Qualidade de energia

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QUALIDADE DE ENERGIA
O Termo “Qualidade da Energia Elétrica” está relacionado com qualquer desvio que possa ocorrer na magnitude, forma de onda ou frequência da tensão e/ou corrente elétrica. Esta designação também se aplica às interrupções de natureza permanente ou transitória que afetam o desempenho da transmissão, distribuição e utilização da energia elétrica.
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A qualidade da energia elétrica tem várias definições para descrever o mesmo conjunto de fenômenos que afetam a amplitude e a forma de onda da tensão e corrente. Uma definição é a frequência e severidade dos desvios na amplitude e forma de onda da tensão e da corrente. Outra definição diz que é qualquer problema na tensão, na corrente ou desvio na frequência que resulte em falha ou prejudique a operação dos equipamentos. Uma terceira definição afirma que um sistema elétrico com excelente qualidade da energia elétrica é caracterizado pelo fornecimento de energia em tensão com forma de onda senoidal pura, sem alterações em amplitude e frequência, como se emanasse de uma fonte de potência infinita. Quando se afirma que uma instalação elétrica tem qualidade de energia pobre, significa que a onda da tensão e/ou a onda da corrente elétrica têm suficientes desvios das normas a ponto de prejudicar o funcionamento ou levar à falha de equipamentos. 
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Quando uma instalação elétrica tem boa qualidade de energia, significa que o nível dos desvios das normas é baixo e, portanto, os equipamentos funcionam sem problemas. Uma vez que a sensibilidade varia de um tipo de equipamento para outro, o que pode ser considerado qualidade de energia baixa para um equipamento pode ser aceitável para outro equipamento. Ainda assim, a confiabilidade do sistema de produção é afetada se os desvios em relação aos indicadores das regulamentações não são seguidos. 
Outro aspecto importante da qualidade da energia elétrica é o seu efeito na eficiência energética. Permitir que o sistema elétrico tenha um alto conteúdo harmônico caracteriza baixa qualidade da energia e provoca perdas adicionais na distribuição dessa energia. A circulação de harmônicos provoca perdas por efeito Joule nos condutores, transformadores e outros equipamentos.
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Parece paradoxal, mas a ênfase no aumento da eficiência energética conduziu ao uso intensivo da eletrônica de potência e isso aumentou a quantidade de harmônicos injetados na rede elétrica. Por exemplo, o uso das fontes chaveadas em substituição às antigas fontes lineares melhorou o rendimento dos equipamentos, mas introduziu a injeção de harmônicos no sistema elétrico. Sempre é possível melhorar as topologias adotadas nos equipamentos que utilizam a eletrônica de potência e, assim, reduzir sensivelmente a geração de harmônicos. Outra solução é a utilização de filtros. Atualmente, os equipamentos utilizam mais eletrônica embarcada e, por isso, estão mais sensíveis às variações nos parâmetros da rede elétrica. Esses parâmetros podem ser os níveis de distorção da onda ou a variação da amplitude da mesma. Um sistema elétrico que não entrega uma amplitude de tensão adequada pode provocar o mau funcionamento de um equipamento e até mesmo a sua falha. 
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Um nível de tensão inadequado também caracteriza baixa qualidade da energia, além de poder provocar maiores perdas no sistema elétrico.
As agências reguladoras de energia elétrica são as responsáveis por definir os indicadores que determinam se o sistema elétrico está funcionando dentro do que é considerado satisfatório em termos de qualidade da energia. A preocupação dos órgãos reguladores é a qualidade do produto, ou seja, da forma de onda, da sua amplitude ou distorção e, também, com a qualidade do serviço, ou seja, o número de interrupções de energia e sua duração.
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Na Marinha do Brasil o órgão responsável por normatizar e garantir a qualidade de energia a bordo dos navios é a DEN.
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Não apenas a concessionária é responsável pela qualidade da energia, também o usuário pode poluir o sistema elétrico com a injeção de harmônicos de corrente. Cargas não lineares, como conversores de frequência para acionamento de motores, UPS, computadores, entre outras cargas, geram correntes distorcidas que podem promover a distorção da onda de tensão, espraiando o problema da qualidade para toda a instalação. Um baixo fator de potência também caracteriza uma pobre qualidade da energia da instalação, pois a circulação de uma potência reativa causa perdas por efeito Joule nos condutores e transformadores. Também, a potência reativa ocupa espaço da seção do condutor reduzindo a capacidade de transferir potência ativa.
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Valor Médio
O valor médio de um sinal periódico representa uma grandeza contínua que tem a mesma área sob a curva que a onda periódica, no mesmo intervalo T. Graficamente, o valor médio pode ser representado como “área sob a curva, no intervalo T, dividido pelo período T”.
O período T é o intervalo de tempo de repetição da onda periódica. T=1/f onde f é a frequência. 
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Valor RMS ou eficaz
Valor eficaz de uma corrente periódica é a corrente CC que libera a mesma potência média para um resistor que a corrente periódica.
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cos2A=1/2+1/2cos2A 
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Valor Eficaz
Consideremos uma corrente variante no tempo i(t). O seu valor eficaz é igual ao valor da corrente contínua que, atravessando um resistor com resistência R, dissipe a mesma potência média devido à i(t).
Vejamos um exemplo: Seja uma corrente i(t) periódica, como mostrado abaixo.
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Consideremos que essa corrente percorra um resistor de resistência R. A potência média dissipada no mesmo é
 
Portanto, o resistor dissipa, em média, P = 3R watts.
Vamos supor, agora, que esse mesmo resistor seja percorrido por uma corrente contínua de valor Ief . Esse valor será o valor eficaz da corrente i(t) se a potência dissipada no resistor devido à Ief for igual à P = 3R.
Para o caso de corrente contínua, a potência (média) é R Ief2 . Portanto, encontramos o valor eficaz de i(t) fazendo
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Geração dentro de uma qualidade de energia
No desenvolvimento de projetos de navios, a definição do sistema de geração ocorre durante as fases iniciais do projeto, quando a grande maioria dos utilizadores ainda não foram adquiridos.
O adequado funcionamento dos diversos equipamentos elétricos existentes a bordo de navios da MB exige que as tolerâncias associadas aos diversos parâmetros que caracterizam a qualidade de energia elétrica que irão consumir sejam bem definidas. Esta necessidade originou a ENGENALMARINST No 30-08, a qual irá permitir compatibilizar a qualidade de energia gerada nas embarcações com as exigências dos diferentes utilizadores a serem instalados.
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Descrição dos sistemas de energia de bordo
O sistema principal de distribuição em 60Hz fornece, aos utilizadores, energia do Tipo I, cujas características estão indicadas na tabela a seguir.
Os sistemas principais de iluminação são alimentados, através de transformadores, pelo sistema principal de distribuição, fornecendo energia em 115V, 60Hz, trifásico, não aterrado.
O sistema de distribuição em 400Hz pode fornecer energia dos tipos II e III, cujas características estão indicadas nas tabelas a seguir. O projeto deste sistema deve considerar preferencialmente a energia tipo II, no entanto se características mais rigorosas forem obrigatórias, poderá ser fornecida a energia do tipo III.
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ENERGIA TIPO I
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Nota A - Exceto sob condições de transiente ou falta, as maiores variações em relação à Vnom, devidas aos efeitos combinados de (b.1), (c) e (d), não devem exceder +/-6% para a média das tensões de linha e +/-8% para qualquer tensão de linha isoladamente.
Nota B – Exceto sob condições de falta, as maiores excursões devidas aos efeitos combinados dos transientes em (b.1), (c) e (d) acima não devem exceder +/-20% para a média das tensões de linha e +/- 22% para qualquertensão de linha isoladamente. Excursões dessa magnitude só poderão ocorrer com pouca freqüência (não mais que 10 vezes num período de 24h).
Nota C – Exceto sob condições de falta, a maior variação em relação aos 60Hz, resultante da combinação de (m), (n) e (o) acima, não deve exceder 5,5%.
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ENERGIA TIPO II
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Nota A - Exceto sob condições de transiente ou falta, as maiores variações em relação à Vnom, devidas aos efeitos combinados de (b.1), (c) e (d), não devem exceder +/-6% para a média das tensões de linha e +/-8% para qualquer tensão de linha isoladamente.
Nota B – Exceto sob condições de falta, as maiores excursões devidas aos efeitos combinados dos transientes em (b.1), (c) e (d) acima, não devem exceder +/-20% para a média das tensões de linha e +/- 22% para qualquer tensão de linha isoladamente. Excursões dessa magnitude só poderão ocorrer com pouca freqüência (não mais que 10 vezes num período de 24h).
Nota C – Exceto sob condições de falta, a maior variação em relação aos 400Hz, resultante da combinação de (m), (n) e (o) acima, não deve exceder 6,5%
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ENERGIA TIPO III
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TENSÃO
Tensão Nominal do Utilizador - É a tensão especificada nos terminais de entrada do utilizador.
Tolerância de Tensão no Regime Estacionário - É a máxima variação permitida, em relação à tensão nominal do utilizador, durante operação normal, excluindo-se as variações transitórias e cíclicas. Nessa tolerância estão incluídas as variações causadas por alterações de carga, influências externas (temperatura, umidade, vibração, inclinação) e erros de instrumentos.(ver figura que se segue).
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Desequilíbrio de Tensão - É a diferença entre a maior e a menor tensão de linha, expressa em percentagem da tensão nominal do utilizador.
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Modulação de Tensão - É a variação periódica de tensão permitida no utilizador. Para fins de definição, a periodicidade da modulação de tensão é considerada maior do que um ciclo e menor do que 10 segundos. A modulação de tensão é definida pela seguinte equação:
É a cíclica variação da amplitude de tensão, causada pela oscilação do regulador ou pela cíclica variação da carga.
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Tolerância de tensão em regime transitório - É uma súbita variação da tensão, que ultrapassa os limites toleráveis de tensão no utilizador, retornando a estes limites, e mantendo-se dentro deles, em um determinado tempo (tempo de estabilização), contado a partir do início da perturbação. Os valores da tolerância de tensão em regime transitório somam-se aos valores de tolerância de tensão no estado estacionário.
Tempos de estabilização de tensão - é o intervalo de tempo decorrido entre o início da perturbação e o retorno e permanência da tensão nos limites toleráveis da variação de tensão no utilizador.
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Transitório de tensão de curta duração (“spikes”) - é uma variação de tensão de curta duração, menor que 1 ms. A Figura abaixo apresenta uma frente de onda padrão para fins de definição e teste de impulso.
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Forma de onda da tensão
Distorção harmônica total - é a relação entre o valor eficaz do remanescente da onda de tensão, após a eliminação do harmônico fundamental, e o valor eficaz do harmônico fundamental expresso em percentagem.
Harmônico individual - é a relação entre o valor eficaz deste harmônico e o valor eficaz do harmônico fundamental, expresso em percentagem.
Fator de desvio - o fator de desvio de uma onda de tensão é a relação entre a máxima diferença existente entre as ordenadas correspondentes da onda de tensão e a de uma onda senoidal equivalente de mesma frequência e a ordenada máxima da onda senoidal equivalente, quando estas ondas são superpostas de tal modo que se faça a diferença máxima tão pequena quanto possível. É representada pela seguinte equação:
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Fator de desvio (%) = 		Desvio máximo 
				Ordenada máxima da onda senoidal equivalente
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FREQUÊNCIA
Freqüência nominal - É a freqüência especificada para os terminais de entrada do utilizador, designada em Hz.
Tolerância de freqüência em regime estacionário - é a máxima variação em relação à freqüência nominal, permitida durante operação normal, excluindo-se as variações transitórias e cíclicas. Nesta tolerância, incluem-se as variações resultantes de alterações de cargas, influências externas (temperatura, umidade, vibração, inclinação) e erros de instrumentos (ver Figura abaixo).
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Modulação da freqüência - é a variação periódica permitida na freqüência durante operação normal. Para fins de definição, a periodicidade da modulação da freqüência será considerada como não excedendo a 10 segundos. A modulação de freqüência é definida da seguinte forma:
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Tolerância de freqüência em regime transitório - É uma súbita variação na freqüência que ultrapassa os limites toleráveis no utilizador, retornando a estes limites, e mantendo-se dentro deles,em um determinado tempo (tempo de estabilização) contado a partir do início de perturbação. Os valores da tolerância da freqüência em regime transitório somam-se aos valores da tolerância de freqüência no utilizador.
Tempo de estabilização de freqüência - É o intervalo de tempo decorrido entre o início da perturbação e o retorno e permanência da freqüência nos limites toleráveis da variação de freqüência no utilizador.
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Desequilíbrio de carga (cargas trifásicas) - é definido como a relação entre a máxima diferença existente entre as potências de quaisquer duas fases e a potência trifásica total em kVA. É representado da seguinte forma:
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PROCEDIMENTOS PARA CORRENTE CONTÍNUA
A energia em corrente contínua é normalmente obtida através da retificação da energia fornecida pelo sistema principal de distribuição em 60 hertz, trifásico, de onde se obtém a tensão nominal de utilização em 24 volts. As características desta energia são apresentadas na tabela a seguir.
Em condições de emergência e/ou condições anormais de operação, os utilizadores de corrente contínua poderão ser alimentados através de grupos de baterias de 24 volts, normalmente mantidas em flutuação na saída de retificadores.
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Características de alimentação nos terminais dos utilizadores de corrente contínua.
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Tensão de ondulação (ripple) - é a medida que dá o grau da ondulação ou falta de alisamento da onda de tensão ou corrente sobre a carga. 
Fator de ripple = Vrms 
		 		Vmed
Obs: Valor eficaz somente da componente alternada
A maioria dos circuitos eletrônicos (celulares, videogames, rádios, TV,etc) necessita para o seu bom funcionamento que sejam alimentados com tensão continua (CC), e como a tensão disponível nas tomadas é alternada (CA), será necessário converter essa tensão CA em tensão CC. A fonte de alimentação CC completa consiste de um conversor CA/CC. Esses conversores são constituídos basicamente de transformador (abaixador ou elevador), filtro e regulador. A figura mostra os blocos constituintes de um conversor CA/CC.
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Teoricamente a tensão na saída deve ser perfeitamente contínua, mas na prática existe uma ondulação ou ripple. Uma medida da eficiência desses circuitos é dada pelo fator de ripple.
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Ondulação ou Ripple é o componente de corrente alternada (Vca) que se sobrepõe ao valor médio da tensão de uma fonte de corrente contínua (Vcc). A origem da ondulação normalmente está associada à utilização de carregadores baseados em retificadores.
Tipicamente a tensão de ondulação ou de ripple na é um valor residual e periódico obtido de uma fonte de tensão que, por sua vez, é alimentada por uma corrente alternada. Este ripple é derivado da incompleta supressão da onda alternada no interior da fonte de tensão.
Tensão de ondulação = Vmáx - Vmín
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Para exemplificar consideremos a forma de onda da figura abaixo que é uma tensão contínua de 8V na qual foi adicionada uma tensãosenoidal de 1V de pico. A expressão da tensão em função do tempo é dada por:
v(t)=8+1.sen(ω.t)
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Para a forma de onda da figura o ripple tem 1V de pico e 0,707V de valor eficaz como a tensão média (contínua) vale 8V o fator de ripple vale:
A tensão de ondulação ou tensão de Ripple nesse caso é de 2V.
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HARMÔNICAS
Atualmente o sistema elétrico vem experimentando um aumento da sua capacidade de geração, transmissão e distribuição. Aliado à isso, vem ocorrendo uma ampliação do número de cargas não lineares, em todos os níveis de fornecimento. A utilização dessas cargas constitui-se numa das maiores preocupações tanto das concessionárias quanto dos consumidores, como também é motivo de constantes problemas para o sistema elétrico como um todo e seus usuários. 
Tais cargas conhecidas como “ Não-lineares “ ou “ Cargas Elétricas Especiais “ provocam distorções de tensão e/ou corrente nas redes elétricas, comprometendo em boa parte dos casos, o perfeito funcionamento do sistema e seus equipamentos. 
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Cerca de 80 anos atrás, surgiu o conversor estático de potência, ou retificador, que passou a ter aplicações industriais imediatas por ser mais eficiente do que os tradicionais conversores constituídos por grupos motor-gerador e por exigir menores cuidados de manutenção. 
A partir de 1965, com a introdução de conversores de potência a semicondutores, de baixo custo e alta eficiência, o uso destes equipamentos passou a ser difundido no setor industrial. Todavia, o grande impulso na utilização destes equipamentos se deu a partir de 1970, com o aparecimento do Tiristor, que substituindo as tradicionais válvulas à mercúrio e os diodos, proporcionou o aparecimento dos conversores controlados de tamanho reduzido. 
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Nos últimos 15 anos, os equipamentos domésticos tem se modificado, sendo possível afirmar que os sistemas de distribuição apresentam atualmente uma significativa responsabilidade sobre a quantidade de harmônicos injetados no sistema. Dentre as principais cargas a nível de distribuição temos os motores de velocidade variável (ASD), atenuadores de luminosidade ( Dimmer’s ), fornos de micro-ondas , aparelhos de televisão, aparelhos eletrônicos, carregadores de bateria. Todas essas cargas especiais à nível de distribuição tem crescido em larga escala nos últimos anos.
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O que agrupa cargas como conversores e compensadores estáticos, fornos à arco, laminadores, bem como os modernos eletrodomésticos em um único grupo denominado cargas especiais é a sua característica não – linear de corrente em relação a tensão de alimentação. Essa não linearidade provoca de um modo geral, distorção nas formas de onda de tensão dos sistemas CA, que, em condições normais seriam totalmente senoidais. 
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Dentro dos objetivos a serem alcançados por uma concessionária de energia, destaca-se a qualidade de fornecimento de energia aos consumidores industriais. Em condições ideais esta energia deve ser fornecida com uma tensão puramente senoidal, com frequência e amplitude constantes. Entretanto, constata-se na prática desvios significativos daquilo que seria o ideal. Estas distorções do padrão de tensão tem sido registradas durante todos os anos de uso da corrente alternada e têm sido atribuídas as diversos componentes elétricos com características não-lineares comumente conectados a toda e qualquer rede elétrica. 
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A distorção de tensão e corrente é analisada matematicamente através dos estudos das ondas não senoidais periódicas. Nestas condições, sabe-se que qualquer onda que possua em seu conteúdo distorções ou frequências com amplitude diferente da fundamental, pode ser decomposta de acordo com a série de Fourier , em uma componente de mesma frequência que a da onda resultante distorcida que é chamada de “Onda Fundamental ”, e em outras ondas senoidais de frequências múltiplas da fundamental, que, como em acústica, receberam a denominação de “HARMÔNICAS”. 
A ferramenta matemática utilizada na identificação dessas harmônicas é denominada de FFT ( Fast Fourier Transformer ) 
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Fazendo-se pois, o uso desta técnica para análise, a mesma apresentou-se como vantajosa para aplicações em sistemas lineares, onde cada componente harmônica pode ser considerada separadamente e a distorção final determinada pela superposição das várias componentes constituintes do sinal distorcido. 
A FFT é a técnica mais comumente usada e encontrada e empregada na grande maioria dos medidores e analisadores de energia disponíveis comercialmente. Visando entender melhor a decomposição de uma forma de onda distorcida, em função da existência de cargas não – lineares no sistema, apresenta-se a seguir na figura a decomposição por Fourier de uma forma de onda distorcida. 
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Em um barramento onde várias cargas estão conectadas, conhecendo-se a amplitude e a fase de cada harmônica, é possível determinar qual é a carga geradora daquela distorção no ponto em questão.
A presença de harmônicas no sistema de potência deve ser vista como indesejável, pois propicia gastos financeiros desnecessários para concessionárias e usuários. Se por um lado a empresa perde pela parada de produção, a concessionária perde no faturamento. Os harmônicos ainda de maneira geral, são responsáveis por perdas ôhmicas, por solicitações anormais de isolamento e pela má operação de equipamentos. 
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HARMÔNICAS
A presença de harmônicas é sinônimo de uma onda de tensão ou de Corrente deformada.
A deformação da onda de tensão ou de corrente significa que a distribuição de energia elétrica é perturbada e que a Qualidade de Energia não é ótima".
O Teorema de Fourier indica que toda função periódica não senoidal pode ser representada sob a forma de uma soma de expressões (série) que é composta:
-de uma expressão senoidal em freqüência fundamental;
-de expressões senoidais cujas freqüências são múltiplos inteiros da fundamental (harmônicas);
-e de uma eventual componente contínua.
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Exemplo de correntes comportando harmônicas, e decomposição da corrente global em seus componentes harmônicos de ordem 1 (fundamental), 3, 5, 7 e 9.
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"As correntes harmônicas são geradas pelas cargas não-lineares conectadas a rede. A circulação das correntes harmônicas geram tensões harmônicas através das impedâncias da rede, e então uma deformação da tensão de alimentação".
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Cargas geradoras de harmônicas
Essas cargas não-lineares absorvem uma corrente com um tipo de onda diferente da tensão da fonte, e sobrepõem-se a onda fundamental produzindo uma onda distorcida e nociva ao sistema elétrico como ilustra a onda total da figura acima 
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Exemplos de cargas geradoras de harmônicas:
Retificadores, controladores de velocidade de motores CA, “soft starters”, fontes (PC, impressoras, secretárias eletrônicas, aparelhos de fax e central telefônica).
ALGUNS EFEITOS E CONSEQUÊNCIAS DAS HARMÔNICAS
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Redução do fator de potência
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Redução do fator de potência
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Harmônicas em máquinas elétricas e transformadores
Harmônicas na tensão aumentam as perdas no ferro, enquanto harmônicas na corrente elevam as perdas no cobre. A elevação das perdas no cobre deve-se principalmente ao efeito pelicular, que implica numa redução da área efetivamente condutora à medida que se eleva a freqüência da corrente.
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Efeito película
As harmônicas são de freqüência n vezes maior que a fundamental (60Hz, no nosso caso). Assim, as correntes de harmônicas tenderão a viajar mais pela periferia dos condutores (quanto maior a ordem da harmônica, mais periférica será a corrente de sua ordem), aumentando sua resistência, perto à camada isolante dos cabos. Por esta proximidade, o efeito térmico gerado pelas harmônicas será bem próximo ao material isolante, o que evidenciará o aquecimento.
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Medições
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Fator de crista é a relação entre o valorde pico e o valor eficaz do sinal Fcrista = Ipico/Irms
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A figura abaixo mostra o mesmo instrumento anterior, porém submetido a um sinal distorcido (com harmônicas). No caso dessa forma de onda, a relação entre o valor eficaz e o valor médio do sinal retificado é igual a 2.1, sendo que o amplificador do instrumento multiplica o sinal sempre por 1,11.
No caso desse circuito a indicação do multímetro poderia ser 116V enquanto que o valor correto deveria ser 220V, por exemplo, (erro de mais de 50%). Uma situação como essa pode explicar porque algumas vezes os disjuntores com corrente nominal 15A abrem um circuito onde se mede 12A com um instrumento convencional. Quando nesse caso a corrente pode ser 18A.
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