Armonicos en Un Sistema Electrico (1)

Tecsup

Unidad 3 : Armnicos en un sistema elctrico

Tecsup ndice

ndice 1. CONTENIDO ............................................................................................................. 2

1.1. GENERACIN DE ARMNICOS .......................................................................... 2 1.2. ORIGEN DE LOS ARMNICOS ........................................................................... 3

1.2.1. CARGAS NO LINEALES ........................................................................... 3 1.2.2. CARGAS NO LINEALES SIMTRICAS ....................................................... 4 1.2.3. CARGAS MONOFSICAS......................................................................... 4

1.3. FUENTES GENERADORAS DE ARMNICOS......................................................... 5 1.3.1. CONVERTIDORES CON HORNOS DE ARCOS ............................................ 6 1.3.2. ARMNICOS CAUSADOS POR LMPARAS DE ARCO ................................. 8 1.3.3. LOS CONVERTIDORES ESTTICOS EN LA RED TRIFSICA ......................10 1.3.4. VARIADOR DE VELOCIDAD ...................................................................12 1.3.5. LAS INDUCTANCIAS SATURABLES .........................................................14 1.3.6. MQUINAS ROTATIVAS ........................................................................14

1.4. EFECTOS DE LOS ARMNICOS.........................................................................14 1.4.1. CALENTAMIENTOS EN CONDUCTORES, NEUTROS Y OTROS EQUIPOS ....15 1.4.2. SISTEMAS DE PROTECCIN ..................................................................16 1.4.3. RESONANCIA .......................................................................................17 1.4.4. VIBRACIONES Y ACOPLAMIENTOS.........................................................17 1.4.5. DETERIORO DE LA FORMA DE ONDA DE VOLTAJE .................................18 1.4.6. VOLTAJE ENTRE NEUTRO Y TIERRA DISTINTA DE CERO........................19 1.4.7. MOTORES ASNCRONOS .......................................................................19 1.4.8. LNEAS ELCTRICAS.............................................................................20 1.4.9. CONDENSADORES ................................................................................20 1.4.10. COMPUTADORAS..................................................................................21 1.4.11. TRANSFORMADORES ............................................................................22 1.4.12. ALTERNADORES ...................................................................................22

1.5. PROPAGACIN DE LOS ARMNICOS ................................................................22 1.6. SOLUCIONES A LOS PROBLEMAS DE ARMNICOS ............................................23

1.6.1. FILTRADO DE ARMNICOS ...................................................................24 1.7. SOLUCIONES TRADICIONALES.........................................................................24

1.7.1. BLOQUEO DE CORRIENTES ARMNICAS CON TRANSFORMADORES DE AISLAMIENTOS ...............................................................................................25 1.7.2. ACTUAR EN LA ESTRUCURA DE LA INSTALACIN ..................................25 1.7.3. ENCERRANDO ARMNICOS...................................................................26 1.7.4. FILTRO DE ORDEN 3 EN EL NEUTRO .....................................................26 1.7.5. SOBREDIMENSIONAMIENTO EN LOS CONDUCTORES .............................27

2. RESUMEN................................................................................................................28 3. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIN.....................................................................29 4. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIN.......................................29 5. GLOSARIO...............................................................................................................30

Tecsup Calidad y Ahorro de la Energa Elctrica

- 1 -

UNIDAD 3

ARMNICOS EN UN SISTEMA ELCTRICO

INTRODUCCIN En las unidades anteriores se analizaron los diversos tipos de alteraciones de la onda de voltaje, sealando en cada caso las causas y consecuencias de estas perturbaciones. En esta unidad analizaremos la perturbacin elctrica armnicos. Los armnicos representan el mayor nmero de problemas en cuanto a la desviacin de la calidad de onda. Si bien los armnicos han existido desde siempre, sus efectos han comenzado a tener especial importancia a medida que la industria se ha desarrollado, incorporando cada vez ms elementos elctricos y, especialmente, electrnicos. Este fenmeno es relativamente nuevo y concierne a todas las redes elctricas de los sectores elctricos (industrial, comercial, domstico, etc.). OBJETIVOS En esta unidad el participante debe lograr los siguientes objetivos: Identificar las fuentes generadoras de armnicos. Analizar el origen de los armnicos. Analizar los efectos que generan los armnicos en el sistema elctrico. Describir soluciones tcnicas a los problemas ocasionados por los armnicos.


- 2 -

1. CONTENIDO

1.1. GENERACIN DE ARMNICOS

La generacin de energa elctrica en nuestro pas generalmente, se produce a frecuencias nominalmente constante de 60Hz y la fuerza electromotriz de los generadores puede considerarse prcticamente senoidal. Por otra parte, cuando una fuente de voltaje senoidal se aplica a una carga no lineal, la corriente resultante no es perfectamente senoidal la cual causa una cada de tensin no senoidal a travs de la impedancia del sistema, produciendo una distorsin en el voltaje aplicado a la carga, es decir, la onda de voltaje contiene armnicos. Para obtener una visin intuitiva de este fenmeno considrese el circuito de la Fig. 3.1 en la cual se representa un pequeo sistema de potencia donde el generador G alimenta a travs de un convertidor esttico de potencia y de una lnea de impedancia (Rs + j Xs) a una carga resistiva pura (RL).

RL

Rs+jXs

GPg1

Pc1

PL1

Ps1

PAC

PAC

Fig. 3.1 Flujo de potencia a frecuencia fundamental

El generador suministra la potencia (Pg1) al punto de acoplamiento comn (PAC). La Fig. 3.1 muestra que parte de la potencia (PL1) se transmite a la carga a igual frecuencia, mientras que otra parte, normalmente pequea (Pc1) se convierte en potencia a diferentes frecuencias en el convertidor. Tambin existen prdidas adicionales (Ps1) de la frecuencia fundamental en la resistencia del sistema de generacin y transmisin (Rs1).

Rs+jXs

RLRg+

jXg

Ih

Psh

Pgh

PLh

PAC

PAC

Fig. 3.2 Flujo de potencia de la armnica de orden h


- 3 -

Por otra parte, la Fig. 3.2 muestra el flujo de potencia armnica. Como el voltaje interno del generador se ha supuesto que es perfectamente senoidal, slo suministrar potencia a la frecuencia fundamental y, por tanto, la f.e.m. del generador est cortocircuitada en este diagrama, es decir, el sistema se representa por sus impedancias armnicas (Rsh + j Xsh) que en general son distintas a las de la frecuencia fundamental. El convertidor en este diagrama est representado como una fuente de corriente de armnicas. La pequea proporcin de potencia fundamental (Pc1) transformada en potencia armnica, se consume en la resistencia del sistema (Psh), en la del generador (Pgh) y en la carga (PLh).

La prdida de potencia total en la impedancia del sistema consiste en la componente de frecuencia fundamental (Ps1) y la potencia armnica ocasionada por la presencia del convertidor (Psh).

1.2. ORIGEN DE LOS ARMNICOS Los armnicos son generados por las cargas no lineales existentes en el sistema elctrico. Tales cargas toman una corriente cuya forma de onda es no-senoidal (armnicos) cuando son alimentadas por medio de un voltaje senoidal. La mayora de este tipo de cargas estn dentro de la siguiente clasificacin: Ferromagnticas (transformadores y reactores saturados magnticamente). Cargas de arco (hornos y lmparas de arco). Cargas que utilizan electrnica de potencia (variadores de velocidad AC y DC,

etc.). 1.2.1. CARGAS NO LINEALES

Las cargas no lineales producen corrientes armnicas, es decir, absorben una corriente que no tiene la misma forma de onda de voltaje que los alimenta. Las cargas que ms frecuentemente producen este fenmeno son los circuitos rectificadores. Una carga no lineal cualquiera, como la representada en la Fig. 3.3, absorbe una corriente que contiene todos los armnicos, pares e impares. En la Fig. 3.4 y Fig. 3.5 se muestra la corriente absorbida cuyas dos semiondas son diferentes, y el espectro de frecuencia de sus armnicos respectivamente.

CG

Fig. 3.3 Ejemplo de una cara no lineal cualquiera (no simtrica)


- 4 -

Fig. 3.4 Grfica de la corriente absorbida

Fig. 3.5 Espectro de la corriente absorbida

1.2.2. CARGAS NO LINEALES SIMTRICAS

La mayor parte de las cargas conectadas a la red elctrica son simtricas. Una carga no lineal es simtrica cuando las dos semiondas ondas de corriente son iguales y opuestas. Esto se puede expresar matemticamente por la expresin:

F(wt+)=-f(wt)

En este caso los armnicos de orden par son nulos.

1.2.3. CARGAS MONOFSICAS En los tipos de cargas simtricas del modelo que se describe en la Fig. 3.6 (rectificador monofsico a diodos con filtro capacitivo) el armnico de 3er orden puede alcanzar el 80% de la fundamental. La forma de onda de la corriente que absorben y su espectro de frecuencia de armnicos estn representados en las Fig. 3.7 y Fig. 3.8

C

G

L

Fig. 3.6 Rectificador monofsico


- 5 -

Fig. 3.7 Forma de onda del rectificador monofsico Fig. 3.8 Espectro de Fourier de la forma de onda En los sectores elctricos (industrial, comercial y domstico) existen muchos aparatos con este tipo de circuito (Fig. 3.6) los cuales son los principales generadores de armnicos de 3er orden: Algunos ejemplos de equipos que tienen un rectificador monofsico con filtro capacitivo se muestran el cuadro 3.1.

Cuadro 3.1

Actividad Equipos Industrial Alimentacin conmutada, variadores de velocidad, etc. Comercial Computadoras, impresoras, fotocopiadoras, fax, etc. Domstico Televisores, VHS, horno microondas, etc.

1.3. FUENTES GENERADORAS DE ARMNICOS

Las fuentes de armnicos introducen corrientes distorsionadas al sistema elctrico que al circular por las impedancias de los equipos (transformadores, lneas de transmisin, generadores, etc.) que la conforman, producen cadas de voltaje armnicos que degradan la forma de onda de voltaje en los puntos de suministro de energa a los clientes del sistema elctrico. A continuacin se describe de manera resumida algunos equipos que generan armnicos y que normalmente se encuentran en la mayora de instalaciones elctricas.


- 6 -

1.3.1. CONVERTIDORES CON HORNOS DE ARCOS

El horno de arco, por ser una carga elctrica de caractersticas no lineales, es una fuente de generacin de corrientes armnicas en forma aleatoria. La Fig. 3.9 muestra una configuracin tpica de hornos de arco. En este caso se producen armnicos por las variaciones aleatorias en los instantes de establecimiento del arco.

Fig. 3.9 Configuracin tpica de un horno de arco

Adicionalmente, las fluctuaciones de voltaje debida a variaciones rpidas de la longitud del arco producen una gama de frecuencias, predominantemente en el intervalo 0,1-30Hz a cada lado de los armnicos caractersticos. Este efecto es ms causado durante el proceso de fusin debido al movimiento continuo de la chatarra y a la interaccin de las fuerzas electromagnticas producidas por los arcos. Durante el proceso de refinado el arco es ms estable aunque todava existe una modulacin de su longitud por las ondulaciones que se producen en las superficies del metal fundido. Los hornos de arco utilizados en siderurgia pueden ser de corriente alterna o de corriente continua. Horno de arco de corriente alterna : El arco no es lineal, asimtrico

e inestable. Induce espectros que contienen bandas impares, pares y una componente continua (ruidos de fondo a frecuencias cualesquiera).El nivel espectral, es funcin del tipo de horno (Fig. 3.10), de su potencia, de su perodo de funcionamiento considerado: fusin, afinado, etc. Tambin en este caso slo la medida experimental permite determinar el espectro de manera precisa.


- 7 -

Horno de arco de corriente continua : El arco se alimenta por medio

de un rectificador y es ms estable que en corriente alterna (Fig. 3.11)La corriente absorbida se descompone en: un espectro parecido al de un rectificador y un espectro continuo de nivel inferior al de un horno de corriente alterna (Fig. 3.12).

Fig. 3.10 Horno de arco de corriente continua

Fig.3.11 Horno de arco de

corriente alterna

Fig. 3.12 Espectro de corriente que alimenta un horno en corriente alterna

La Fig. 3.13 muestra registros de valores tpicos medidos de flicker y armnicos durante los perodos de fusin y refinado.

Fig. 3.13 Niveles de flicker registrados en un horno de arco


- 8 -

Finalmente un ejemplo de la variacin de los armnicos de corriente se muestra en la Fig. 3.14

Fig. 3.14 Para el 5to armnico se observa que los armnicos no solo varan con el tiempo sino tambin respecto a la componente fundamental.

1.3.2. ARMNICOS CAUSADOS POR LMPARAS DE ARCO

En las instalaciones modernas normalmente se utilizan el alumbrado con lmparas de descarga y tubos fluorescentes, las cuales son fuentes de corrientes armnicas. El porcentaje individual del armnico del 3er orden puede incluso sobrepasar el 100% para ciertas lmparas fluocompactas modernas, y por tanto hay que prestar una atencin especial en el clculo de la seccin y la proteccin del neutro que transporta la suma de las corrientes armnicas del 3er orden de las tres fases, lo que implica un riesgo de calentamiento. La Fig. 3.15 muestra el circuito bsico de una lmpara fluorescente conectada en estrella.

FLB

C

FLB

C

C

BFL

L

R

S

T

N

I

I

I

In

Fig. 3.15 Circuito bsico de una lmpara fluorescente


- 9 -

La iluminacin por lmparas de descarga tiene caractersticas altamente no lineales y da lugar a la generacin de corrientes armnicas de orden impar. Este efecto est claramente representado en la forma de onda de voltaje y corriente que se genera en cada fase y el neutro de un sistema elctrico con una configuracin estrella (Fig. 3.16 a la Fig. 3.19).

Fig. 3.16 Voltaje de fase versus la corriente de lnea (con balasto magntico)

Fig. 3.17 Corriente en el neutro (con balasto magntico)

Fig. 3.18 Voltaje de fase versus la corriente de lnea (con balasto electronico)


- 10 -

Fig. 3.19 Corriente en el neutro (con balasto electrnico)

En una instalacin trifsica de 4 hilos, los armnicos mltiplos de 3 se suman al neutro y el tercer armnico es el dominante (Fig. 3.17 y Fig. 3.19). De las figures mostradas se obtiene el siguiente cuadro el cual muestra los porcentajes individuales de cada armnico.

Cuadro 3.2

1.3.3. LOS CONVERTIDORES ESTTICOS EN LA RED TRIFSICA

Los puentes rectificadores y en general los convertidores estticos (diodos y tiristores) son generadores de corrientes armnicas. Por ejemplo, en un puente de Graetz (Fig. 3.20), la corriente continua consumida hace aparecer una corriente no senoidal, que cuando la carga es muy inductiva, tiene forma escalonada (Fig. 3.21), o tiene unos picos cuando el puente de diodos se conecta un condensador, como en el caso de la Fig. 3.22.

Fig. 3.20 Puente de Graetz


- 11 -

Corriente de fase de alimentacin del rectificador

Corriente de fase aguas arriba de un transformador tringulo-estrella que

alimenta al rectificador

Fig. 3.21 Corriente alterna aguas arriba de un rectificador en puente de Graetz que produce una corriente continua perfecta sobre una carga muy inductiva

Fig. 3.22 Corriente alterna aguas arriba de un rectificador en puente de Graetz seguido de

un condensador

A pesar de que ambos circuitos tengan como resultado una forma de onda diferentes, ambas tienen las mismas componentes armnicas caractersticas. Las componentes armnicas caractersticas generadas de las crestas de la corriente de alimentacin de los rectificadores son de orden n, donde:

n=(k.p) 1

Donde: K= 1,2,3,4,5 P= Nmero de ramas del rectificador, por ejemplo: Ejemplos: Para el puente de Graetz, p=6 Para un puente hexafscio, p=6 Para un puente dodecafsico, p=12 Para los rectificadores citados, los armnicos presentes sern de orden 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, etc. Con p=6, y de orden 11, 13, 23, 25, etc. con p=12. Los puentes mixtos (diodos-tiristores) son generadores de armnicos de orden par. Su empleo se limita a pequeas potencias ya que el armnico de orden 2 es muy molesto y difcil de eliminar. Los otros convertidores de potencia tales como los graduados (reguladores), los ciclo convertidores, etc. tienen espectros variables y ms ricos en armnicos que los rectificadores. Destaquemos que se van sustituyendo por los rectificadores de tcnica PWM (pulse width modulation: modulacin de ancho de impulso) que trabajan con una frecuencia de corte de unos 20kHz y que estn diseados para producir un nivel de armnicos muy bajo.


- 12 -

1.3.4. VARIADOR DE VELOCIDAD

Los variadores de velocidad son equipos que sirven para el control de motores y son utilizados en todos los sectores de produccin. El circuito del variador de velocidad se representa en la siguiente figura:

G

M

C

Fig. 3.23 Circuito del variador de velocidad La Fig. 3.24 muestra la forma de onda tpica de corriente y voltaje que genera un variador de velocidad. (la forma de onda vara segn el nmero de pulsos del rectificador que tiene el variador el cual puede ser de 6, 12, 18, etc.)

Fig. 3.24 Forma de onda tpica que genera un variador de velocidad


- 13 -

La Fig. 3.25 muestra la forma de onda de corriente generado por un variador de velocidad de 6 pulsos.

Fig. 3.25 Forma de onda de corriente de un variador de velocidad de 6 pulsos.

Analizando el espectro de armnicos (Fig. 3.26 ) se observa que el THD de corriente es de 85,34% (Fig. 3.27), lo que nos da una idea de lo altamente contaminante que es esta carga, que en ocasiones llega a perturbar a su propio control electrnico. Tambin se puede observar la magnitud de los armnicos individuales es elevada comenzando por el quinto, el cual tiene un valor de 62,70% de la corriente fundamental, seguido del sptimo con 50,68%, el dcimo primero con 21,37%. Adems hay que resaltar el elevado factor de cresta, que provoca una corriente de pico muy elevada e inestable debido a los constantes arranques y paradas. (el FC de la onda es de 3,25).

Fig. 3.26 Espectro de Fourier

Fig. 3.27 Valores de armnicos de corriente (mdulo y ngulo)


- 14 -

1.3.5. LAS INDUCTANCIAS SATURABLES

La impedancia de estas inductancias depende de la amplitud de la corriente que las atraviesa y de hecho ellas mismas provocan deformaciones importantes en esta corriente. Este es el caso en cierta medida de los transformadores en vaco sometidos a un sobre voltaje permanente.

1.3.6. MQUINAS ROTATIVAS Las mquinas rotativas producen armnicos de orden elevado y de amplitud normalmente despreciable. Las pequeas mquinas sincronas son sin embargo, generadores de armnicos de tercer orden que pueden tener una incidencia sobre: El calentamiento permanente de las resistencias de puesta a tierra del

neutro de los alternadores. El funcionamiento de los rels amperimtricos de proteccin contra

defectos de aislamiento.

1.4. EFECTOS DE LOS ARMNICOS Los armnicos de voltaje y de corriente superpuestos a la onda fundamental conjugan sus efectos sobre los aparatos y equipos utilizados. Qu es un receptor? Son cargas que generan o absorben armnicos, por ejemplo: los condensadores, los tubos fluorescentes, los rectificadores con mandos de fase, etc.

EFECTOS

EFECTOS INSTANTNEOS Son efectos producidos en el mismo instante en que los dispositivos electrnicos estn operando, por ejemplo los voltajes armnicos pueden perturbar los dispositivos de regulacin.

EFECTOS RETARDADOS Produce fatiga mecnica en las mquinas elctricas, conductores, etc, debido a las vibraciones, el efecto ms importante a largo plazo producido por los armnicos, es el calentamiento.

ARMNICOS


- 15 -

1.4.1. CALENTAMIENTOS EN CONDUCTORES, NEUTROS Y OTROS

EQUIPOS El calentamiento es uno de los efectos ms importantes de los armnicos. Se puede producir en los devanados de los transformadores, motores, conductores en general y especialmente en el conductor neutro. Debido al efecto Skin, a medida que la frecuencia del voltaje o corriente aumente, la corriente tiende a circular por el exterior del conductor desaprovechando parte de la seccin, lo que significa que aumenta la resistencia del cable. Esta mayor resistencia, unida a la circulacin por el exterior provoca un aumento en la temperatura del cable, con el consiguiente peligro de daar el aislamiento del mismo y llegar, en ciertos casos, a quemar; siempre y cuando el cable no esta protegido, contra el fuego. Adems, en el caso de motores, este calentamiento y deterioro del aislamiento puede provocar cortocircuitos en los devanados reduciendo el tiempo de vida de este y para la instalacin.

Qu es el efecto Skin?

El efecto skin o tambin conocido como el efecto piel, estable que la densidad de corriente de un conductor es mayor en la periferia del conductor y casi nula en el centro.

I1

I2

I1 >>I2 Fig. 3.28 Efecto Skin

En cuanto a este efecto los conductores neutros son los ms perjudicados, ya que la mayora de estos conductores estn diseados a tener una seccin igual a la mitad de la seccin de los conductores de fase, por la razn de que cuando el sistema esta equilibrado la corriente por el neutro debera ser cero. Existe un tipo de armnicos que se caracteriza por circular por el neutro, independientemente si el sistema est o no equilibrado. Esto provoca que la frecuencia de la corriente del neutro pueda ser de 150Hz (3er armnico) y que su valor eficaz pueda tener un valor elevado; en particular este tipo de corrientes es la suma de las corrientes armnicas que circulan por las fases.

Fig. 3.29 Medicin de armnicos


- 16 -

1.4.2. SISTEMAS DE PROTECCIN

Las seales de armnicos pueden tener un valor de corriente eficaz rms muy pequeo y, sin embargo, alcanzar un valor pico muy grande (Fig. 3.30). Este efecto hace que equipos de proteccin diferenciales y de imagen trmica acten en cualquier momento sacando fuera de servicio cargas importantes.

Fig. 3.30 Diagrama fasorial

Fig. 3.31 Forma de onda de corriente de la fase C

Ejemplo de una seal de valor eficaz bajo En la Fig. 3.30, se observa que pesar de que la corriente tiene un valor bajo, el pico de corriente tiene un valor bajo, el pico de corriente alcanza un valor relativamente alto. La forma de onda que se muestra en la Fig.3.31 es la corriente de la fase C de la cual se observa que tienen un valor rms de 5,61A mientras su valor pico es 42,38A. Los equipos de proteccin trmicos saltan porque, aunque la corriente eficaz est dentro de los mrgenes, los armnicos provocan calentamientos, lo que supone un aumento de temperatura y por lo tanto su disparo. En lugares con muchos ordenadores, fotocopiadoras e impresoras es fcil que se pongan de manifiesto estos efectos; el que se repitan con mayor o menor frecuencia depender del nmero, del tipo de elementos conectados, si son o no del mismo fabricante y cul es la distribucin elctrica de estos equipos.

Tecsup Calidad y ahorro de la Energa Elctrica

- 17 -

1.4.3. RESONANCIA

Un condensador en paralelo con una bobina forman un circuito resonante capaz de amplificar las seales de una determinada frecuencia. Cuando colocamos una batera de condensadores en una instalacin elctrica estamos formando un circuito resonante, ya que ponemos en paralelo la batera de condensadores con la instalacin elctrica que es inductiva (Fig. 3.32).

Xc XL XcInstalacin Elctrica

Fig. 3.32 Circuito equivalente de un condensador frente a una instalacin elctrica

Este circuito resonante puede amplificar ciertas frecuencias. Esto provoca que ciertos armnicos puedan ser amplificados, pudiendo hacer que los efectos de stos sean todava ms perjudiciales.

1.4.4. VIBRACIONES Y ACOPLAMIENTOS Las frecuencias altas de los armnicos y las subidas y bajadas rpidas de las seales distorsionadas provocan interferencia electromagnticas que pueden ser radiadas o conducidas. Las interferencias electromagnticas pueden provocar vibraciones en tableros elctricos y transformadores y /o acoplamientos en redes de comunicacin como las de telefona o redes de ordenadores. En comunicaciones telefnicas este ruido supone un deterioro en la calidad de la comunicacin, impidiendo la percepcin ntida con nuestro interlocutor. En comunicacin de datos, como la que se produce en las redes de ordenadores, este ruido puede provocar errores en la informacin y, en casos extremos, que esta comunicacin no sea posible, teniendo que utilizar cables especiales apantallados para que la transmisin sea fiable.


- 18 -

1.4.5. DETERIORO DE LA FORMA DE ONDA DE VOLTAJE

Cuando la instalacin elctrica tiene una gran cantidad de armnicas de corriente, estas pueden provocar una deformacin de la forma de onda de voltaje, llegando a presentar achatamientos o aplanamiento en la parte superior e inferior de la forma de onda (Fig. 3.33 ). Este aplanamiento hace que la seal no alcance el valor pico adecuado. Provocando el mal funcionamiento de los puentes de diodos, que se encuentran en fuentes de alimentacin o convertidores de frecuencia, que consumen corriente cuando la seal de voltaje alcanza su valor mximo (Fig. 3.34). Esto hace que los diodos no trabajen en condiciones de operacin nominales teniendo como consecuencia reduccin del tiempo de vida o provocando paradas intempestivas en los variadores de velocidad, discos duros quemados o reinicialiaciones de las computadoras, parpadeo de la iluminacin, etc.

Fig. 3.33 Forma de onda achatada

C

Puente de Diodos Carga

V

Fig. 3.34 Esquema de operacin de los diodos


- 19 -

1.4.6. VOLTAJE ENTRE NEUTRO Y TIERRA DISTINTA DE CERO

La circulacin de corriente por el conductor del neutro provoca una cada de voltaje entre neutro y tierra, ya que la resistencia del cable no es cero (Fig. 3.35).

R V 0

Fig. 3.35 Medida del voltaje entre neutro y tierra

Estos voltajes perjudican la calidad de la red y pueden tener efectos sobre las redes de ordenadores, comunicaciones digitales, etc. Por ello no slo conviene mantener el voltaje entre neutro y tierra cerca de cero voltios sino que es recomendable que las instalaciones tengan un buen sistema de puesta a tierra y que cada equipo o mquina vaya conectado independientemente a tierra, sin formar lazos entre equipos que favorezcan no slo la circulacin de corrientes parsitas sino que aumente el riesgo de daos en los equipos.

1.4.7. MOTORES ASNCRONOS La circulacin de corrientes armnicas por los devanados del motor provocan calentamiento en el mismo, lo que puede poner en peligro el aislamiento trmico del arrollamiento. En ciertos casos se puede llegar a provocar cortocircuitos y llegar a destruir el motor. Por otra parte, los armnicos pueden provocar que el motor tienda a ir ms rpido o ms lento de lo que debiera (debido a campos magnticos del mismo sentido que la componente fundamental o de sentido contrario producido por los armnicos Fig. 3.36), esto provoca una prdida de rendimiento, se fuerza al motor y, a la larga, se reduce la vida efectiva del mismo.

C am po M agntico Fundam ental

C am po M agntico 5ta A rm nica

M otor

Fig. 3.36 Campo magntico del 5to armnico de secuencia negativa


- 20 -

1.4.8. LNEAS ELCTRICAS

Las lneas elctricas presentan una impedancia que dependen de la frecuencia. Las instalaciones se han diseado para seales de frecuencia de red, esto es, 60Hz; sin embargo, cuando la frecuencia aumenta, la impedancia tambin aumenta, con lo que la calidad de alimentacin elctrica empieza a deteriorarse y, adems, hay que tener en cuenta el efecto pelicular que provoca an ms calentamientos que se unen a los derivados del aumento de la impedancia.

1.4.9. CONDENSADORES Los condensadores disminuyen su impedancia con la frecuencia, es decir, a mayor frecuencia mayores posibilidades que se generen corrientes parsitas, acoplamientos entre cables, mal funcionamiento de los dispositivos de proteccin, etc. El efecto sobre los condensadores es una sobre carga que puede llegar a quemarlos. Por otra parte, la existencias de inductancias en algn punto de la instalacin tiene el riesgo de que se produzca condiciones de resonancia con los condensadores. En la prctica, se debe tener mucho cuidado al instalar condensadores en instalaciones elctricas que tengan un THD mayor a 8%. A qu se denomina condiciones de resonancia? Son factores importantes que suceden en el sistema elctrico afectando los niveles de armnicos. La resonancia paralelo se manifiesta como una impedancia grande al flujo de corrientes armnicas mientras que la resonancia serie se manifiesta como una impedancia pequea. 1.4.9.1. RESONANCIA PARALELO

La resonancia en paralelo ocurre cuando las reactancias inductivas y capacitivas resultan ser iguales a misma frecuencia. Si la combinacin de los bancos de capacitores (Xc) y la inductancia del sistema (XL) resultan en resonancia en paralelo (Fig. 3.37 ), y si el orden del armnico inyectado es del orden de la resonancia paralela, existe un riesgo de sobre voltaje armnico.

Ih

XcXL

Ih

Fig. 3.37 Circuito resonante paralelo.


- 21 -

1.4.9.2. RESONANCIA SERIE

La resonancia serie es el resultado de la combinacin serie del banco de condensadores y las inductancias del transformador o de la lnea de transmisin (Fig. 3.38). La resonancia serie presenta una trayectoria de baja impedancia para las corrientes armnicas y tiende a atrapar alguna corriente armnica a la cual este sintonizado el circuito LC. La resonancia serie puede resultar en niveles altos de distorsin de voltaje entre la inductancia y el condensador en el circuito serie (Fig. 3.39).

Ih Xc

carga

XT

Ih Xc

XT

Fig. 3.38 Cargas resonantes en serie. Fig. 3.39 Circuito equivalente serie.

1.4.10. COMPUTADORAS

Las PCs son los elementos que ms armnicos producen, y al mismo tiempo son las ms sensibles a stos. Un dato importante a considerar es el nmero de computadoras instaladas que puede haber en un edificio. Esto provoca que por el circuito de las computadoras las componentes armnicas puede ser considerablemente altas, con lo que favorece a que se quemen los discos duros, mal funcionamiento y reinicializaciones espordicas de las PCs . Este efecto es importante cuando la onda de voltaje sufre aplanamientos en sus picos (Fig. 3.40).

Fig. 3.40 Forma de onda de voltaje y corriente de la fase C de una red de un centro de cmputo


- 22 -

1.4.11. TRANSFORMADORES

El efecto que los armnicos producen a los transformadores es mltiple. Por un lado se calienta el bobinado, al mismo tiempo, el aumento de la impedancia de la fuente debido a los armnicos, prdidas debidas a la corriente de Foucault. Los armnicos producen (02) tipos de prdidas en los transformadores: Prdidas por efecto Joule en los bobinados. Prdidas por histrisis y corrientes Foucault en los circuitos magnticos.

1.4.12. ALTERNADORES Como en los transformadores, los armnicos producen prdidas adicionales en los bobinados y en el circuito magntico y acoplamientos pulsantes que provocan vibraciones y calentamientos adicionales en los amortiguadores.

1.5. PROPAGACIN DE LOS ARMNICOS Los armnicos tienden a fluir desde las cargas no lineales (fuentes de armnicos) hacia las cargas de menor impedancia (Fig. 3.41), usualmente la generacin principal en un sistema de distribucin (G). La impedancia de generacin de la empresa de distribucin es menor que las cargas que se encuentran en paralelo. Sin embargo, la corriente armnica se divide dependiendo de las relaciones de impedancia. Por ejemplo, los armnicos de alto orden fluirn hacia los elementos capacitivos, los cuales presentan una pequea impedancia a altas frecuencias (Fig. 3.41).

Fig. 3.41 Las armnicas de corriente tienden a propagarse a las cargas de menor impedancia


- 23 -

Los armnicos generados por las cargas no lineales fluyen a travs del sistema elctrico afectando principalmente a las cargas sensibles (Fig. 3.42).

G

CARGAS SENSIBLES

CARGAS NO-LINEALES

Is

Zs

Fig. 3.42 Sistema elctrico compuesto por cargas sensibles y no-lineales

En algunos casos los transformadores de potencia actan como atenuadores de armnicos, ya que mediante mediciones se comprueba lo siguiente (Fig. 3.43):

MT / BTIh(BT)Ih(MT)

Ih(MT)


- 24 -

Qu es un filtro de armnicos?

Es un dispositivo que proporciona una trayectoria de baja impedancia para las corrientes armnicas que emiten las cargas no lineales, con el objetivo de que estas no circulen por el sistema de distribucin y no distorsionen la forma de onda del voltaje a travs de cadas armnicas de voltaje en las impedancias del sistema elctrico.

Fig. 3.44 Filtro

1.6.1. FILTRADO DE ARMNICOS El uso de filtros de armnicos en sistemas de potencia tiene dos objetivos: Prevenir la entrada los armnicos de voltaje y corriente desde agentes

contaminantes al resto del sistema elctrico. Proveer al sistema toda o parte de la potencia reactiva que ste necesita. Los tipos de filtros ms importantes son los siguientes:

Cuadro 3.3

FILTROS CARACTERSTICAS

Activos

Est formada por fuentes de corriente, las cuales generan una corriente distorsionada que sumada a la que absorbe la carga hace que se registre un consumo de forma senoidal. Reemplaza la porcin de onda seno que est faltando debido a la corriente no lineal de la carga.

Pasivos

Estos filtros presentan una baja impedancia de una determinada frecuencia la presenta una condicin de resonancia para la componente (n) armnica de corriente nx (frecuencia), por lo que esta componente no ser inyectada a la red.

Hbridos Compuesto al unir elementos ambos tipos de filtro pasivo y activo.

1.7. SOLUCIONES TRADICIONALES Las soluciones que se presentan a continuacin estn dadas de acuerdo al objetivo propuesto de la presente unidad.


- 25 -

1.7.1. BLOQUEO DE CORRIENTES ARMNICAS CON TRANSFORMADORES

DE AISLAMIENTOS Los transformadores de aislamiento son transformadores diseados a la medida de la aplicacin como: Tamao de la carga. Espectro emitido por la misma. Impedancia de la fuente, etc.

Con blindajes y efectos capacitivos en el ncleo, para impedir el paso de altas frecuencias hacia el lado de la fuente, normalmente la relacin es de 1/1. La Fig. 3.45 muestra la representacin de un transformador de aislamiento.

I2 IhFASE FASE

NEUTRO NEUTRO

1:1

FUENTE CARGA NO LINEAL

Fig. 3.45 El Transformador de aislamiento acta con dispositivo de filtrado

1.7.2. ACTUAR EN LA ESTRUCURA DE LA INSTALACIN

Las principales soluciones a la sobrecarga del conductor neutro son las siguientes: Utilizar un conductor neutro separado para cada fase. Duplicar la seccin del conductor neutro. Hay que evitar conectar un receptor sensible en paralelo con cargas no

lineales o perturbadoras. Cuando se tiene un equipo de gran potencia, fuertemente perturbador, es preferible conectarlo directamente desde un transformador MT/BT independientemente (Fig. 3.46 y Fig. 3.47).

CARGAS SENSIBLES

CARGAS NO-LINEALES

MT / BT

CARGAS NO-LINEALES

CARGAS SENSIBLES

Fig. 3.46 Solucin a evitar Fig. 3.47 Solucin preferible


- 26 -

1.7.3. ENCERRANDO ARMNICOS

En los sistemas de distribucin se deben tener transformadores de configuracin DY (Delta-Estrella) ya que este tipo de transformadores actan como trampas del armnico de orden 3, las cuales circulan por el secundario del transformador mas no se transmiten a la lnea de alimentacin del transformador. Esto evita la circulacin de las armnicas de corriente de orden 3 en las lneas de transporte y distribucin de energa (Fig. 3.48).

I3PRIMARIO SECUNDARIO

I3

I3

I3

I3

I3

IL3 = 0

TRANSFORMADOR DELTA - ESTRELLA

Fig. 3.48 Transformador delta - estrella

Nota : la condicin es que las cargas sean totalmente iguales.

1.7.4. FILTRO DE ORDEN 3 EN EL NEUTRO El principio de este dispositivo consiste en un circuito flotante al armnico 3 en serie con el conductor neutro (Fig. 3.49).

In

CARGA

It

Is

Ir

Fig .3.49 Filtro de armnicos ubicado en el neutro


- 27 -

En las figuras siguientes, se representan las formas de ondas obtenidas suponiendo que entre las fases y el neutro, estn conectadas las cargas monofsicas del tipo descrito en el apartado 3.2.3. Se representa sucesivamente la corriente de fase, la corriente de neutro con y sin filtro. Se observa una gran reduccin de la corriente en el conductor neutro.

Fig.3.50 Corriente de lnea sin filtro

Fig. 3.51 Corriente de lnea con filtro

Fig. 3.52 Corriente de neutro sin filtro

Fig. 3.53 Corriente de neutro con filtro

1.7.5. SOBREDIMENSIONAMIENTO EN LOS CONDUCTORES

Los modernos balastos electrnicos de alumbrado fluorescente y las fuentes de poder de computadoras, fotocopiadoras y otros equipos electrnicos alimentados con fuentes de corriente rectificada, provocan una fuerte distorsin armnica en la onda de corriente alimentadora, con un alto contenido de armnicos en especial los de orden 3, 9 y 15 (armnicas de secuencia cero). Estos armnicos, al sumarse al hilo de neutro de la instalacin, provocan flujos de corrientes en el mismo que pueden alcanzar valores eficaces de valor doble que la corriente en las fases. En el caso de instalaciones con una gran proporcin de carga consistente en los equipos electrnicos que estamos mencionando, debe seleccionarse el calibre del hilo del neutro de una capacidad al doble de los conductores de fase (Fig. 3.54).


- 28 -

Fig. 3.54 Tres configuraciones de cables. ARRIBA: Conductor de tres fases con neutro separado por fase. CENTRO: Conductor de tres fases con neutro de doble dimensin. ABAJO: conductor de tres fases

con neutro de doble dimensin y aislamiento a tierra.

Es importante tambin observar la cada de voltaje que provocan estas corrientes de secuencia cero a travs de la impedancia del hilo del neutro. A veces esta puede ser lo suficientemente alta (10% valor pico respecto a la amplitud fase) como para provocar problemas de operacin en equipos sensibles.

2. RESUMEN

La terminologa elctrica describe a un armnico como el contenido de la funcin cuya frecuencia es un mltiplo de la fundamental del sistema elctrico.

Toda seal peridica, cualquiera que sea su forma de onda, puede considerarse como la suma de seales alternas de frecuencias iguales a la seal fundamental y los mltiplos de esta seal, los armnicos.

Los armnicos y las frecuencias particulares inyectadas a la red producen efectos nefasto, incluso peligrosos.

Los convertidores estticos de potencia estn cada vez ms presentes como receptores consumidores en la red de distribucin industrial y los hornos de arco estn en pleno desarrollo en la siderurgia. Todos estos consumidores generan armnicos afectando el sistema elctrico.

Cuando no se tiene un buen estudio de armnicos antes de instalar condensadores en el sistema elctrico, se produce el fenmeno llamado resonancia el cual genera oscilaciones de alta frecuencia las cuales amplifican las perturbaciones armnicas, llegando en algunos casos a quemar el condensador.

El fenmeno de los armnicos afecta a todos los clientes conectados al sistema elctrico. La eleccin del sistema ms adecuado para la solucin de armnicos exige un estudio

particular de cada caso concreto, ya que cada tipo de perturbaciones requiere soluciones especificas. Tambin se debe tener en cuenta el costo del dispositivo as como considerar otros factores: mantenimiento, fiabilidad, rendimiento, etc.

Los transformadores de potencia del sistema elctrico de potencia actan como filtros de armnicos.

Los armnicos pueden ser reducidos al ser filtrados. En la mayora de casos estos filtros en bancos de capacitores con reactores ajustables y resistores de atenuacin.


- 29 -

3. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIN

P1.- Cul es el tipo de carga que es considerada como fuente generadora de armnicos?

P2.- Qu es el efecto Skin? P3.- Cules son los tipos de filtros de armnicos? P4.- Por qu los armnicos afectan la velocidad de giro de un motor? cules son los

tipo de filtros de armnicos? P5.- Qu armnicos estarn presentes en la red si conectamos un rectificador con un

puente dodecafsico? 4. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIN

S1.- Las cargas no lineales. S2.- El efecto skin estable que la densidad de corriente de un conductor es mayor en

la periferia del conductor y casi nula en el centro. S3.- Los tipos son los siguientes:

Filtros pasivos. Filtros activos. Filtros hbridos.

S4.- Debido a los campos magnticos generados por cada armnico de secuencia

negativa presente en la red elctrica. S5.- Aplicando la frmula n=kp1, se tendrn armnicos de orden 11, 13, 23, 25,


- 30 -

5. GLOSARIO

NTCSE Norma Tcnica de Calidad de los Servicios Elctricos.

Armnico (componente)

Es una componente de orden mayor que 1 de la serie de Fourier de una onda peridica.

Fundamental (componente)

Es la componente de orden 1 (a 60Hz) de la serie de Fourier de una onda peridica.

Distorsin armnica Distorsin peridica de la onda seno.

Perturbacin elctrica

Fenmeno perturbador que hace variar los valores nominales de la onda de voltaje o de corriente de la red.

Cargas sensibles Equipo que no trabaja correctamente bajo seales distorsionadas.

Filtro de armnico En un sistema de potencia es un dispositivo que filtra uno o ms armnicos del sistema elctrico.

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

Falla Generalmente se refiere a cortos circuitos en el sistema elctrico.

Red elctrica Conjunto de equipos conectados en un sistema elctrico.

Suministro Cliente conectado a la red elctrica.

PAC Punto de acoplamiento comn, punto de venta de energa a un suministro.

Distorsin Desviacin de la onda senoidal.

RMS Root mean square (valor eficaz).

Espectro Conjunto de armnicos en valor relativo respecto a la fundamental, en un punto especifico.

CEI o IEC Comisin Electrotcnica Internacional.

PWM Modulacin de ancho de impulso

FIN DE LA UNIDAD

Armonicos en Un Sistema Electrico (1)

Documents

Transcript of Armonicos en Un Sistema Electrico (1)