Causas y efectos de Armónicos

Los armónicos se definen como el contenido de la señal cuya frecuencia es un múltiplo integral de la frecuencia del sistema de los fundamentos. La corriente armónica generada por cualquier carga no lineal fluye desde la carga hacia el sistema de potencia. Estas corrientes armónicas degradan el rendimiento y la fiabilidad del sistema de potencia y también pueden causar problemas de seguridad. Es necesario localizar claramente los armónicos, identificar las fuentes y adoptar medidas correctivas para prevenirlos.

La carga eléctrica se clasifica en dos categorías

1. Carga lineal: Dicha carga extrae voltaje y corriente en forma de onda sinusoidal, pero con un cambio de fase variado (factor de potencia). Ejemplo: resistencias, inductores, condensadores y sus combinaciones se clasifican como carga lineal. Las cargas lineales tienen una respuesta suave, recta y predecible.Carga no lineal
2. : Fuentes de alimentación en corriente de tracción de carga no lineal en pulsos abruptos en lugar de en onda sinusoidal lisa. Indica una respuesta distorsionada o que cambia repentinamente. Ejemplo: equipos electrónicos / eléctricos modernos que consisten en circuitos de rectificación, carga /descarga y control de fase.

Armónicos: La distorsión en una onda sinusoidal se define generalmente en términos de varios componentes armónicos. Los armónicos se definen como el contenido de la señal cuya frecuencia es un múltiplo integral de la frecuencia del sistema de la fundamental. Los armónicos típicos para un sistema de 50 Hz (frecuencia fundamental) son el 5º (250 Hz), el 7º (350 Hz) y el 9º (450 Hz).

Los armónicos de una onda periódica pueden ser representados por una serie de Fourier:
f ( wt) = AO + A1coswt + A2 cos2wt + B1sinwt + B2 sin2wt + —
f(wt) = Dada forma de onda periódica no sinusoidal con velocidad angular w = 2 Σ f
A0 = Const.
A1, A2, A3 – – – – Un coeficiente de términos cosenos, n-ésimo es el orden de armónicos.
B1, B2, B3, – – – Bn coeficiente de términos sinusoidales, n-ésimo es el orden de armónicos.

Efectos de los armónicos: Corriente de armónicos generada por cualquier carga no lineal fluye de la carga al sistema de potencia. Estas corrientes armónicas degradan el rendimiento y la fiabilidad del sistema de potencia y también podrían causar problemas de seguridad. Es necesario localizar claramente los armónicos, identificar las fuentes y adoptar medidas correctivas para evitar estos problemas. THD (Distorsión armónica total) se puede calcular según el estándar IEE-519 como:

Donde hn son los armónicos individuales de enésimo orden.

Fuente de armónicos: (1) Transformadores con cargas ligeras y sin carga (2) Reactores saturados (3) Accionamientos de motor controlados por Tirister (4) Hornos de arco (5) Soldadores de arco (6) Hornos de conducción (7) Iluminación de descarga de gas: Lámparas de vapor de sodio de baja/ alta presión (8) Lámparas de vapor de mercurio de alta presión (9) Luces CFL/fluorescentes (10) Dispositivos de conservación de energía, por ejemplo, arrancadores blandos, balastos electrónicos y reguladores de ventilador (11) Rectificadores (12) UPS (13) Compensador VAR estático (14) Sistema de transmisión HVDC (15) Conversión de energía solar.

Por qué preocuparse por los armónicos: La distorsión de voltaje es generalmente muy dañina porque puede aumentar el valor de pico efectivo y también la corriente RMS en algunos dispositivos conectados a la red. Para un condensador, la impedancia disminuye drásticamente ya que es inversamente proporcional a la frecuencia. En circunstancias normales, la distorsión de voltaje en la red de distribución eléctrica primaria es mínima y generalmente se puede ignorar desde un punto de vista práctico. Por otro lado, la distorsión de la forma de onda actual es común, especialmente cuando se conectan equipos electrónicos a la red o cuando se conectan cargas no lineales. La distorsión de corriente, en general, causa sobrecalentamiento debido al aumento de las pérdidas y afecta a todas las máquinas eléctricas, transformadores, etc. Esto provoca la reducción de potencia del equipo. La cantidad de reducción dependerá de los armónicos presentes y de la magnitud de la corriente y resistencia individuales.

El componente armónico de secuencia positiva generaría un campo magnético, que gira en la misma dirección que el fundamental. Un armónico de secuencia negativa generaría el campo magnético giratorio en la dirección inversa. El armónico de secuencia cero no rotaría el campo magnético en ninguna dirección.

Límites de niveles armónicos: Dependiendo de la red del sistema, varios países han adoptado diferentes límites para decidir los niveles de tolerancia de distorsión armónica. A continuación se indican los intervalos de límites generalmente adoptados.

Es necesario fijar los límites de los niveles de generación de armónicos y hacerlos obligatorios para los usuarios. Sin embargo, en nuestro país todavía no se han promulgado normas al respecto. La regulación es solo para la variación de la tensión nominal que es ± 10% y ± 2% de la frecuencia.

Corriente armónica

Valor teórico de la corriente armónica = I / h
I = valor fundamental de la corriente
h = Orden de los armónicos

Forma de onda eléctrica con distorsión armónica…

Efectos armónicos en varios componentes

1. Transformadores: Los armónicos en transformadores causan un aumento en las pérdidas de hierro y cobre. La distorsión de tensión aumenta las pérdidas debidas a la histéresis y a las corrientes de foucault y provoca un exceso de tensión en el material aislante utilizado. El efecto principal de los armónicos de la línea eléctrica en el transformador es, por lo tanto, el calor adicional generado. Otros problemas incluyen la posible resonancia entre la inductancia del transformador y la capacitancia del sistema, la fatiga térmica debido al ciclo de temperatura y las posibles vibraciones del núcleo.
2. Motor y generadores: La tensión armónica y la corriente causan un aumento del calentamiento en máquinas giratorias debido a pérdidas adicionales de hierro y cobre a frecuencias armónicas. Esto reduce la eficiencia de la máquina y afecta al par desarrollado. El flujo de corrientes armónicas en el estator induce el flujo de corriente en el rotor. Esto da como resultado un calentamiento del rotor y un par pulsante o reducido. El calentamiento del rotor reduce la eficiencia y la vida útil de la maquinaria, mientras que el par pulsante o reducido produce oscilaciones mecánicas que causan fatiga en el eje y un mayor envejecimiento de las piezas mecánicas.

iii. Accionamientos Thyrister: Los accionamientos de frecuencia variable de CA con convertidor thyrister cuando funcionan a baja velocidad, generalmente producen un factor de potencia deficiente.

1. Cable de alimentación: El nivel normal de corrientes armónicas causa calentamiento en los cables. Sin embargo, los cables involucrados en condiciones de resonancia del sistema pueden estar sujetos a tensión de tensión y corona, lo que puede provocar fallas en el aislamiento.
2. Equipos de medición: En general, los armónicos que fluyen en equipos de medición de tipo inducción generarán rutas de acoplamiento adicionales, aumentando así la velocidad del disco y, por lo tanto, un aumento aparente de los costos.
3. Aparamenta y relé:La corriente de armónicos aumenta el calentamiento y las pérdidas en el equipo de distribución al reducir su capacidad de corriente normal y acortar la vida útil debido a la tensión de tensión los fusibles requieren reducción de potencia debido al calor generado por los armónicos.

vii.Sistema de puesta a tierra y rendimiento de la computadora: En un sistema de 3 fases y neutro: cuando se esperan 3 armónicos y múltiplos, el tamaño del conductor neutro debe ser del mismo tamaño que el tamaño del conductor de fase.
Colgar la computadora, perder instrucciones, datos o portarse mal se puede atribuir tanto a la mala calidad de la energía. La puesta a tierra de los equipos informáticos debe ser independiente y fijarse a la toma de tierra de la red en un punto, preferiblemente solo en el punto de entrada. La puesta a tierra multipunto introduce el acoplamiento a varios otros equipos.

viii. Red de comunicaciones: Acoplamiento de inducción entre las líneas de transmisión de corriente alterna que contienen armónicos y la red de comunicaciones vecina que provoca altos niveles de ruido.Condensador

1. : Los condensadores para la corrección del factor de potencia siempre están presentes en instalaciones industriales y se ven más afectados si hay armónicos presentes. Los condensadores no generan armónicos, sino que proporcionan un bucle de red para la posible resonancia. La reactancia capacitiva disminuye con la frecuencia, mientras que la reactancia inductiva aumenta directamente con la frecuencia. En la frecuencia resonante de cualquier circuito de capacitancia inductiva (LC), la reactancia inductiva será igual a la reactancia capacitiva. En un sistema eléctrico real que utiliza condensador de corrección de factor de potencia, puede ocurrir resonancia en serie y parrelel y una combinación de los dos. En el caso de un circuito en serie, la impedancia total en la frecuencia resonante se reduce a solo el componente resistivo del sistema. Si este componente es pequeño, las altas magnitudes de corriente resultarán en la frecuencia resonante. En el caso de un circuito paralelo, la impedancia total en la frecuencia resonante es muy alta (acercándose hipotéticamente al infinito), por lo tanto, cuando se excita incluso desde una fuente pequeña en la frecuencia resonante; una alta corriente circulante fluirá entre el condensador paralelo y el inductor. El voltaje a través de la combinación paralela podría ser bastante alto. En consecuencia, si el punto de resonancia de uno o ambos tipos de circuitos resulta estar cerca de una de las frecuencias generadas por las fuentes armónicas en el sistema, el resultado puede ser el flujo de una cantidad excesiva de corriente armónica y/ o la aparición de un voltaje armónico excesivo. Estas ocurrencias pueden causar problemas tales como fallas en el banco de condensadores, funcionamiento excesivo del fusible del condensador y rotura dieléctrica de cables aislados. En la mayoría de las instalaciones de baja tensión, se pueden seguir las siguientes pautas:
   1. Si el KVA de las cargas generadoras de armónicos es inferior al 10% del condensador nominal de KVA del transformador, se puede instalar sin preocuparse por la resonancia.
   2. Si el KVA de la carga de generación de armónicos es inferior al 30% de la calificación KVA y el condensador KVAR es inferior al 20% de la calificación KVA del transformador, el condensador se puede instalar sin preocuparse por la resonancia.
   3. Si el KVA de la carga de generación de armónicos es superior al 30% del transformador, se deben aplicar condensadores de KVA como filtros.
   Las pautas anteriores son aplicables cuando se utilizan transformadores con una impedancia del 5 al 6% y la impedancia del sistema es inferior al 1% en la base del transformador.

Filtros para armónicos

Para un funcionamiento saludable del sistema de energía, dos cosas sirven como pautas:

1. El consumidor es responsable de mantener la distorsión actual dentro de los niveles permisibles/aceptables.
   2. El tablero de electricidad es responsable de mantener la distorsión de voltaje dentro de los niveles permisibles/aceptables.
   Hay diferentes tipos de filtros:
   – Filtros sintonizados individuales.
   – Pase alto (primer, segundo o tercer orden, etc.)

Un condensador con una reactancia en serie puede diseñarse para sintonizar un armónico dado. Ofrece casi una trayectoria paralela de impedancia cero y absorbe un armónico en particular. En la frecuencia fundamental, también ayuda en la corrección del factor de potencia. Por lo tanto, cuando se requieren filtros, una parte del banco de condensadores P. F. se convierte en un filtro o filtros. Un banco de filtros aumenta el costo de la instalación de condensadores debido a disyuntores y reactores adicionales.

Se evita que la corriente armónica indeseable fluya hacia el sistema de energía mediante el uso de impedancia de serie alta para bloquearlos o dirigirlos por medio de una ruta de derivación de baja impedancia.Los filtros de la serie

deben diseñarse para transportar corriente a plena carga y deben aislarse a la tensión nominal completa del sistema, mientras que los filtros de derivación son menos costosos y proporcionan compensación reactiva en frecuencia fundamental. Por lo tanto, generalmente se prefiere usar filtros de derivación.