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FILTROS

1.Filtros

Até aqui estudamos o comportamento dos circuitos RLC mistos (série e paralelo) em regime permanente (freqüência constante), a resposta em freqüência dos componentes passivos e a ressonância que ocorre nos circuitos.

Existem várias configurações simples de circuitos, também chamadas de redes, que são de grande importância principalmente para os circuitos eletrônicos. Estas redes (circuitos) são chamadas de Filtros.

Na sua definição mais simples, Filtro é um circuito que apresenta um comportamento típico em função da freqüência do sinal a ele aplicado, permitindo a passagem de sinais com certas freqüências, enquanto suprime sinais com outras freqüências.

Os filtros são basicamente compostos por impedâncias interligadas (redes) e o comportamento destes circuitos depende do valor das resistências, capacitâncias e indutâncias envolvidas e da maneira como são interligadas.

Os filtros são classificados quanto à tecnologia e componentes empregados na sua construção e quanto à função que deverá ser executada por ele num circuito eletrônico.

1.1. Tipos de filtros quanto à tecnologia empregada:

a) Filtros Passivos: São os filtros construídos apenas com os elementos passivos dos circuitos,

ou seja, resistores, capacitores e indutores.

1.2. Tipos de Filtros quanto à função executada:

a) Filtros Passa-Baixas;

b) Filtros Passa-Altas;

c) Filtros Passa-Faixa (Passa-Banda);

d) Filtros Rejeita-Faixa (Rejeita-Banda);

Neste trabalho estudaremos em maiores detalhes os Filtros Passivos que, como vimos, é aqueles circuitos capazes de selecionar determinadas faixas de freqüências usando apenas componentes passivos.

O ganho dos filtros passivos é geralmente menor ou igual a 1, com algumas exceções.

1.3. Filtro Passa-Faixa Série:

Um circuito RLC como o apresentado na figura 1 pode comportar-se como um Filtro Passivo Passa-Faixa real.

Figura 1 – Circuito de um Filtro Passivo Passa-Faixa Série

Um Filtro Passa-Faixa é baseado na Ressonância que ocorre entre indutores e capacitores em circuitos CA.

Para sinais de freqüências baixas o indutor do circuito da figura 1 apresenta baixa reatância indutiva e tende a comportar-se como um curto-circuito, porém, o capacitor apresenta alta reatância capacitiva e tende a comportar-se como um circuito aberto. Desta forma, a maior parcela da tensão de entrada estará sobre o capacitor e a tensão sobre o resistor de saída será muito baixa, ou seja, o sinal será atenuado. Podemos dizer que o circuito “impede a passagem” de sinais de baixa freqüência.

Para sinais de freqüências altas o capacitor apresenta baixa reatância capacitiva e tende a comportar-se como um curto-circuito, porém, o indutor apresenta alta reatância indutiva e tende a comportar-se como um circuito aberto. Desta forma, a maior parcela de tensão de entrada estará sobre o indutor e a tensão sobre o resistor de saída será muito baixa, ou seja, o sinal será atenuado. Podemos dizer que o circuito “impede a passagem” de sinais de alta freqüência.

Para sinais de freqüências intermediárias, ou seja, sinais cujas freqüências estiverem numa faixa próxima à Freqüência de Ressonância do circuito, o indutor e o capacitor juntos apresentarão baixa reatância e tenderão a comportarem-se como um curto circuito, como estudado no capítulo sobre Ressonância. Desta forma, a maior parcela da tensão de entrada estará sobre o resistor de saída. Podemos dizer, então, que o circuito “deixa passar” sinais dentro de uma determinada faixa de freqüência.

1.4 Freqüência Central

A chamada Freqüência Central de um Filtro Passa-Faixa ocorre justamente na Freqüência de Ressonância.

Como sabemos, para haver Ressonância Série é necessário que as Reatâncias Capacitiva e Indutiva do circuito se anulem e se comportem como um curto-circuito, ou seja:

Nesta situação o ganho será unitário, pois, como podemos perceber no circuito da figura 1 toda a tensão de entrada estará disponível na saída. Assim,

Como esperado, obtivemos para a Freqüência Central a mesma expressão já conhecida para o cálculo da Freqüência de Ressonância.

2. Filtro Passa-Faixa Paralelo

Um circuito RLC como o apresentado na figura 2 pode comportar-se como um Filtro Passa-Faixa Real.

Figura 2 - Circuito de um Filtro Passa-Faixa RLC Paralelo

Para sinais de freqüências baixas, o capacitor da figura 2 apresenta reatância elevada e seu comportamento tende a um circuito aberto, porém, o indutor apresenta baixa reatância e seu comportamento tende a um curto-circuito. Desta forma, a maior parcela da tensão de entrada estará sobre o resistor e a tensão de saída será muito baixa, ou seja, o sinal será atenuado.

Podemos dizer que o circuito “impede a passagem” de sinais de baixa freqüência.

Para sinais de freqüências altas, o indutor apresenta reatância elevada e seu comportamento tende a um circuito aberto, porém, o capacitor apresenta baixa reatância e seu comportamento tende a um curto-circuito. Desta forma, a maior parcela da tensão de entrada estará sobre o resistor e a tensão de saída será muito baixa, ou seja, o sinal será atenuado. Podemos dizer que o circuito “impede a passagem” de sinais de alta freqüência.

Porém, para sinais de freqüências intermediárias, ou seja, sinais cujas freqüências estiverem próximas ao valor da Freqüência de Ressonância do circuito, o indutor e o capacitor juntos apresentarão alta reatância e seus comportamentos tenderão a um circuito aberto, como estudado no capítulo sobre Ressonância Paralela. Desta forma, a maior parcela da tensão de entrada estará sobre o circuito LC ressonante de saída. Podemos dizer, então, que o circuito “deixa passar” sinais dentro de uma determinada faixa de valores de freqüências.

2.1 Freqüência Central

A chamada Freqüência Central de um Filtro Passa-Faixa ocorre justamente na Freqüência de Ressonância.

Como sabemos, para haver Ressonância Paralela, é necessário que a impedância equivalente do circuito ressonante seja infinita, ou seja, um circuito aberto. Para que isso ocorra é necessário que as reatâncias capacitiva e indutiva do circuito se anulem:

tal que:

Nesta situação o Ganho do circuito da figura 7.6 é unitário, então;

Como esperado, obtivemos para a Freqüência Central a mesma expressão já conhecida para a Freqüência de Ressonância de um circuito RLC.

3. Filtragem passiva com cargas não lineares tipo fonte de correntes Harmônicas

A solução clássica para a redução da contaminação harmônica de correntes em sistemas elétricos consiste no uso de filtros sintonizados (LC série) conectados em derivação (paralelo) com a rede.

As células LC são sintonizadas nas proximidades das freqüências que se deseja eliminar, em geral, os componentes harmônicos de ordem inferior. Para as freqüências mais elevadas é usado um banco de capacitores funcionando como filtro passa-altas.

Nesta abordagem a carga é considerada do tipo fonte de corrente harmônica e é similar à que se obtém, por exemplo, com o uso de um retificador tiristorizado trifásico, alimentando uma carga indutiva, como um motor CC e que normalmente possuem reatores série na conexão com a rede. Ou seja, trata-se de uma situação típica de uma carga industrial.

Como vimos anteriormente, na freqüência fundamental os filtros apresentam característica capacitiva, de modo a contribuir para a correção do fator de potência (na freqüência fundamental), supondo que a carga alimentada seja indutiva.

A impedância em série com a fonte de energia CA tem um papel essencial na eficácia do filtro. Se a rede for considerada uma fonte CA ideal, qualquer filtro é inócuo, dado que a impedância de uma fonte de tensão é nula, ou seja, o caminho preferencial para os componentes harmônicos da corrente da carga sempre será a fonte e não o filtro.

3.1. Filtragem passiva em cargas não lineares tipo fonte de tensão harmônica

O caso anterior considerava carga com comportamento de fonte de corrente harmônica, que é típica em ambientes industriais. Por outro lado, se consideradas as fontes de alimentação com filtro capacitivo na saída, a tensão na entrada do retificador é imposta pelo capacitor do lado CC durante o intervalo de tempo em que os diodos estiverem em condução. Estas diferentes situações são ilustradas pela Figura 3.

Figura 3 - Filtro passivo em derivação para cargas tipo

                                 fonte de corrente (esq.) e fonte de tensão (dir.).

No caso de a carga poder ser modelada como uma fonte de corrente, a relação entre a corrente da carga e a corrente da fonte CA é dada por um divisor de corrente. Daí a conclusão de que a eficácia da filtragem depende da impedância da rede.

Já no caso de uma carga com comportamento de fonte de tensão, a eficácia do filtro LC, conectado em paralelo com a carga, pode ser expressa pela admitância equivalente:

Esta equação mostra quanto uma componente harmônica de tensão produzida pela carga produz de corrente na rede. A compensação depende tanto da impedância da carga quanto da fonte CA. Se Zo for nula (a carga se comporta como uma fonte de tensão ideal), o filtro em paralelo é inútil. O mesmo ocorre se a impedância da rede for nula.

Redes que alimentam consumidores residenciais e comerciais apresentam, majoritariamente, cargas do tipo fonte de tensão harmônica, compostas por retificadores monofásicos com filtro capacitivo. Tais cargas são essencialmente compostas por lâmpadas fluorescentes compactas, computadores, monitores de vídeo e eletrodomésticos em geral.

Do ponto de vista de aplicação de filtros passivos, em tais situações torna-se mais efetivo o uso de filtros conectados em série com a alimentação, numa associação LC paralela, de modo a bloquear a passagem das parcelas das correntes indesejadas .

3.2 Especificação do filtro passivo

A distribuição da capacitância total entre os diferentes ramos pode ser feita de diversas maneiras: 1) proporcional à corrente total que deve fluir por cada ramo; 2) em função da ordem harmônica do ramo do filtro ou 3) igualmente distribuída entre os filtros. A primeira tenderia a igualar as perdas nos capacitores, a segunda igualaria as impedâncias harmônicas enquanto a terceira visaria apenas facilitar a manutenção e baixar custos por serem todos os capacitores iguais.

No entanto, a distribuição da capacitância afeta a capacidade global do filtro, e não é possível generalizar uma solução, pois os diferentes métodos produzem resultados melhores ou piores, a depender de vários fatores, como o nível de curto-circuito local, a distorção presente na tensão ou a existência de harmônicos não característicos. Um outro aspecto relevante é que os filtros não devem ser sintonizados exatamente nas freqüências harmônicas, pois na eventualidade da tensão da rede apresentar distorções, poderiam surgir componentes elevadas de corrente nas freqüências de sintonia impostas pela rede.

Para escolher a “dessintonia” também existem diferentes proposições. Alguns autores sugerem que a sintonia seja 5% abaixo da harmônica. Já outros indicam uma dessintonia constante de 18Hz abaixo, em todos os ramos.

Um outro ponto importante a considerar é o fator de qualidade do filtro. Recomenda-se um fator de qualidade entre 20 ≤ Q ≤ 50 onde:

Filtros com valores muito elevados de Q podem apresentar oscilações excessivas durante manobras e transitórios por falta de atenuação. Valores muito baixos, por outro lado, limitam a eficácia do filtro.

3.3 Ações no caso de ultrapassagem dos valores

Limites

3.4 Filtro passivo

n Aplicações típicas:

o instalações industriais com um conjunto de geradores de harmônicas de potência total superior a 200 kVA

(inversores de freqüência, alimentações sem interrupções, retificadores,...),

o instalação apresentando uma necessidade de compensação de energia reativa,

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

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

n Princípio de funcionamento:

Substituímos um circuito LC ajustado sobre cada freqüência de harmônica a filtrar, em paralelo sobre o gerador de harmônicas.

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

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

                                             Figura 4: filtro passivo

3.5 Critérios de escolha

n O filtro passivo permite (ao mesmo tempo):

o a compensação de energia reativa,

o 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.

n O compensador ativo permite a filtragem das harmônicas sobre uma larga faixa de freqüência. Ele se adapta a não importa qual carga. Entretanto, sua potência harmônica é limitada.

4. As soluções para atenuar as harmônicas

“O mercado propõe uma oferta de serviço completa para o tratamento das harmônicas”:

n uma experiência em análise,

n dispositivos de medição e supervisão,

n dispositivos de “filtragem”.

4.1 Diagnóstico

A escolha da solução a mais apropriada, tanto do ponto de vista técnico como econômico, é o resultado de um estudo aprofundado.

O diagnóstico MT e BT

As etapas do diagnóstico serão:

n a medição das perturbações em corrente e em tensão simples e composta aos níveis de receptores poluidores, saídas perturbadas e fontes de alimentação,

n uma modelização sobre o programa dos fenômenos é realizada permitindo uma explicação precisa de suas causas e uma determinação otimizada das soluções possíveis,

n uma relação de diagnóstico completo é proposto colocando em evidência:

o os níveis de perturbações atuais,

o os níveis de perturbação máxima admissível (IEC 61000, IEC34,...),

n uma garantia de desempenho sobre as soluções é proposta,

n implementação, ao menos de materiais adaptados.

4.2 Produto específico (marca Schneider).

4.2.1 Filtro passivo

Figura 5: filtro passivo

Tomadas elétricas inteligentes acessam internet sem fios

Interruptores remotos
Você consegue imaginar uma situação na qual seja necessário acender seu abajur pela internet?
Talvez não, mas acender e apagar todas as luzes de sua casa quando você está fora, ou pré-aquecer o forno enquanto ainda está no supermercado comprando um congelado são situações mais perto do dia-a-dia.
E pode haver muitas mais, para as quais tudo o que você precisará é de uma tomada que entenda o novo protocolo da internet, o IPv6, onde você possa plugar o aparelho que deseja controlar à distância.
Se você vai ligar o abajur ou a máquina de lavar, tanto faz, basta plugar o aparelho desejado nessa tomada, e acessá-la pelo seu celular ou qualquer computador.
E a melhor notícia é que a tomada, que dá um outro sentido ao termo "plugar", já está pronta.
Tomada elétrica sem fios
O protótipo da nova tomada foi construído por engenheiros do Instituto Fraunhofer, na Alemanha.
E com uma vantagem adicional: a tomada precisa dos fios da energia elétrica, mas, do ponto de vista da internet, ela é sem fios: a conexão é feita automaticamente pelo roteador.
Além das tomadas sem fios propriamente ditas, o sistema usa um dispositivo USB conectado ao roteador.
O usuário entra o comando para ligar ou desligar o aparelho através de um navegador web ou aplicativo Android. O roteador recebe o comando, endereça-o para o dispositivo USB, que se incumbe de conversar com a tomada de energia, tudo usando dados criptografados.
Esta função de comunicação de duas vias também permite que a tomada de energia sem fios envie dados para o usuário, informando a quantidade de energia que os aparelhos ligados a ela estão consumindo naquele momento.
"Qualquer eletrodoméstico plugado em uma dessas tomadas pode ser ligado ou desligado remotamente usando um aparelho compatível com o IPv6, como um smartphone ou um laptop, de qualquer lugar," diz o Dr. Gunter Hildebrandt, coordenador do projeto.
Tomadas e interruptores inteligentes
Embora os edifícios e casas inteligentes sejam uma promessa constante, ainda são poucas as opções para quem deseja se libertar dos interruptores e tomadas, que, apesar das aparências sempre em mutação, têm o mesmo QI de 100 anos atrás - isto é, nenhum.
"Esse componente torna a casa inteligente do futuro uma realidade," garante Mathias Dalheimer, membro da equipe.
"Ele permite que os eletrodomésticos sejam controlados de forma inteligente, otimizando ou reduzindo o consumo de eletricidade. Por exemplo, o dono da casa pode ligar a máquina de lavar fora do horário de pico, ou a máquina de lavar louça quando os painéis fotovoltaicos no telhado estiverem gerando energia suficiente," complementa.

O que é uma PCH ?

De acordo com a resolução nº 394 - 04-12-1998 da ANEEL-Agência Nacional de Energia Elétrica, PCH (Pequena Central Hidrelétrica)é toda usina hidrelétrica de pequeno porte cuja capacidade instalada seja superior a 1 MW e inferior a 30 MW. Além disso, a área do reservatório deve ser inferior a 3 km².

Uma PCH típica normalmente opera a fio d'água, isto é, o reservatório não permite a regularização do fluxo d´água. Com isso, em ocasiões de estiagem a vazão disponível pode ser menor que a capacidade das turbinas, causando ociosidade.

Em outras situações, as vazões sao maiores que a capacidade de engolimento das máquinas, permitindo a passagem da água pelo verterdor.

Por esse motivo, o custo da energia elétrica produzida pelas PCHs é maior que o de uma usina hidrelétrica de grande porte (UHE-Usina Hidrelétrica de Energia), onde o reservatório pode ser operado de forma a diminuir a ociosidade ou os desperdícios de água.

Entretanto as PCH´s são instalações que resultam em menores impactos ambientais e se prestam à geração descentralizada.

Este tipo de hidrelétrica é utilizada principalmente em rios de pequeno e médio portes que possuam desníveis significativos durante seu percurso, gerando potência hidráulica suficiente para movimentar as turbinas.

As resoluções elaboradas pela ANEEL permitem que a energia gerada nas PCH´s entre no sistema de eletrificação, sem que o empreendedor pague as taxas pelo uso da rede de transmissão e distribuição. O benefício vale para quem entrou em operação até 2003. As PCH´s são dispensadas ainda de remunerar municípios e Estados pelo uso dos recursos hídricos.

Caso sejam implantados no sistema isolado da Região Norte, podem também receber incentivo do Fundo formado com recursos da Conta Consumo de Combustíveis Fósseis (CCC), para financiar os empreendimentos, caso substituam as geradoras térmicas a óleo diesel nos sistemas isolados da Região Norte.

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