Armonicos en Electronica de Potencia

ARMONICOS Y LA ELECTRONICA DE POTENCIA

Ponente:

ANDRES FELIPE PEÑA FERNANDEZ

ELECTRONICA DE POTENCIA - UNIVERSIDAD DE LA COSTA C.U.C. PROGRAMA DE ELECTRICA FACULTAD DE INGENIERIA BARRANQUILLA 2013-1

INTRODUCCION

Los sistemas eléctricos cuentan actualmente con una gran cantidad de elementos llamados no lineales, los cuales generan a partir de formas de onda sinusoidales y con la frecuencia de la red otras ondas de diferentes frecuencias ocasionando el fenómeno conocido como armónicos. El control mediante electrónica de potencia es un tema de creciente importancia, que abarca los distintos dispositivos semiconductores y las técnicas utilizadas en el procesamiento de las ondas de tensión y corriente en aplicaciones de potencia. En muchos casos, aunque no siempre, este procesamiento causa la distorsión de las ondas. En esta presentación se trata de identificar las configuraciones, tipos de control y operaciones de funcionamiento que hacen de la electrónica de potencia la fuente principal de armónicos.

CONCEPTOS CARGAS LINEALES: Es aquella carga que aplicado un voltaje o diferencia de potencial, su respuesta en corriente es proporcional al voltaje aplicado, por lo cual la curva característica I=f(v) es una línea recta que pasa por el origen. (Resistencias, condensadores, bobinas).

CARGAS NO LINEALES: Son las que no mantienen la relación de proporcionalidad entre su respuesta en corriente y el voltaje aplicado, ni cumplen el principio de superposición, tales elementos son todos los semiconductores.

ARMONICOS: En sistemas eléctricos de corriente alterna los armónicos son frecuencia fundamental de trabajo del sistema y cuya amplitud va decreciendo conforme aumenta el múltiplo. La norma IEEE 519-1992 relativa a “practicas recomendadas y requerimientos para el control de armónicas en sistemas eléctricos de potencia” agrupa a las fuentes emisoras de armónicas en tres categorías diferentes:   

Dispositivos electrónicos de potencia Dispositivos productores de arcos eléctricos Dispositivos ferromagnéticos

ARMONICOS

Los armónicos son la consecuencia de la aparición de la electrónica moderna. Estos se manifiestan en gran manera donde hay un gran número de PC, variadores de velocidad y otros equipos electrónicos que consuman corriente en forma de pulsos cortos. Para entender un poco mejor el concepto de armónicos, es importante tener claro la definición de la calidad de onda de tensión la cual debe tener una amplitud y frecuencia constantes al igual que una forma sinusoidal. En la imagen se puede observar una onda sin contenido de armónicos, con una frecuencia constante de 60Hz y una amplitud constante de 1pu.

Imagen extraída de www.ieb.com.co

Cuando una onda periódica no tiene esta forma sinusoidal se dice que tiene contenido armónico, lo cual puede alterar su valor pico y/o valor RMS causándole alteraciones en el funcionamiento normal de cualquier equipo sometido a esta tensión.

Imagen de una onda de tensión con un contenido del 30% de 5º de armónicos.

Imagen extraída de www.ieb.com.co

Equipos tales como computadoras, faxes, alumbrado electrónico, equipo de soldadura, cargadores de baterías, UPS´s, convertidores de potencia (AC a DC), hacen que se generen corrientes armónicas que en combinación con las impedancias de la fuente, producen distorsión de los voltajes de línea.

Definición del problema: Si se analizan estos armónicos, se puede comprobar que tanto en corriente como en tensión sus frecuencias son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental de la alimentación. Por ejemplo si la frecuencia fundamental es de 60 HZ, el segundo armónico será de 120 Hz, el tercero será de 180 HZ, etc.

Imagen extraída de albertama.tripod.com

EFECTOS SOBRE EQUIPOS ELECTRONICOS. Los equipos electrónicos sensitivos son susceptibles a operación incorrecta a causa de los armónicos. En algunos casos estos equipos dependen de la determinación precisa del cruce por cero del voltaje u otros aspectos de la forma de onda del mismo, por lo que condiciones de distorsión pueden afectar su operación adecuada. La corriente directa (DC) para los dispositivos modernos electrónicos y equipos de oficina normalmente se obtienen de un sistema monofásico rectificador y regulador a la salida (DC).

Esquema del convertidor de potencia monofásico.

La fuente de energía, constituida por un rectificador monofásico y un condensador, tan comúnmente utilizada en electrodomésticos y ordenadores, debido al efecto acumulativo de estos aparatos, y en ausencia de un filtrado de sus armónicos, causan, a veces, mas distorsión que los convertidores individuales de gran potencia. Circuito correspondiente a un rectificador de 6 pulsos, el cual es prácticamente la carga generadora de armónicos más utilizada en la industria.

Los inversores de tiristores con conmutación forzada o los dispositivos de apagado por puerta (GTO), están aumentando en número y potencia de aplicación. Su fuente de energía es normalmente el sistema trifásico, a través de un rectificador de conmutación natural y por tanto los armónicos de corriente suministrados a dicho sistema no requieren consideración especial.

 ALGUNOS EFECTOS:   

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Interferencias en las señales de video y telefonía. Sobre voltajes en los sistemas de potencia Incremento de la temperatura del dieléctrico de los bancos de condensadores. Disminución de su vida útil. Daño total o parcial de los bancos de condensadores. Distorsión de la forma de onda (calidad). Quema de fusibles y equipos del sistema. Inestabilidad en los sistemas de potencia.

INTERPRETACION MATEMATICA

Aquí es importante retomar la definición de armónico de la manera que es utilizada en sistemas de potencia, de esta manera una armónica está definida como una frecuencia múltiplo de la frecuencia fundamental (en este caso 60 Hz) y como en estos sistemas se tienen señales periódicas, por ejemplo el voltaje, entonces queda representada por:

V (t)=V1 Cos(t+ 1)+V2Cos (2t+2)+V3Cos(3t+ 3)…. Y en forma compacta seria:

V (t)= ∑  Cos (n t+ n) VALORES DE DISTORSIÓN: Estos valores están definidos en % de cantidades eléctricas, y son muy utilizados para conocer el grado de contaminación de las redes eléctricas.

Índices para armónicos de corriente: Para corriente se tienen dos tipos de índices, los de distorsión armónica individual y los de distorsión armónica total.

El índice de distorsión armónica individual se define mediante la  siguiente ecuación:

Di: distorsión armónica individual de corriente. Ii: corriente de cada armónico. In: corriente nominal del alimentador.

 Índice de distorsión armónica total para la corriente se define:

 Índice de distorsión armónica individual para la tensión:

Dv: Distorsión armónica individual de tensión. Vi: Tensión de cada armónico. Vn: Tensión nominal del alimentador.

 Índice de distorsión armónica total de tensión se define como:

Distorsión total de demanda

Es la relación entre la corriente armónica y la demanda máxima de la corriente de carga: Ii: magnitud de la armónica individual. I: Orden armónico. Id: Demanda máxima de la corriente fundamental de carga.

SISTEMAS DE CORRECION

La utilización de filtros R-L-C previstos para absorber las corrientes armónicas producidas por un equipo, resulta ser la solución técnica más completa, pero a la vez la más costosa. No existe realmente reglas determinadas únicas para el diseño de filtros y es gran parte la experiencia, el ensayo y el error los métodos que ofrece un mejor resultado. Los filtros se pueden colocar para resolver problemas de distorsión armónica de tensión o para resolver problemas de grandes corriente armónicas inyectadas al sistema. Las corrientes armónicas se pueden dominar de las siguientes formas:  

Usando una alta impedancia en serie para bloquear su paso Derivarlas por medio de un camino de baja impedancia.

Interruptores automáticos

Los interruptores automáticos tienen un mecanismo de disparo que reacciona al calentamiento producido por la corriente del circuito. Dicho mecanismo está diseñado para responder al calentamiento que produce el valor eficaz de la onda de corriente de manera que se dispare si se calienta demasiado. Filtros sintonizados:

Son filtros pasivos que se conectan en paralelo al sistema de distribución general o a cargas individuales significativas, para reducir el contenido armónico generado por los dispositivos no lineales, además de proporcionar potencia reactiva fundamental Para compensar el F.P de desplazamiento, debiendo de coordinar su operación con la demanda de la carga. En aquellos sistemas donde se cuenta con diversas cargas no lineales de potencia significativa y de funcionamiento prolongado, se puede instalar un filtro para cada una de estas cargas, coordinando su operación y reduciendo tanto la corriente fundamental como la distorsionante desde el punto de conexión.

Están compuestos por una inductancia en serie con un capacitor que puede estar conectado en delta o estrella y cuyos valores definen la frecuencia de sintonía.

Arreglo de filtro sintonizado con capacitor en conexión delta

Filtros desintonizados

En esencia tienen el mismo arreglo y conexión a la red que los sintonizados pero se sintoniza a una frecuencia que no se espera que exista en el sistema y muy por debajo de la armónica característica de menor orden, típicamente entre las 3ª y 4ª armónica. Su aplicación principal es cuando se requiere compensar el F.P de desplazamiento en un sistema donde la proporción de la carga no lineal con relación a la total es inferior al 40% y se desea proteger a los capacitores contra sobre cargas armónicas.

CONCLUSION Se ha presentado los efectos más importantes de las armónicas en las componentes principales de los sistemas de potencia. En algunas ocasiones estos efectos son extremadamente complicados de evaluar, aunado al hecho de que el equipo de medición necesario para cuantificarlos es muy costoso. Sin embargo el conocimiento de los aspectos generales de sus causas y consecuencias nos ayuda a prevenir y tomar las medidas tendientes a minimizar sus efectos en áreas de una operación efectiva y segura de los sistemas eléctricos actuales.

REFERENCIA BIBLIOGRAFICA

[1] elec.itmorelia.edu.mx/armónico/capitulo%20III.htm [2] ingeniería especializada S.A www.ieb.com.co [3] Armónicos en los sistemas de potencia – presentación Transcript Ing. Alberto Tama Franco – Empresa eléctrica del Ecuador INC [4] www.fluke.com Solución de problemas armónicos en sistemas de potencia. [5] www.watergymex.org Distorsión armónica. [6] Metodología para identificar fuentes armónicas en sistemas eléctricos. Trabajo de grado de Jorge Mario Ruiz Vallejo – Francisco Hernando Ortiz Quintero- Universidad tecnológica de Pereira [7] Armónicos en sistemas de potencia Escrito por Jesús Arrillaga Garmendi – Luis I Egulluz Morán