THD e ITHD em projeto de acionamento de motores PMSM e BLDC

1. THD (Distorção Harmônica Total)

• Definição: THD é a razão entre a soma das potências (ou valores RMS) de todos os componentes harmônicos e a potência (ou valor RMS) do componente de frequência fundamental em um sinal. Normalmente, é expressa em porcentagem (%).

• Escopo: THD é um termo geral e pode se referir à distorção em uma forma de onda de tensão (THDv) ou em uma forma de onda de corrente (THDi). Se não for especificado, o contexto geralmente determina qual delas se refere.

  • Para amplificadores de áudio ou saída de fontes de alimentação/inversores, "THD" geralmente se refere à distorção de tensão (THDv) do sinal de saída.

• Significância: Um valor de THD mais baixo indica que a forma de onda está mais próxima de uma onda senoidal pura, o que significa menos distorção.

  • Equipamento de áudio: THD (voltagem) baixo é crucial para uma reprodução de som de alta fidelidade, o que significa que o som de saída é muito próximo da gravação original, sem tons indesejados adicionados.

  • Fontes de alimentação/inversores: THD (tensão) baixo na saída CA significa melhor qualidade de energia, o que tem menos probabilidade de causar problemas para aparelhos conectados.

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2. ITHD (Distorção Harmônica Total da Corrente)

• Definição: ITHD refere-se especificamente à Distorção Harmônica Total da forma de onda da corrente. Ela mede a razão entre o valor RMS de todas as correntes harmônicas e o valor RMS da corrente fundamental, expressa em porcentagem. Geralmente é escrita como THDi ou THD-I.

• Âmbito: Mede a distorção presente na corrente consumida por um dispositivo eletrônico da fonte de energia (por exemplo, a rede elétrica) ou injetada na rede.

• Importância: O ITHD é extremamente importante para avaliar o impacto de dispositivos eletrônicos, especialmente cargas não lineares, na qualidade de energia.

  • Cargas não lineares (como fontes de alimentação chaveadas (SMPS) em computadores e carregadores, retificadores, inversores de frequência (VFDs), drivers de LED e dimmers) consomem corrente não senoidal, mesmo que a tensão de alimentação seja uma onda senoidal perfeita. Essa corrente distorcida contém harmônicos significativos.

  • Consequências do ITHD alto:

    • Correntes harmônicas retornam para a rede elétrica, potencialmente distorcendo a própria tensão da rede, afetando outros usuários.

    • Aumento de aquecimento e perdas na fiação, transformadores e condutores neutros.

    • Possível interferência com sistemas de comunicação.

    • Fator de potência geral reduzido.

    • Possível disparo incômodo de disjuntores.

• Padrões: Órgãos reguladores e padrões (como o IEEE 519) geralmente impõem limites à quantidade de corrente harmônica (e, portanto, ITHD) que os equipamentos podem injetar na rede elétrica para manter a estabilidade e a qualidade da rede.

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Fontes de harmônicos em acionamentos PMSM e BLDC

Vários fatores contribuem para a geração de harmônicos em acionamentos de motores PMSM e BLDC:

• Comutação do Inversor: A principal fonte de harmônicos é a comutação por Modulação por Largura de Pulso (PWM) do inversor. A frequência de comutação e a estratégia PWM específica empregada impactam diretamente o espectro harmônico.

• Tempo morto: O tempo morto necessário entre os sinais de comutação nas pernas do inversor para evitar curtos-circuitos também introduz distorção da forma de onda e gera harmônicos.

• Componentes não ideais: Características não ideais de interruptores eletrônicos de potência, componentes passivos e circuitos de detecção podem contribuir para distorção harmônica.

• Projeto do Motor (especialmente para BLDC): A forma de onda trapezoidal da força eletromotriz reversa de um motor BLDC típico, em oposição à força eletromotriz reversa mais senoidal de um PMSM, naturalmente leva a diferentes características harmônicas na corrente quando controlado com técnicas de comutação padrão. Mesmo em PMSMs, harmônicas espaciais no campo magnético podem contribuir para as harmônicas de corrente.

• Estratégia de controle: Os algoritmos de controle específicos usados ​​para acionar o motor também podem influenciar o conteúdo harmônico da tensão e da corrente.

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Impacto do THD e ITHD no desempenho motor de PMSM e BLDC

Altos níveis de THD e ITHD têm vários efeitos prejudiciais no desempenho dos motores PMSM e BLDC e no sistema de acionamento geral:

• Ondulação de Torque: Correntes harmônicas interagem com o campo magnético do motor, produzindo pulsações de torque indesejadas. Essa ondulação de torque pode levar a vibrações, ruído acústico e redução da precisão do controle, particularmente crítica em aplicações que exigem controle de movimento suave. Motores BLDC, devido à sua força eletromotriz traseira trapezoidal e comutação tipicamente de 120 graus, são inerentemente mais suscetíveis à ondulação de torque de harmônicas do que motores PMSM acionados por corrente senoidal.

• Aumento de Perdas e Redução da Eficiência: Correntes harmônicas causam perdas adicionais no cobre (perdas I2R) nos enrolamentos do motor devido ao aumento do valor eficaz da corrente. Elas também contribuem para o aumento das perdas no ferro (perdas por correntes parasitas e perdas por histerese) no núcleo do estator. Essas perdas extras levam à redução da eficiência do motor e ao aumento da temperatura de operação, potencialmente encurtando sua vida útil.

• Superaquecimento: O aumento das perdas devido a harmônicas resulta em temperaturas operacionais mais altas tanto para o motor quanto para os componentes eletrônicos de potência do acionamento. Isso pode sobrecarregar os materiais de isolamento e levar à falha prematura.

• Ruído acústico e vibração: a ondulação do torque e as correntes harmônicas contribuem para o aumento do ruído audível e da vibração mecânica no motor e no sistema acionado.

• Interferência eletromagnética (EMI): As bordas de comutação rápida e o conteúdo harmônico da tensão e da corrente podem gerar interferência eletromagnética, potencialmente afetando outros equipamentos eletrônicos sensíveis.

• Qualidade de Energia Reduzida: Da perspectiva da fonte de energia, um ITHD alto significa que o acionamento do motor consome uma corrente distorcida, o que pode impactar negativamente a qualidade da tensão de outras cargas conectadas na mesma rede elétrica. É por isso que normas como a IEEE 519 estabelecem limites para a distorção harmônica injetada de volta na rede.

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Estratégias de Mitigação

Para minimizar os impactos negativos de THD e ITHD em projetos de acionamentos PMSM e BLDC, várias técnicas de mitigação são empregadas, semelhantes às usadas em acionamentos de motores em geral, mas às vezes com considerações específicas para o tipo de motor:

• Técnicas avançadas de PWM: implementar estratégias sofisticadas de PWM (por exemplo, modulação vetorial espacial para PMSM) pode otimizar os padrões de comutação para reduzir harmônicos específicos.

• Filtragem: Incorporar indutores CA no lado de entrada (reatores de linha) ou no lado de saída (reatores do motor) do inversor, ou usar filtros passivos ou ativos mais complexos, pode ajudar a atenuar correntes harmônicas.

• Inversores multinível: usar topologias de inversores multinível pode produzir formas de onda de tensão com menor conteúdo harmônico em comparação aos inversores padrão de dois níveis.

• Melhorias no algoritmo de controle: implementar estratégias de controle que compensem ou suprimam ativamente os harmônicos pode melhorar o desempenho.

Em conclusão, a distorção harmônica (THD) e, em particular, a distorção de corrente (ITHD) são preocupações significativas no projeto de acionamentos de motores PMSM e BLDC. A natureza de comutação do inversor é a principal causa dessas harmônicas, que, por sua vez, levam a efeitos indesejáveis, como ondulação de torque, redução da eficiência e aumento de calor e ruído. Considerações cuidadosas de projeto, incluindo estratégias de PWM adequadas, filtragem e técnicas de controle potencialmente avançadas, são essenciais para gerenciar a distorção harmônica e garantir o desempenho e a confiabilidade ideais dos sistemas de acionamento PMSM e BLDC.