Trabajo Armonicos

INTRODUCCIÓN Para el desarrollo de este seminario hemos tomado algunos temas que ha nuestro entender entran en el renglón de los temas principales si de armónicos hablamos, como por ejemplo: en que consiste un armónico, tipos de armónicos, características y teoría de los mismos, y dentro de los mas frecuentes mencionaremos los efectos causados por  mismos y las consecuencia que estos traen consigo al momento de producirse. En otro orden También hablaremos de lo que son los efectos de los armónicos en los sistemas eléctricos, ya que estos entran a jugar un papel primordial en los problemas que se presentan en la red o en un sistema eléctrico, tanto por las distorsiones como los daños que causan los mismos, de este manera ilustraremos como influyen en la curva de tensión y cuales son sus variaciones en la misma, además de esto hablaremos un poco de que hacer para evitar los efectos de los mismos y que hacer para disminuirlos.

QUE SON LOS ARMÓNICOS Los armónicos son distorsiones de las ondas senosoidales de tensión y/o corriente de los sistemas eléctricos, debido al uso de cargas con impedancia no lineal, a materiales ferromagnéticos, y en general al uso de equipos que necesiten realizar conmutaciones en su operación normal. La aparición de corrientes y/o tensiones armónicas en el sistema eléctrico crea problemas tales como, el aumento de pérdidas de potencia activa, sobretensiones en los condensadores, errores de medición, mal funcionamiento de protecciones, daño en los aislamientos, deterioro de dieléctricos, disminución de la vida útil de los equipos, entre otros. En un sistema de potencia eléctrica, los aparatos y equipos que se conectan a él, tanto por la propia empresa como por los clientes, están diseñados para operar a 50 ó 60 ciclos, con una tensión y corriente sinusoidal. Por diferentes razones, se puede presentar  un flujo eléctrico a otras frecuencias de 50 ó 60 ciclos sobre algunas partes del sistema de potencia o dentro de la instalación de un usuario. La forma de onda existente esta compuesta por un número de ondas sinusoidales de diferentes frecuencias, incluyendo una referida a la frecuencia fundamental. En la figura se observa la descomposición de una onda distorsionada en una onda sinusoidal a la frecuencia fundamental (60 Hz) más una onda de frecuencia distinta. El término componente armónico o simplemente armónico, se refiere a cualquiera de las componentes sinusoidales mencionadas previamente, la cual es múltiplo de la fundamental. La amplitud de los armónicos es generalmente expresada en por ciento de la fundamental.

Los armónicos se definen habitualmente con los dos datos más importantes que les caracterizan, que son: 



su amplitud: hace referencia al valor de la tensión o intensidad del armónico, su orden: hace referencia al valor de su frecuencia referido a la fundamental (60 Hz). Así, un armónico de orden 3 tiene una frecuencia 3 veces superior a la fundamental, es decir  3 * 60 Hz = 180 Hz. El orden el armónico, también referido como el rango del armónico, es la razón entre la frecuencia de un armónico fn y la frecuencia del fundamental (60 Hz). (Por principio, la fundamental f1 tiene rango

TRAYECTORIA DE LOS ARMÓNICOS Toda corriente eléctrica fluye por donde se le presenta menor resistencia a su paso. Por  esta razón las corrientes armónicas siguen trayectorias distintas, pues se tiene que las impedancias de los sistemas varían según la frecuencia. Donde se tiene que la reactancia inductiva se incrementa con la frecuencia y la resistencia se incrementa en menor medida, mientras que la reactancia capacitiva disminuye con la frecuencia. Así las armónicas fluyen hacia donde se le presenta menos resistencia a su paso, esto se muestra

Trayectoria de las armónicas en un sistema inductivo En cambio si al sistema de la figura 6.5. se le incluye un banco de capacitores como se muestra en la figura 6.6., da lugar a unas trayectorias distintas para las armónicas.

Efecto de los capacitores en las trayectorias de las armónicas La trayectoria que siguen las armónicas también depende del tipo de sistemas, ya sean monofásicos o trifásicos, así como las conexiones de los transformadores que se encuentra a su paso. Las armónicas que se presentan en sistemas balanceados tienen una relación directa con las componentes de secuencias positiva, negativa y cero. 1.3 Teoría De Los Armónicos Cualquier onda no senoidal puede ser representada como la suma de ondas senoidales (armónicos) teniendo en cuenta que su frecuencia corresponde a un múltiplo de la frecuencia fundamental (en el caso de la red = 50 o 60Hz), según la relación:

donde: V0 = Valor medio de v(t) (onda en estudio). V1 = Amplitud de la fundamental de v(t). Vk = Amplitud del armónico de orden k de v(t)

ORIGEN DE LOS ARMÓNICOS En general, los armónicos son producidos por cargas no lineales, lo cual significa que su impedancia no es constante (está en función de la tensión). Estas cargas no lineales a pesar de ser alimentadas con una tensión sinusoidal adsorben una intensidad no sinusoidal, pudiendo estar la corriente desfasada un ángulo respecto a la tensión.

Existen dos categorías generadoras de armónicos. La primera es simplemente las cargas no lineales en las que la corriente que fluye por ellas no es proporcional a la tensión. Como resultado de esto, cuando se aplica una onda sinusoidal de una sola frecuencia, la corriente resultante no es de una sola frecuencia. Transformadores, reguladores y otros equipos conectados al sistema pueden presentar un comportamiento de carga no lineal y ciertos tipos de bancos de transformadores multifase conectados en estrella-estrella con cargas desbalanceadas o con problemas en su puesta a tierra. Diodos, elementos semiconductores y transformadores que se saturan son ejemplos de equipos generadores de armónicos, estos elementos se encuentran en muchos aparatos eléctricos modernos. Invariablemente esta categoría de elementos generadores de armónicos, lo harán siempre que estén energizados con una tensión alterna. Estas son las fuentes originales de armónicos que se generan sobre el sistema de potencia. El segundo tipo de elementos que pueden generar armónicos son aquellos que tienen una impedancia dependiente de la frecuencia.

CONTENIDO NORMAL DE ARMÓNICOS Los armónicos crean problemas sólo cuando interfieren con la operación propia del equipo, incrementando los niveles de corriente a un valor de saturación o sobrecalentamiento del equipo o cuando causan otros problemas similares. También incrementan las pérdidas eléctricas y los esfuerzos térmicos y eléctricos sobre los equipos. Los armónicos lo que generalmente originan son daños al equipo por  sobrecalentamiento de devanados y en los circuitos eléctricos, esta es una acción que destruye los equipos por una pérdida de vida acelerada, los daños se pueden presentar  pero no son reconocidos que fueron originados por armónicos. El nivel de armónicos presente puede estar justamente abajo del nivel que pueden causar problemas, incrementar este valor límite puede presentarse en cualquier momento y pasar a un valor  donde no se pueden tolerar.

EQUIPOS QUE PRODUCEN ARMÓNICOS Convertidores Electrónicos de Potencia: Equipos de Computación, Control de Luminarias, UPS, Variadores Estáticos de Velocidad, PLC´s, Control de Motores, Televisores, Microondas, Fax, Fotocopiadoras, Impresoras, etc.      

Equipos con Arqueo de Electricidad: Hornos de Fundición, Balastros Electrónicos, Equipos de Soldadura Eléctrica, Sistemas de Tracción Eléctrica. Equipos Ferromagnéticos: Transformadores Operando Cerca del Nivel de Saturación, Balastos Magnético. Efecto De Los Armónicos En los Sistema Eléctrico

INFLUENCIA DE LOS ARMÓNICOS EN EL SISTEMA la respuesta obtenida en el nodo 4, al final de la línea de transmisión. Las formas de onda distorsionadas de voltaje y su contenido armónico mostrado en la Figura (c) ilustran el efecto combinado del desbalance intrínseco del sistema, saturación e interacción de armónicos entre estator-rotor en el generador, saturación del transformador, núcleo magnético (3 columnas), configuración eléctrica (estrella aterrizada-delta) y efecto de la línea de transmisión.

ARMÓNICOS DE CORRIENTE Una onda no sinusoidal pura está formada por una onda fundamental a la que superponen ondas de frecuencia múltiplos de la frecuencia fundamental. Estas ondas superpuestas reciben el nombre de armónicos de orden superior. Las distorsiones armónicas de corriente distorsionan la onda de tensión al interactuar con la impedancia del sistema originando la reducción de la vida util en motores y causando la operación errática de equipos electronicos.

TIPOS DE ARMÓNICOS tipos de carga

armonicos generados

comentarios

transformador

orden par e impar

componente en CC

motor asincrono

orden impar

inter y subarmonicos

lampara descarga

3? + impares

puede llegar al 30% de l1

soldadura arco

3?

hornos arco CA

espectro inestable

rectificadores con filtro inductivo

h = K Ih = l1/h

x

P

?

1

filtro h = K Ih = l1/h

x

P

?

1

rectificadores capacitivo ciclo convertidores

con

variables

variable

no lineal-asimetrico SAI-variadores V alimentacion> equipos electricos variadores V

reguladores PWM

variables

SAI-convertidor CC-CA

EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS efectos de los armonicos

causas 



sobre los conductores



sobre el conductor de neutro

 

sobre los transformadores



sobre los motores



sobre los condensadores

consecuencias las intensidades armonicas provocan el aumento de la IRMS, El efecto pelicular  (efecto "skin") reduce la sección efectiva de los conductores a medida que aumenta la frecuencia. Cuando existe una carga trifasica + neutro equilibrada que genera armonicos impares m?los de 3.

 Aumento de la IRMS Las producidas por  Faucault son proporcionales al cuadrado de la frecuencia, las perdidas por historisis con proporcionales a la frecuencias. Generación de campo adicional principal

un al

Disminución de la impedancia del condensador con el aumento de la















Disparos intempestivos de las protecciones, Sobrecalentamiento de los conductores.

Cierre de los armonicos homopolares sobre el neutro que provoca calentamientos y sobreintensidades.

 Aumento de los calentamientos por  efecto Joule en los devanados,  Aumento de las perdidas en el hierro.

Perdidas rendimiento.

de

Envejecimiento prematuro, amplificación los armonicos

frecuencia.

existentes.

Los armónicos mas peligrosos son los de tipo impar y dentro de ellos el numero 3.

FUENTES DE ARMÓNICOS Las cargas no lineales conectadas a la red eléctrica absorben corrientes en impulsos bruscos. Estos impulsos crean ondas de corriente distorsionadas que originan a su vez corrientes de armónicos de retorno hacia otras partes del sistema de alimentación. Como ejemplos más típicos de cargas no lineales podemos destacar:

Rectificadores Monofásicos

La tensión alterna de entrada, una vez rectificada por los diodos, se utiliza para cargar un condensador. Después de un semiperiodo, el condensador se carga a la tensión de pico de la onda senoidal. Entonces el equipo electrónico absorbe corriente de esta elevada tensión de continua para alimentar al resto del circuito. El equipo puede absorber corriente hasta alcanzar un límite mínimo regulado. Básicamente el condensador sólo absorbe un impulso de corriente durante la cresta de la onda.

Los equipos que poseen fuente de alimentación con condensador y diodos son ordenadores, impresoras, aparatos de medicina y televisores. Los armónicos que generan son de orden impar con una amplitud inversamente proporcional al orden del armónico. Estos contaminantes adquieren importancia cuando un gran número

de unidades están simultáneamente activadas.

Rectificadores Trifásicos

La configuración típica de los rectificadores trifásicos corresponde al puente de Graetz, cuyo esquema aprece en la figura 2.

Estudios teóricos, confirmados por la práctica, determinan que estos rectificadores inyectan armónicos de orden: n=k·p±1 donde:   

n = orden del armónico p = número de pulsos del rectificador  k = entero positivo 1, 2, 3 ...

Las amplitudes de corrientes armónicas características son inversamente proporcionales al orden del armónico, al igual que en el rectificador monofásico. Los equipos más difundidos que incluyen rectificador trifásico son SAIs (Sistemas de  Alimentación Ininterrumpida) y Variadores de Velocidad o Convertidores de Frecuencia.

Reguladores de Tensión Son dispositivos con aplicaciones muy variadas, entre las que se incluye la variación de intensidad luminosa o la regulación de determinados aparatos, como calefactores eléctricos. Estos equipos producen armónicos, subarmónicos e interarmónicos cuya amplitud varía con la posición de regulación.

Transformadores El circuito magnético de los transformadores posee una caracterísitca no lineal a partir del codo de saturación que puede distorsionar las ondas de tensión e intensidad. En la práctica razones económicas suelen imponer trabajar con valores de inducción entrados en el codo de saturación. Por tanto, la aplicación de una tensión senoidal no producirá excitación senoidal, e inversamente el flujo de intensidades senoidales será acompañado de tensiones no senoidales entre primario y secundario del transformador.

EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS Los principales inconvenientes causados por los armónicos se pueden resumir en: Efectos cuasi-instantáneos   



Fallo de interruptores automáticos por efecto di/dt Operación incorrecta de contactores y relés Interferencia con sistemas de comunicación (telemandos y sistemas telefónicos). Reseteo de ordenadores y errores en PLCs.

Efectos medios o cuadráticos 

  

 

Calentamiento y hasta destrucción de condensadores por sobretensión. Su impedancia decrece proporcionalmente con el orden de los armónicos presentes. Sobrecalentamiento y averías en transformadores Calentamiento de motores de inducción Pérdidas en el cobre de los conductores por efecto skin. Efecto proporcional a la frecuencia, en corriente alterna la intensidad se acumula en los extremos del cable por lo que se reduce la sección efectiva del mismo. Pérdidas dieléctricas en condensadores Intensidades en los conductores de neutro, incluso en redes equilibradas producido por los armónicos triples (3, 6, 9, 12, ...)

EFECTOS DE RESONANCIA La impedancia de inductancias y condensadores depende de la frecuencia. La conexión en serie o en paralelo de inductancias y condensadores da lugar a situaciones singulares, denominadas de resonancia, en las cuales la impedancia se

hace mínima o máxima Errores en equipos de medida  

Errores de medición de energía activa, reactiva y factor de potencia. Lecturas erróneas con multímetros basados en el valor medio o con poco ancho de banda.

La magnitud de los costes originados por la operación de sistemas y equipos eléctricos con tensiones y corrientes distorsionadas puede percibirse considerando lo siguiente: 



Una elevación de sólo 10ºC de la temperatura máxima del aislamiento de un conductor reduce a la mitad su vida útil. Un aumento del 10% de la tensión máxima del dieléctrico de un condensador  reduce a la mitad su vida útil.

LÍMITES DE DISTORSIÓN La CEI (Comisión Electroténica Internacional) y el CENELEC (Comité Europeo de Normalización Electrotécnica) han establecido normas que limitan perturbaciones de baja frecuencia en redes industriales y domésticas, como las normas IEC 61000 y EN 61000. Los parámetros manejados por la normativa para establecer los límites de la perturbación por armónicos son: Orden de un armónico (n): Relación entre la frecuencia del armónico (fn) y la frecuencia fundamental (f1). n = fn/f1 Tasa de distorsión individual (%U ó %I): Relación entre el valor eficaz de la tensión o corriente armónica (Un ó In) y el valor eficaz de la correspondiente componente fundamental. %Un = 100 Un/U1 %In = 100 In/I1 Distorsión Armónica Total (THD%U ó THD%I): Relación entre el valor eficaz de las componente armónicas de tensión o intensidad y el correspondiente valor  fundamental. En EEUU ya está vigente la normativa IEEE 519 que limita la cantidad de corriente armónica inyectada a la red general, y responsabiliza al cliente por la misma. En España, el límite aceptado por UNIPEDE (Unión de productores y distribuidores

de energía eléctrica) es de THD(U) = 5% para redes industriales en baja tensión, mientras que en alta tensión el nivel máximo recomendado por los organismos internacionales es de THD(U) = 3%.

CARACTER STICAS DE LA DISTORSI N ARM NICA Cuando la onda de corriente o de tensión medida en cualquier punto de un sistema eléctrico se encuentra distorsionada, con relación a la onda sinusoidal que idealmente deberíamos encontrar, se dice que se trata de una onda contaminada con componentes armónicas. Para que se considere como distorsión armónica las deformaciones en una señal, se deben de cumplir las siguientes condiciones :

  

Que la señal tenga valores definidos dentro del intervalo, lo que implica que la energía contenida es finita Que la señal sea periódica, teniendo la misma forma de onda en cada ciclo de la señal de corriente o voltaje. Permanente.- Cuando la distorsión armónica se presenta en cualquier instante de tiempo, es decir, que no es pasajera

NIVELES DE ARMÓNICAS PERMITIDOS POR LAS NORMAS NORMALIZACIÓN Para asegurar la integridad en el sistema de potencia global, es preciso establecer  límites sobre los niveles de distorsión permisibles que apliquen tanto a los usuarios como a los suministradores de la energía. Resulta especialmente delicada la relación usuario / compañía suministradora, ya que esta última tiene derecho a pedir al usuario que limite la contaminación al sistema de transmisión y distribución y el usuario tiene el derecho a pedir el suministro de una energía con la menor contaminación posible. En México existe la especificación CFE L0000- 45 denominada “ Perturbaciones permisibles en las formas de onda de tensión y corriente del suministro de energía eléctrica” concerniente a la distorsión armónica p ermisible. En los Estados Unidos de América la norma IEEE 519 “ Prácticas recomendadas y requerimientos para el control de armónicas en sistemas eléctricos de potencia ”

define entre sus puntos los valores máximos de distorsión permisible.

 Ambas normatividades están diseñadas para limitar las corrientes armónicas de cada usuario en lo individual de forma que los niveles armónicos en voltaje en la totalidad del sistema de potencia sean aceptables, siendo su cumplimiento una responsabilidad compartida entre suministrador y usuarios. •

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Suministrador. Es su responsabilidad que en la acometida, la distorsión armónica total en voltaje THDv se encuentre dentro de los límites establecidos, por lo que debe asegurarse que condiciones de resonancia en el sistema de generación, transmisión o distribución no ocasionen niveles inaceptables de distorsión en voltaje, aun si los usuarios se encuentran dentro de los límites de generación armónica en corriente. Usuarios. Deben de asegurar que en la acometida, la generación de armónicas en corriente se ubique dentro de los límites establecidos, tanto para componentes armónicas individuales como para la Distorsión de Demanda Total TDD, especificándose dichos límites como porcentaje de la demanda promedio de corriente del usuario en lugar de la corriente fundamental instantánea, con el fin de proporcionar una base común de evaluación a lo largo del tiempo.

IMPACTO EN LA VIDA DE LOS EQUIPOS fabricantes establecen los límites de funcionamiento de sus equipos por debajo de sus valores de falla para tener una operación adecuada y una vida prolongada, sin embargo, cuando existen condiciones de resonancia, dichos límites pueden ser  excedidos, acelerando su envejecimiento o provocando su falla. La magnitud de los costos originados por la operación de sistemas y equipos eléctricos con tensiones y corrientes distorsionadas, puede percibirse considerando lo siguiente: 1. La sobre elevación de 10 ºC en la temperatura del aislamiento en conductores, reduce su vida a la mitad. 2. Un incremento del 10% en la tensión nominal del dieléctrico de un capacitor, reduce su vida a la mitad.

Estudios realizados sobre los efectos de la distorsión armónica, muestran reducciones de 20% a 30% en la vida de capacito eeres y de 10% a 20% en la vida de transformadores.