando-se nas equações espaciais dinâmicas da máquina, com as grandezas referidas ao fluxo enlaçado pelo rotor, ou seja, o motor CA de indução é visto pelo controle vetorial como um motor de corrente contínua, havendo regulação independente para torque e fluxo.
Possibilita:
 elevada precisão de regulação de velocidade (0,01%)
 alto desempenho dinâmico
 controle de torque linear para aplicações de posição ou tração
 operação suave em baixa velocidade e sem oscilações de torque, mesmo com variação de carga. 
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Controle Escalar ou Vetorial ?
Controle escalar
significa que o inversor de freqüência controla o torque e a rotação do motor de acordo com uma relação conhecida entre a tensão de saída e a freqüência de saída. 
Esta relação é função do tipo de carga que está sendo acionada (característica de torque constante significa tensão proporcional à freqüência; torque quadrático, tensão varia com o quadrado da freqüência).
Um sistema de compensação de escorregamento corrige a rotação do motor diante de variações de carga, mantendo-a constante.
Controle vetorial
o inversor de freqüência decompõe a corrente do motor em duas parcelas (dois vetores): a primeira, responsável pela geração do campo magnético rotativo; a segunda, responsável pela geração de torque no rotor.
O inversor passa a controlar estas duas parcelas separadamente, o que garante uma resposta dinâmica e um desempenho comparados a um acionamento CC.
O controle por campo orientado pode ser realizado sem realimentação de velocidade (para faixa de controle de rotação < 1:10), ou com realimentação por tacogerador (controle de rotação > 1:10)
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Quando Especificar um Controle Vetorial ?
Aplicações onde as características DINÂMICA, PRECISÃO e DESEMPENHO são necessárias para um correto funcionamento do sistema
Aplicações que exijam partidas pesadas do motor e funcionamento em baixa rotação durante longos períodos mantendo a precisão;
Aplicações cujas cargas operem em regime intermitente com constantes partidas, frenagens e reversões de sentido de rotação;
Aplicações onde existem variações bruscas de carga, e se exija precisão de rotação;
Aplicações que por razões tecnológicas a grandeza de controle seja o torque, e não a rotação.
em resumo,
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Aplicações para inversores de freqüência
Podem ser divididos em 4 grandes grupos:
- CENTRIFUGAÇÃO (bombas e ventiladores) - O inversor de freqüência é 
		utilizado para controlar a vazão, o fluxo ou a pressão de sistemas 
		líquidos e gasosos através do controle de velocidade.
- TRANSPORTE HORIZONTAL - O inversor é utilizado para controlar a velocidade 
		de esteiras e correias transportadoras e a translação de pontes
		rolantes.
- TRANSPORTE VERTICAL E IÇAMENTO - P/ controlar a velocidade de elevadores,
		guinchos, talhas, etc ... 
- ACIONAMENTO DE MÁQUINAS - Incluem-se as serras, moinhos, bobinadeiras e
		as mais diversas aplicações encontradas na indústria.
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Critérios para dimensionamento de inversores de freqüência
CL=cte
CL~N
CL~N2
CL~1/N
1. Característica de carga acionada
Conjugado constante
Conjugado linear
Conjugado hiperbólico
Conjugado quadrático
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C
(N.m)
N (rpm)
C
(N.m)
N (rpm)
C = const
(P.ex.: Correias transportadoras,
bombas de pistão, Elevadores e
Guindastes)
C ~ N
(P.ex.: Transportador de fuso,
Calandras, Secadores à rolo)
Tipos característicos de conjugado de carga
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C
(N.m)
N (rpm)
C
(N.m)
N (rpm)
C ~ N 2
(P.ex.: Bombas centrífugas,
Ventiladores, Centrífugas e
Misturadores)
C ~ 1 / N
(P.ex.: Moinho de bolas, 
Britadores e Bobinadeiras)
Tipos característicos de conjugado de carga
Válvula
Aberta
Válvula
Fechada
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t
t
t
t
Modulação de Largura de Pulsos Senoidal- PWM Senoidal
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Interação entre Rede e Conversor
1. Harmônicas
O sistema (motor + conversor de freqüência) é visto pela fonte de alimentação como uma carga não linear, cuja corrente possui harmônicas (componentes de freqüências múltiplas da freqüência da rede). 
Harmônicas geradas pelo retificador no lado da rede CA: 
h: ordem da componente harmônica
p: número de pulsos do retificador (normalmente: 2, 6, 12 pulsos)
n: 1, 2, 3
 
 Retificador trifásico de onda completa 
 6 diodos e 6 pulsos
harmônicas geradas são a 5a e a 7a , cujas amplitudes podem variar de 10% a 40% da fundamental dependendo da impedância de rede. 
12 diodos e 12 pulsos (12 diodos)
harmônicas mais expressivas são a 11ª e a 13ª. As harmônicas superiores geralmente possuem menor amplitude e são mais fáceis de filtrar. 
 Retificador monofásico de onda completa
4 diodos e 2 pulsos
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THD: Total Harmonic Distortion (Distorção Harmônica Total ou Fator de Distorção – FD)
A1: Valor eficaz da componente fundamental ou 1ª. harmônica.
Ah: Valores eficazes das componentes harmônicas de ordem h superior à fundamental
h: Ordem da harmônica
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2. Reatância de rede e Indutor no link DC
As correntes harmônicas, que circulam pelas impedâncias da rede de alimentação dependem dos valores das impedâncias presentes no circuito de entrada/saída do retificador.
Provocam quedas de tensão harmônicas, distorcendo a tensão de alimentação do próprio conversor ou de outros equipamentos ligados à rede. 
Podem causar um baixo fator de potência
Aumenta as perdas elétricas nas instalações com sobreaquecimento de componentes tais como cabos, transformadores, motores, bancos de capacitores, etc.
Formas para reduzir o conteúdo harmônico da corrente e melhorar (aumentar) o fator de potência:
 Instalar uma indutância no link DC do conversor. 
O indutor no link DC tem a vantagem de não introduzir queda de tensão, porém, dependendo da combinação do seu valor com os valores de impedância da rede e capacitância do link DC, pode resultar em ressonâncias indesejadas
com o sistema. 
 Instalar reatância de rede
Diminui a tensão média do circuito intermediário (comparada àquela obtida sem reatância), mas é mais eficaz na redução de eventuais transientes de sobretensão da rede, além de reduzir a corrente eficaz nos diodos do retificador e o ripple de corrente nos capacitores do circuito intermediário, aumentando a vida útil dos semicondutores e do banco de capacitores constituintes do link DC.
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(*) A queda de tensão na reatância de rede deve ser estimada em 1% a 4%, considerando a corrente nominal do conversor.
L: valor da indutância da reatância da rede, por fase
ΔV%: Queda de tensão percentual admitida no indutor (*)
Vrede: Tensão nominal da rede de alimentação
frede: Frequência da rede de alimentação
Inom: Corrente nominal do conversor
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Interação entre conversor e motor
Harmônicas afetam o desempenho do motor
Dependendo da modulação PWM empregada, da freqüência de chaveamento e de outras particularidades do controle, o motor poderá apresentar:
 aumento de perdas
 aumento da temperatura, 
 redução do rendimento
 “stress” do sistema de isolamento e correntes pelos mancais 
 aumento dos níveis de vibração e ruído
 
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Considerações em relação as Perdas no motor e Rendimento 
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Considerações em relação as Perdas no motor e Rendimento 
· O motor de indução, quando alimentado por um conversor de freqüência
PWM, tem seu rendimento diminuído, em relação a um motor alimentado
por tensão puramente senoidal, devido ao aumento nas perdas ocasionado
pelas harmônicas;
· Em aplicações de motores de indução de gaiola com conversores de
freqüência deve ser avaliado o rendimento do sistema (conjunto
conversor + motor) e não apenas do motor;
· Cada caso deve ser analisado. Devem ser consideradas as características
do conversor e do motor, tais como: freqüência de operação, freqüência de
chaveamento, condição de carga e potência do motor, taxa de distorção
harmônica do conversor;
· A instrumentação utilizada nas medições é de extrema importância. Devem
ser utilizados instrumentos que meçam o valor eficaz verdadeiro (true RMS)
das grandezas elétricas, de modo que seja possível a leitura dos valores
corretos de potência absorvida na entrada e na saída do conversor;
· O aumento da freqüência de chaveamento diminui o rendimento do
conversor e aumenta o rendimento do motor.
· Motores de alto rendimento alimentados por conversores de freqüência
mantêm seu rendimento superior, em comparação com motores Standard
alimentados por conversores.
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HVF: Harmonic Voltage Factor (Fator Harmônico de Tensão)
h: Ordem da harmônica ímpar, exceto as divisíveis por 3
Vh: Amplitude da harmônica de tensão, em p.u.
DFH: Fator de Redução do Torque (“derating factor”) nominal do motor a fim de manter a sua temperatura dentro do limite da classe térmica, evitando sobeaquecimento.
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Expressão do rendimento do motor alimentado pelo conversor de freqüência em função do seu rendimento normal e do fator de desclassificação, para a manutenção das condições de temperatura do motor dentro dos limites de sua classe de temperatura. 
ηCF: Rendimento do motor quando alimentado pelo conversor de freqüência
η: rendimento do motor quando alimentado pela fonte de tensão senoidal (sem conteúdo harmônico)
DFH: Fator de redução do torque em função do conteúdo harmônico
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Influência do conversor na elevação de temperatura do motor
Sobrelevação de temperatura é decorrente do aumento das perdas do motor, em função das componentes de alta freqüência do sinal PWM, 
Sobrelevação de temperatura em decorrência da redução transferência de calor em baixas velocidades.
Soluções para evitar o sobreaquecimento do motor:
· Redução do torque nominal (sobredimensionamento do motor);
· Utilização de sistema de ventilação independente;
· Utilização do “fluxo ótimo” (solução exclusiva patenteada pela WEG).
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Influência do conversor no sistema isolante do motor
Dependendo das características de controle e da modulação PWM adotada,
quando esses conversores são utilizados em conjunto com um motor de indução de gaiola, os pulsos, em combinação com as impedâncias do cabo e do motor, podem gerar, de maneira repetitiva, sobre tensões nos terminais do motor. 
Os overshoots afetam especialmente o isolamento entre espiras de enrolamentos (da mesma fase ou de fases diferentes) e seu valor é determinado, basicamente, pelos seguintes fatores: 
“rise time” do pulso de tensão,
comprimento do cabo, 
freqüência de chaveamento 
mínimo tempo entre pulsos, 
uso de motores múltiplos.
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Rise time” do pulso de tensão
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Influência do comprimento do cabo 
Motor: Vnom = 400V
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Influência da freqüência de chaveamento 
Afeta diretamente o rise time e o mínimo tempo entre pulsos
Consecutivos.
Esta comprovado, através de experiências , que :
para freqüências de chaveamento ≤5 kHz , a probabilidade de falha
do isolamento é diretamente proporcional à freqüência de chaveamento
para freqüências de chaveamento > 5 kHz, a probabilidade de falha do
isolamento é diretamente proporcional ao quadrado da freqüência de chaveamento.
 o aumento da freqüência de chaveamento pode também ocasionar danos aos rolamentos. 
o aumento da freqüência de chaveamento melhora a série de Fourier da tensão injetada no motor, tendendo, dessa forma, a melhorar o
desempenho do motor em termos de temperatura e ruído.
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Tensão de Modo Comum
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FP:	Fator de Potência (se existir distorção harmônica de corrente)
THDi:	Distorção harmônica total de corrente
 	Fator de deslocamento.
É a defasagem entre a tensão e a corrente de harmônicas de mesma ordem. 
Na entrada do conversor, é a defasagem entre as componentes fundamentais da tensão (V1 ef) e da corrente (I1 ef).
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I1ef: Valor eficaz da componente fundamental
Ihef: Valor eficaz da componente harmônica de ordem h
FP: Fator de Potência (se existir distorção harmônica de tensão e de corrente)
THDi: Distorção harmônica total de corrente
THDv: Distorção harmônica total de tensão
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Anotações:
Anotações:
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