ARMONICO1-3

TEXTO DE ESTUDIO

Problemas y y Soluciones Soluciones revenir, P revenir,

detectar y resolver las fallas en instalaciones eléctricas de baja tensión a causa de la calidad de la energía eléctrica es imprescindible para el desarrollo, productividad y crecimiento sostenido de un país. Solo a modo de referencia , la situación si tuación a alcanzado una magnitud tal que los países europeos , norteamericanos y otros han propuestos Normas ( IEEE 519-1992 51 9-1992 y la IEC555 ) de cumplimiento obligatorio que permitan una sana integración de todo el ambiente eléctrico, incluida no solamente a nivel del consumo eléctrico, sino que también la generación, distribución de la energía y la fabricación de equipos eléctricos capaz de no contaminar la energía en las instalaciones eléctricas. Se estima que los países industrializados y de fuertes actividades comerciales, entre el 60% y 80% de la potencia eléctrica la consumen alguna clase de equipo electrónico no lineal. El impacto de la cargas no lineales con su generación armónica contaminante es serio. En países como Suiza la contaminación armónica subió de 5% a 11% entre 1991 a 2010.

DANIEL HENRIQUEL SANTANA

ARMÓNICOS EN REDES E LÉCTRICAS. LÉCTRICAS.

Problemas y Soluciones. ***************

AUTOR : Daniel Víctor Henríquez Santana Ingeniero en Electricidad de la Universidad de Santiago de Chile. Diplomado ,

en Evaluación de Proyectos Proyectos de Inversión en la U. de Chile Facultad Facultad de Economía. Licencia Licencia SEC clase A. Relator externo de de la UNIVERSIDAD UNIVERSIDA D DE CHILE Cenet Cenet en Electricidad avanzada, avanzada, gestión de proyectos y administración administración de Servicios Técnicos. Contacto: www.dhsing.cl , [email protected] 083524371.

DERECHO DE AUTOR Derecho de Propiedad Intelectual Intelectual Nº 168.591 vigente desde desde el 17/1/2008. Ley Chilena sobre Propiedad Intelectual Nº 17.336. Se prohíbe la reproducción total o parcial de éste texto texto de estudio para fines comerciales. Como así mismo, su tratamiento informático, o la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopias, por registros u otros métodos, sin la autorización expresa en forma escrita escrita por el autor . .

ARMÓNICOS EN REDES E LÉCTRICAS. LÉCTRICAS.

Problemas y Soluciones. ***************

AUTOR : Daniel Víctor Henríquez Santana Ingeniero en Electricidad de la Universidad de Santiago de Chile. Diplomado ,

en Evaluación de Proyectos Proyectos de Inversión en la U. de Chile Facultad Facultad de Economía. Licencia Licencia SEC clase A. Relator externo de de la UNIVERSIDAD UNIVERSIDA D DE CHILE Cenet Cenet en Electricidad avanzada, avanzada, gestión de proyectos y administración administración de Servicios Técnicos. Contacto: www.dhsing.cl , [email protected] 083524371.

DERECHO DE AUTOR Derecho de Propiedad Intelectual Intelectual Nº 168.591 vigente desde desde el 17/1/2008. Ley Chilena sobre Propiedad Intelectual Nº 17.336. Se prohíbe la reproducción total o parcial de éste texto texto de estudio para fines comerciales. Como así mismo, su tratamiento informático, o la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopias, por registros u otros métodos, sin la autorización expresa en forma escrita escrita por el autor . .

ARMÓNICOS EN REDES ELÉCTRICAS. Problemas y Soluciones PROLOGO :

1

revenir, P revenir,

detectar detect ar y resolver las fallas en instalaciones eléctricas de baja tensión a causa de la calidad de la energía eléctrica es imprescindible para para el desarrollo, desarrollo, productividad y crecimiento sostenido de un país. Solo a modo de referencia , la situación a alcanzado una magnitud tal que los países europeos , norteamericanos y otros han propuestos Normas ( IEEE 519-1992 y la IEC-555 ) de cumplimiento obligatorio que permitan una sana integración de todo el ambiente eléctrico, incluida no solamente a nivel del consumo eléctrico, sino que también la generación, distribución de la energía y la fabricación de equipos eléctricos capaz de no contaminar la energía en las instalaciones eléctricas. Se estima que los países industrializados y de fuertes actividades comerciales, entre el 60% y 80% de la potencia eléctrica la consumen consumen alguna clase de equipo electrónico no lineal. El impacto de la cargas no lineales con su generación armónica contaminante es serio. En países como Suiza la contaminación armónica subió de 5% a 11% entre 1995 a 2010 en sus sistemas eléctricos de baja tensión. En la actualidad esta tendencia es mucho mayor y va a seguir en aumento sostenido, dado que los equipos de comportamiento no lineal conectados a las redes eléctricas aumentaran con la tecnología y el desarrollo necesario del país. Al respecto en Chile a través de la Norma NCH4/2003 se recomiendan precauciones en los alimentadores de la Instalación Eléctrica ( según 7.2.1.2. c ), c ), como así mismo, el conocimiento del Decreto 327 que señala los limites limite s admisibles acerca de la calidad de la energía eléctrica. El creciente popularidad y el uso en el trabajo cada cada vez mayor mayor de equipos electrónicos informáticas de oficina, fluorescentes, controladores de motores y en general todo tipo de control electrónico de consumos en el que predomina un comportamiento eléctrico no-lineal alimentados a través de las instalaciones eléctricas de consumo consumo de baja tensión, son la principal causa causa contribuyente a la mala calidad de la energía eléctrica. La consecuencia son preocupante ya que los efectos más nocivos se pueden resumir en funcionamiento erráticos y cortes intempestivo de equipos y máquinas de trabajo e interrumpiendo la PRODUCTIVIDAD y RENTABILIDAD de actividad laboral del país. Esto debido a la operación inestable de tableros eléctricos, contaminación con frecuencias armónicas, sobrecalentamiento de conductores, excesiva corriente por el neutro, fallas de aislamiento, perdidas de energía, etc. Por lo anterior, el curso curso tiene por finalidad capacitar al participante en los fundamentos y conceptos, detección detección de fallas, metodologías metodologías de medición que le permita resolver los problemas relacionados con la contaminación armónica en las Redes eléctricas y evitar condiciones inseguras de los usuarios, interrupciones en la productividad y desarrollo de la Empresa. INDICE DE MATERIAS

1. LA CONTAMINACIÓN ARMÓNICA EN REDES ELÉCTRICAS 1.1. Introducción ................ ....................................... ............................................. ............................................. ............................................ ............................................ .............................................. .......................................... ..........................3 .......3 1.2. Contaminación armónica por cargas no ‐lineal ................... ........................................ ........................................... ............................................ ............................................ ..........................................6 ....................6 1.3. Los convertidores de frecuencia y la contaminación armónica...................................... armónica........................................................... ........................................... ..........................................11 ....................11 1.4. Teoría de la serie de FOURIER............................................... FOURIER................................................................... .......................................... .............................................. .............................................. ....................................20 ..............20 1.5. Distorsión armónica y forma de calculo............... calculo..................................... ............................................ ......................................... ........................................... ............................................. .................................25 ............25 1.6. Espectro de frecuencia, amplitud y rangos.............. rangos.................................... .......................................... ....................................... ............................................ ................................................ ...............................25 ........25 1.7. Factor de cresta, valor promedio y RMS eficaz.......................................... eficaz.............................................................. ............................................ .............................................. ......................................27 ................27 1.8. Factor de forma y conversiones tensión AC............. AC................................... ............................................. ............................................. .......................................... ......................................... .............................28 ........28 1.9. Factor de Potencia y desplazamiento FDP................................................. FDP........................................................................ ............................................... ............................................. ...................................29 ..............29 1.10. Calculo del Factor K para Transformadore Transformadores………………… s………………….................. ........................................ ............................................. .............................................. .............................................. .......................32 32 1.11.DECRETO 327 Chile Calidad de la Energía Eléctrica................................................... Eléctrica......................................................................... .......................................... ........................................ ........................33 ....33 1.11.1. Frecuencia, amplitud y variación de tensión.............. tensión.................................. ......................................... ............................................. ............................................ .............................33 .........33 1.11.2. Fluctuación e interrupción de tensión............ tensión.................................. ......................................... ......................................... .......................................... ..........................................3 ......................35 5 1.11.3. Parpadeo severo iluminación, efecto FLICKER..... FLICKER............................ .............................................. ............................................. ............................................ ................................36 ..........36 1.11.4. Sobretensiones temporales y transitorias.......... transitorias............................... ........................................... ............................................. ......................................... ...................................39 .................39 1.11.5. Desequilibrio de tensión y distorsión armónica..................................................... armónica........................................................................... ............................................ ............................41 ......41 1.11.6. Principales fuentes contaminadoras de armónicas...... armónicas.......................... .......................................... ............................................ ............................................ ............................44 ......44 1.11.7. Tensiones inter‐armónicas y otras señales.......... señales............................... ........................................... ........................................ ........................................ .......................................44 .................44 1.12. Revisión Norma Internacional Internacional IEEE‐519, IEC‐555 y EN‐50160.......... 50160............................... ............................................ ............................................. ......................................... ........................47 .....47

ARMÓNICOS EN REDES ELÉCTRICAS. Problemas y Soluciones 2. PROBLEMAS A CAUSA DE LOS ARMÓNICOS 2.1. Medición y detección de armónicos……………………………………………………………………………………………………………………………..…………….50 2.1.1. Descripción de Analizador de red monofásico 2.1.2. Descripción Analizador trifásico y otros 2.1.3. Análisis de Data Computacional 2.1.4. Análisis de datos Power pad y red eléctrica computacional 2.2. Problemas causados por los armónicos.....................................................................................................................................50 2.3. Sobrecarga Conductor Neutro………………………………………………………………………………………………………………………….…………………..……58 2.4. Instalación. Eléctrica típica........................................................................................................................................................69 2.5. Análisis de casos......................................................................................................................................................................69 2.5.1. Detección de transientes.................................................................................................................................................70 2.5.2. Detección de armónicos…………………………………………………………………………………………………….…………..……………………………….71 2.5.3. Fallas en circuitos de alumbrado y parpadeo...................................................................................................................74 2.5.4. Tablero Eléctrico de Alumbrado………………………………………………………………………………………..…………….……………………….……..77 2.5.5. Tableros de enchufes…………………………………………………………………………………………………………..………..……………………………....78 2.5.6. Bloqueos y reinicio de equipos informáticas...................................................................................................................79 2.5.7. Tablero eléctrico c on alta carga no lineal........................................................................................................................82 2.5.8. Sobrecalentamiento de transformadores.......................................................................................................................84 2.5.9. Fallas en motores de inducción........... ...........................................................................................................................87 2.5.10. Problemas de variadores a cargas lineales ....................................................................................................................90 2.5.11. Fallas motores convertidores PWM...............................................................................................................................93 2.5.12. Fallas en reguladores de velocidad……………………………………………………………………………..……………………………………………...…93 2.5.13. Motores de inducción quemado…….………………………………………………………………………..………………………………………….………..95 2.5.14. Disparo de diferenciales por armónicos.........................................................................................................................95

3. SOLUCIONES Y FILTROS ARMÓNICOS COMERCIALES 3.1. Introducción al filtro.................................................................................................................................................................99 3.2. Fundamentos básicos de resonancia.......................................................................................................................................100 3.3. Función de circuitos filtros resonantes....................................................................................................................................105 3.4. Ancho de Banda y factor Q......................................................................................................................................................105 3.5. Filtros Pasivos………………………………………………………………………………………..…………………………………………….….……………………….…….107 3.5.1. Filtro Shunt ………………………………………………………..…………………………………………………………………………………………..…….107 3.5.2. Filtro Amortiguador………………………………………………………………………………………………………………………….……………...……109 3.6. La Resonancia en redes Eléctricas………………………………………………………………………………………..…………………………………………….……111 3.7. La Inductancia antiarmonicas.………………………………………………………….……………………………………..………………………..…………………...121 3.8. Métodos para reducir los armónicos.......................................................................................................................................122 3.8.1. Reactor de línea....................................................................................................................................................123 3.8.2. Filtro tipo serie pasivo...........................................................................................................................................126 3.8.3. Filtro tipo shunt pasivo..........................................................................................................................................127 3.8.4. Filtro pasa bajo y banda ancha..............................................................................................................................127 3.8.5. Filtros compensación activa y otros.......................................................................................................................128 3.8.6. Filtros híbridos………………………………………………………………………………………………….………….…………………..…………….……130 3.8.7. Soluciones …………………………………………………………………………….……………………………….…………………………………………….133 3.8.8. Convertidores Limpios y Compensadores Activos, Usos………….……………………………….…………………………………………...137 3.8.9. Topología Eléctrica de Filtros……………………………………….…………………………………………….…….…………………………….…….151 3.9. FILTROS ARMONICOS COMERCIALES 3.9.1. Filtro monofásico 3,5kw…………………………………………………………………………………………………………………………………………156 3.9.2. Filtro pasivo y corrector de Factor de Potencia…………………………………………………………………………………………………..….157 3.9.3. Compensador activo de armónicos………………………………………………………………………………………………………………………..159 3.9.4. Baterías con filtro de rechazo BATF……………………………………………………………………………………………………………………..…165 3.9.5. Filtros para el 3º armónico………………………………………………………………………………………………………………………………….….167 3.9.6. Filtros armónicos de absorción……………………………………………………………………………………………………………………………….169 3.9.7. Filtros Activos HPF y SINAF……………………………………………………………………………………………………………………………………..173 3.10. RECOMENDACIONES PARA ELABORAR INFORME TECNICO 3.10.1 Objetivo de un informe técnico..............................................................................................................................181 3.10.2. Metodología a seguir............................................................................................................................................183 3.10.3. Presentación de resultados...................................................................................................................................184 3.10.4. Identificación de problemas y alternativas de soluciones......................................................................................185 3.11. BIBLIOGRAFIA......................................................................................................................................................................186

2

3

ARMONICOS EN REDES ELECTRICAS. Problemas y Soluciones WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

1.1. INTRODUCCIÓN

Como sabemos, la electricidad es por su versatilidad de transformación una de las energías de más amplio y diversificado uso en nuestra sociedad. La tecnología que hemos desarrollado necesita para su adecuado trabajo, de una fuente de suministro continua, estable y pura, cualidades que lamentablemente son carencia de nuestras redes actuales de suministro. Una anomalía en una red de alimentación, puede provocar desde molestias por la mala calidad de la energía, hasta serios daños a las instalaciones y equipos asociados debido a su amplitud y tiempo de permanencia. La calidad del producto energía como la seguridad en su utilización, son de suma importancia para la eficiencia de nuestros aparatos y sistemas, como la calidad y seguridad de los mismos. El estudio de las anomalías posibles de presentarse en una red, debe ser de gran preocupación de parte de los proyectistas, instaladores y mantenedores, producto que estas se relacionan con las características de selección de los dispositivos de protección eléctrica. Durante su funcionamiento, toda red eléctrica puede presentar dos estados operativos, el normal y el anormal. El primero se presenta cuando las variables características de la red, se encuentran dentro de los márgenes preestablecidos, mientras que la segunda, se presenta cuando uno o más parámetros eléctricos se encuentran sobre o por debajo de los valores preestablecidos. Un sistema eléctrico de baja tensión desde la óptica de la fuente de suministro se considera operando en forma normal, siempre y cuando las variaciones u holguras del voltaje nominal en el punto de conexión de ella con la carga (excluyendo períodos con interrupciones de suministro), se encuentre en un rango estadístico aceptable . Otro parámetro eléctrico que identifica la operación normal de una red de alimentación, es la frecuencia, la que debe presentar en general, un valor entre los 49,8 Hz y los 50,2 Hz, considerando una fundamental de 50 ciclos por segundo. La amplitud de la corriente eléctrica puede también considerarse como variable de estudio, entre las condiciones normales y anormales de operación de un sistema eléctrico de alimentación. No existe un valor fijo por razones evidentes, pero su magnitud debe ser estar relacionada con la capacidad de conducción de las líneas como con las características de disparo de los dispositivos de operación, corte y protección contra sobrecorrientes.

CARACTERÍSTICAS OPERATIVAS DE LAS INSTALACIONES ELECTRICAS Las instalaciones eléctricas deben ser capaces de suministrar en forma adecuada, la energía suficiente para que los equipos conectados a ella puedan funcionar conforme a sus parámetros nominales. Según esto, es deseable que los sistemas operen siempre en forma ideal, situación que en la práctica no es posible de cumplir durante todo el tiempo. Un sistema eléctrico de alimentación puede presentar durante su uso, diferentes comportamientos, clasificándolos estos en dos grandes grupos; los estados normales y anormales de operación.


1.

4 INGENIEROS RELATORES

ESTADO NORMAL DE OPERACIÓN

Un sistema eléctrico de alimentación se considera operando en forma normal cuando sus parámetros eléctricos característicos se encuentran dentro de los limites establecidos por la reglamentación correspondiente, y las exigencias de los fabricantes de los equipos conectados a la red. punto de conexión de la barra de distribución.

En la figura , para el caso de la fuente de suministro, esta se considera operando en forma normal para la baja tensión, cuando el valor característico del voltaje presenta una variación de amplitud de ± 7,5% durante le 95% del tiempo y la frecuencia esta comprendida entre 49,8 y 50,2 Hz, para una fundamental de 50HZ. En las líneas, su caída de tensión máxima no debe ser superior al 3% del valor nominal del voltaje, siempre y cuando en el punto más desfavorable esta no exceda del 5%.

5



2. ESTADO ANORMAL DE OPERACIÓN El estado anormal de operación se considera al momento en donde el sistema eléctrico no es capaz de entregar los parámetros característicos dentro de los límites considerados normales, y la calidad de la señal no es la adecuada para el correcto funcionamiento de los equipos conectados.

PERTURBACIONES EN LA RED Las perturbaciones, son anormalidades de los sistemas eléctricos que no provocan daños, siempre y cuando su amplitud y/o duración, corresponda a valor tolerable tanto por el sistema como por los equipos asociados a este. En las actuales redes eléctricas podemos encontrar perturbaciones de características transitorias y permanentes. Transitoria : En las primeras, la señal de alimentación sufre una fuerte elevación de su amplitud, o bien, una drástica disminución durante un mínimo tiempo. Perturbaciones permanentes en cambio, se caracterizan por estar siempre presentes en la red, pero con una amplitud demasiado baja como para afectar directamente a la instalación. Si bien es cierto, se pueden diferenciar a las perturbaciones transitorias de las permanentes, la clasificación dada a este fenómeno no obedece principalmente a este concepto, si no que se debe fundamentalmente a la forma en como es afectada la señal que transporta la red. PERTURBACIONES EN LA RED ELÉCTRICA •

•

FLUCTUACIÓN DE VOLTAJE - PARPADEO DEL VOLTAJE - TRANSITORIO DE CORRIENTE INTERRUPCION DE VOLTAJE - DISTORSION DE ARMONICAS POR FENÓMENOS ELÉCTRICOS QUE AFECTAN A LA CALIDAD DE LA ENERGIA

TRANSIENTES

DIPS

SWELLS

OUTAGES

DESBALANCE

Rayos, conexión de banco de condensadores, partidas de motores, etc. Cortocircuito, conexión de cargas de alta potencia, fallas cercanas. En general demandas de altas corrientes. Cortocircuitos monofásicos, desconexión de cargas de alta potencia. Fallas cercanas. Fallas a nivel de generación eléctrica o grupo generador. Cortes en las líneas de Tx y/o alimentadores. Fallas en subestaciones. Etc. Operación

de

fusibles

y

• •

•

•

•

•

• •

Quema de sistemas electrónicos Reseteos de equipos Problemas de operación y accionamiento en motores con convertidores estáticos. Reseteos de equipos electrónicos. Afecta el aislamiento de equipos. Problemas en circuitos electrónicos. Aislamiento de conductores por temperatura. Cortes en equipos sensibles. Reseteos equipos informáticos y otros.

6



protecciones en tablero. Exceso de carga monofásica en líneas.

FRECUENCIA

FLICKER

NOTCHES

Generalmente, por fallas en las generadoras eléctricas por velocidad de rotación.

Provocadas por cargas que consumen mucha potencia ( demandan alta corriente ), como alumbrado, consumo común en trafos MT de alumbrado y fuerza. Soldadoras y hornos de arco, etc. Debido a la acción rectificadores trifásicos.

de

•

•

•

•

•

•

•

•

ARMONICOS

Provocadas por cargas no lineales. Toda carga que utiliza semiconductores en su funcionamiento.

• • • • •

Generación de secuencia negativas que afectan a motores. Generación de triplens que traen problemas de neutro a tierra protección. Problemas de operación en cargas como motores y similares. Perdida de reloj y sincronismo en sistemas que utilizan la frecuencia de red 50Hz como referencia. Se manifiesta a través del parpadeo de la iluminación incandescente, luminarias. Destrucción y mal funcionamiento de artefactos eléctricos.

Problemas en circuitos de sincronización en equipos de potencia. Adelantamiento de la hora en equipos digitales ( ascensores, etc ) Calentamiento de conductores Disparo falso de protecciones Problemas en motores, Problemas en neutro, Reseteo de equipos en general.

1.2. CONTAMINACIÓN ARMONICA POR CARGAS NO LINEAL

En general, todos las equipos que no contengan elementos semiconductores (cargas lineales), tienen una respuesta de corriente con forma de onda igual a la respectiva señal de excitación de voltaje; esto significa que la corriente es proporcional al valor instantáneo de la tensión, y está en fase o desfasada dependiendo de si la carga es resistiva, inductiva, capacitiva o combinación de estas. En síntesis, si la tensión es sinusoidal también lo será la corriente. Una carga con características no lineales, posee elementos semiconductores que produce que la corriente de ellas, no sea proporcional al valor instantáneo de la tensión de la red. Estas cargas absorben corriente en impulsos bruscos en lugar de hacerlo con suavidad, tal como es el caso de las cargas de características lineales. Dichos impulsos crean una onda de corriente distorsionada que contiene los denominados armónicos de corriente.



Un armónico determinado, es una perturbación superpuesta a la onda fundamental que también es una onda sinusoidal, pero de distinta frecuencia de pulsación y con valores de amplitud menores a esta. En nuestras redes eléctricas, el periodo (T) de la señal es de 20 (ms).

Los armónicos tienen la propiedad de que su periodo de pulsación es siempre menor al de la fundamental, y además, se repite un número entero de veces dentro de dicho periodo (menor periodo = mayor frecuencia). Según el número de veces que el armónico "quepa" dentro del periodo fundamental, así se denominará el armónico.

8



En una red eléctrica pueden coexistir un número infinito de estos armónicos, todos superpuestos, dando como resultado de sus acciones una onda periódica no sinusoidal que denominamos distorsión armónica.

Cada uno de los armónicos tiene un nombre que lo caracteriza ( segundo, tercer, cuarto, etc.). una frecuencia ( 100hz, 150hz, 200hz, .. ) y una secuencia de giro (positiva, negativa o cero ). En los sistemas de corriente alterna en estado normal, la forma de onda de la señal presenta características simétricas , es decir , la amplitud del semiciclo positivo es igual a su semiciclo negativo; esto implica que en la señal no exista la denominada componente continua . ( el valor promedio de la señal es igual a cero ). EL PROBLEMA DE LAS ARMÓNICAS EN SISTEMAS ELÉCTRICOS Y SUS EFECTOS Un sistema eléctrico ideal debe proporcionar un voltaje con las siguientes características : 1. Amplitud constante 2. Forma de onda sinusoidal 3. Frecuencia constante 4. Simetría en el caso de red trifásica

Bajo estas condiciones, las máquinas y equipos eléctricos conectados a este sistema no debieran presentar un comportamiento anormal y deberían funcionar tal como se espera en su diseño. Sin embargo, un sistema eléctrico real no cumple con las características ideales mencionadas anteriormente. En la práctica, las redes eléctricas presentan una serie de alteraciones o perturbaciones que alteran a la calidad del servicio, dentro de las cuales destacan: • •

Variaciones de frecuencia Variaciones de la amplitud del voltaje (flicker)

9

ARMONICOS EN REDES ELECTRICAS. Problemas y Soluciones WWW.DHSING.CL • • •


Sobretensiones Asimetrías entre las fases Deformaciones en voltajes y corrientes => Armónicas

El origen del problema está en la presencia de cargas no lineales dentro del sistema eléctrico. Estas cargas no lineales provocan la circulación de corrientes no sinusoidales, que pueden ser consideradas como la superposición de corrientes de diferente frecuencia . Las corrientes de diferente frecuencia provocan caídas de voltaje de frecuencia distinta de 50 Hz, en la reactancia de corto circuito X. Esto origina, en definitiva, que el voltaje en la barra (VB) se distorsiona afectando a los otros consumidores y a la misma carga no lineal. Dentro de las cargas no lineales, destacan como generadores de armónicas los convertidores estáticos y los hornos de arco. Lamentablemente, las armónicas producen efectos negativos en los equipos y en los sistemas eléctricos y electrónicos, empeorando su operación.

IMPORTANCIA DEL PROBLEMA DE LAS ARMÓNICAS En las últimas décadas, las empresas eléctricas y los usuarios se han visto enfrentados a la necesidad de optimizar sus procesos para mejorar la eficiencia en el uso de la energía eléctrica. El aumento en la eficiencia se ha conseguido mediante la incorporación masiva de Convertidores Estáticos, para controlar y transformar la energía eléctrica. Los convertidores estáticos han sido en gran medida responsables de los grandes avances en la automatización de los procesos industriales. Sin embargo, estos equipos se caracterizan porque demandan corrientes no sinusoidales de la red, originando distorsiones en las tensiones y corrientes. En la actualidad, se observa que el uso industrial de los convertidores estáticos sigue aumentando y con ello incrementan los problemas asociados a las corrientes no sinusoidales. Esta es la razón de porqué se ha producido un gran interés en el problema de las armónicas en redes eléctricas.

IMPORTANCIA DEL PROBLEMA DESDE UN PUNTO DE VISTA TÉCNICO

Desde el punto de vista técnico, las armónicas producen una serie de efectos negativos, los que pueden ser resumidos en : • • •

AUMENTO DE PÉRDIDAS EN REDES Y EN EQUIPOS ELÉCTRICOS DISMINUCIÓN DE LA VIDA ÚTIL DE LOS EQUIPOS PÉRDIDA DE CALIDAD Y DE CONFIABILIDAD DE LA INSTALACION ELÉCTRICA

IMPORTANCIA DEL PROBLEMA DESDE UN PUNTO DE VISTA ADMINISTRATIVO, COMERCIAL Y LEGAL La experiencia ha demostrado que son los aspectos no técnicos los que más impulsan a las empresas a preocuparse del problema de las armónicas. Bajo aspectos no técnicos se entiende los ADMINISTRATIVOS, COMERCIALES y LEGALES.

OBJETIVOS GENERALES DE UN ESTUDIO DE ARMÓNICAS

El procedimiento específico para estudiar un problema de armónicas, dependerá de los objetivos del estudio. Los objetivos más usuales considerados en este tipo de estudio, son : -

Evaluar el grado de contaminación armónica existente en una red. Evaluar el impacto que tendrá sobre el sistema la introducción de una nueva carga

10


-


inyectora de armónicas. Esto significa cuantificar la distorsión de las variables más importantes de la red. Resolver problemas de interferencia telefónica. Investigar problemas de fusibles quemados en bancos de condensadores y filtro de potencia existentes en sistemas contaminados. Determinar el impacto y la ubicación óptima de bancos de condensadores o filtros para compensación de potencia reactiva en sistemas con cargas contaminadoras. Diseñar filtros de potencia para el control y atenuación de armónicas.

PROCEDIMIENTO PARA HACER UN ESTUDIO DE ARMÓNICAS Cuando se tiene un problema de armónicas, no es aconsejable aventurar una solución y probarla inmediatamente en la práctica para ver "qué pasa". Los costos de los equipos involucrados hacen que esta metodología no sea aceptable. Además, una medida mal analizada puede agravar aún más el problema. El análisis parte fijando los objetivos del estudio. Posteriormente, se debe hacer una reducción y modelado del sistema que considera: agrupación de cargas, identificación de tipos de consumos, etc. También es necesario establecer modelos especiales de los equipos eléctricos para un análisis de armónicas. Recién después de estos pasos previos, es posible realizar una evaluación preliminar del contenido de armónicas en el sistema. Naturalmente, esta evaluación preliminar debe hacerse mediante el uso de computadores, debido a la complejidad característica de los sistemas eléctricos. Posteriormente, es necesario realizar mediciones de armónicas en terreno para validar los modelos y obtener resultados correctos. Una vez que se ha probado la validez de los modelos, se obtiene una herramienta poderosa para estudiar eficazmente el problema de las armónicas en la operación futura del sistema. Un problema práctico de interés, está relacionado con los filtros y bancos de condensadores . En general, el problema de los filtros se restringe básicamente a 2 situaciones: 1 ) Estudio del comportamiento armónico de filtros de características preestablecidas. 2 ) Diseño de filtros para reducir el nivel de distorsión de armónica. El primer caso es relativamente simple, pues se tienen los parámetros para hacer el análisis. El segundo caso es más complicado, porque deben estudiarse diversos tipos de filtros y diseñar sus parámetros: valores de R, L y C, potencias, tensiones y corrientes por los elementos. También es complicado el trabajo con bancos de condensadores para corrección del factor de potencia a 50 Hz. Aquí, deben cuidarse los procedimientos de conexión y desconexión (comportamiento transitorio) y el comportamiento armónico. Estos antecedentes revelan la utilidad de tener una herramienta de análisis teórico

11



adecuadamente validado para enfrentar en forma sistemática estos problemas.

CASOS EN QUE DEBERÍA HACERSE UN ESTUDIO DE ARMÓNICAS Los estudios de armónicas, al igual que cualquier estudio, cuestan dinero y solamente deberían hacerse en casos justificados. Surge así la pregunta: ¿En qué casos debe hacerse un estudio de armónicas? Estos estudios deben hacerse en las siguientes situaciones :

1 ) En redes débiles, con potencia de cortocircuito baja que tienen cargas no lineales que inyectan corrientes armónicas (convertidores, hornos de arco). 2 ) Cuando la potencia de las cargas contaminantes es importante con respecto a la potencia

instalada de la planta o industria.. 3 ) Cuando se dan algunos indicios operacionales inquietantes, tales como la quemazón de

fusibles, cables, filtros y bancos de condensadores. A veces estos elementos se queman "sin causa aparente". En estos casos es muy probable que la causa esté relacionada con las armónicas. 4 ) Cuando un cliente sospecha que la distribuidora eléctrica

está inyectando armónicas o

viceversa.

¿ EN QUÉ MOMENTO HACER UN ESTUDIO DE ARMÓNICAS ? No es fácil, en general, justificar económicamente la realización de un estudio de armónicas o la instalación de filtros de potencia cuando un sistema eléctrico ya está con todos sus equipos funcionando. Esto se debe a que el sistema está funcionando, con algunos problemas, pero funciona. En cambio, es más fácil justificar el estudio de armónicas cuando se hace una ampliación o modificación importante en la planta. En este caso, no se sabe si el sistema tendrá problemas o no frente a la adición de más contaminantes, lo que justifica hacer un estudio. Además, los costos del estudio se pueden cargar al proyecto de las nuevas instalaciones.

1.3. LOS CONVERTIDORES DE FRECUENCIA Y LA GENERACIÓN DE CONTAMINACIÓN ARMÓNICA Durante muchos años los convertidores de frecuencia (VDF) han sido usados en diversas aplicaciones industriales, debido, principalmente, al control preciso de la velocidad que éstos proporcionan a los motores eléctricos de corriente alterna y porque se han transformado en piezas claves dentro de los esquemas de control de procesos por diversas características adicionales al simple hecho de variar la velocidad. Sin embargo, los convertidores de frecuencia son fuentes generadoras de perturbaciones eléctricas, como lo es la contaminación armónica. Las corrientes armónicas generan problemas tanto en el sistema de suministro de energía cómo dentro de la instalación y eliminarlos, o al menos atenuarlos, es una necesidad cada vez más prioritaria en la industria moderna. En un sistema de alimentación ideal (libre de armónicos), las formas de onda de la corriente y la tensión son sinusoidales puras. Por ejemplo, en un circuito formado sólo por cargas lineales por



ejemplo cargas resistivas, la corriente que fluye a través de los componentes es proporcional a la tensión aplicada a una frecuencia determinada. Dicho de otro modo, si se aplica una tensión senoidal se produce una corriente senoidal en la carga. No obstante, en la práctica nos encontramos con componentes no lineales interactuando en los circuitos eléctricos.

Carga No lineal ASIMÉTRICA Inyección de armónicos PARES E IMPARES

Un rectificador es una carga no lineal. Cuando aplicamos una tensión senoidal a una carga a través de un rectificador, obtendremos una forma de onda de corriente muy distinta a una sinusoide, en la que pueden presentarse ciertas asimetrías e histéresis y los puntos de corte y las pendientes variarán con la carga.



14



Regulador de luz o de temperatura. Ej : Iluminación controlada • •

Parilla Eléctrica

Rectificador de una fuente de alimentación conmutada, ej : • •

Computadores Electrodomesticos

R ectificador trifásico con entrada a condensador en CC. Ej : •

Variador de Velocidad para motores

Rectificador trifásico con autoinducción en Filtro en CC. Ej : •

Cargador de batería

Rectificador trifásico con autoinducción de alisado en la entrada AC. Ej : •

SAI de gran potencia



Caída de tensión : 4% Reducción de los armónicos de corriente generados por el equipo disminuyendo así el consumo de corriente y mejorando el factor de potencia. Disminución del factor de cresta de la onda de corriente, alargando así la vida del equipo y evitando posibles averías. Atenuación de los microcortes en la tensión de alimentación producidos por el convertidor, causantes del funcionamiento incorrecto de computadores, tarjetas y otros equipos sensibles •

•

•

Esto es lo que da origen a la generación de armónicos, los cuales son magnitudes eléctricas múltiplos de una componente fundamental. Por ejemplo, una corriente medida a 50 Hz es la componente fundamental y todas las corrientes medidas a las frecuencias múltiplos de 50 Hz son armónicas de esta corriente fundamental. Estas corrientes se expresan como un porcentaje de la corriente fundamental y la sumatoria de todos estos porcentajes se expresa como "THD" (Total Harmonic Distortion). Dentro de las instalaciones eléctricas industriales los armónicos más preocupantes son los de corriente; no obstante, los armónicos de voltaje también generan problemas.

Problemas generados por los armónicos de corriente: Sobrecarga de los conductores neutros, Sobrecalentamiento de los transformadores de alimentación, Operación espontánea de protecciones diferenciales, Sobrecarga de los condensadores que corrigen el factor de potencia, Efecto superficial, etc. Problemas generados por los armónicos de voltaje: Distorsión de la tensión, Problemas en los motores de inducción, Ruido de paso por cero, etc.



La mayoría de los VDFs operan usando puentes rectificadores en la entrada (cargas no lineales), por lo que estos equipos entregan a la red eléctrica contaminación armónica. Dependiendo del tipo de puente rectificador será la magnitud y el orden de los armónicos que aparecerán. Por ejemplo, un puente rectificador de 6 pulsos (6 diodos) sólo contendrá armónicos impares y eliminará el 3º armónico y todos los múltiplos de este (Ej., el 9º el 15º, etc). Como los armónicos son un problema, es que hay que buscar formas de eliminarlos o al menos atenuarlos.







ARMONICOS EN REDES ELECTRICAS. ELE CTRICAS. Problemas y Soluciones WWW.DHSING.CL


1.4. TEORIA DE LA SERIE DE FOURIER El estudio de las ondas periódicas se fundamenta en el TEOREMA DE FOURIER , matemático y físico francés quien demostró que : CUALQUIERA QUE SEA LA FORMA DE ONDA DE UNA SEÑAL PERIÓDICA SIEMPRE PUEDE DESCOMPONERSE EN UN CIERTO NÚMERO DE ONDAS SINUSOIDALES CUYAS AMPLITUDES SUMADAS ALGEBRAICAMENTE DAN COMO RESULTADO LA FORMA DE ONDA DE DICHA SEÑAL PERIÓDICA, CON LA PARTICULARIDAD DE QUE LA FRECUENCIA DE ESTAS ONDAS SINUSOIDALES COMPONENTES SIGUE UN ORDEN ARMÓNICO, ES DECIR, PARTEN DE UNA FRECUENCIA FUNDAMENTAL A LA QUE SE AÑADE LA FRECUENCIA DOBLE (ARMÓNICO 2), LA FRECUENCIA TRIPLE (ARMÓNICO 3) Y ASÍ SUCESIVAMENTE.

DEFINICIÓN Y MAGNITUDES ESENCIALES para el análisis armónico Joseph FOURIER demostró que toda función periódica no senoidal puede representarse por una suma de términos senoidales cuyo primer sumando, a la frecuencia de repetición de la función, se llama fundamental y los otros a frecuencias múltiplos múltiplos de la fundamental se llaman armónicos. A estos términos, puramente senoidales, puede unírseles eventualmente una componente continua. FÓRMULA SERIE DE FOURIER

Yo : Valor de la componente continua, generalmente nula. Yn : Valor eficaz del armónico de orden n, : Pulsación de la frecuencia fundamental n: Defasaje de la componente armónica de orden n .

Esta noción de armónico se aplica al conjunto de fenómenos periódicos, cualquiera que sea su naturaleza, pero especialmente a la corriente alterna.

21

ARMONICOS EN REDES ELECTRICAS. ELE CTRICAS. Problemas y Soluciones WWW.DHSING.CL •


Hay una identidad entre la expresión usual de este valor eficaz calculado a partir de la evolución en el tiempo de la magnitud alterna [y(t)] y la expresión calculada a partir de su contenido de armónicos : VALOR EFICAZ DE UNA MAGNITUD ALTERNA NO SENOIDAL

=

Si hay armónicos, los aparatos de medida deben de tener una amplia banda pasante (> 1 khz). •

TASA DE DISTORSIÓN ARMONICA (TDA o DTH ) La tasa de distorsión es un parámetro que

define globalmente la deformación de la magnitud alterna :

Hay también otra definición que sustituye la fundamental Y1 por el valor eficaz total Yeff. Ciertos aparatos de medida medida la utilizan utilizan la Tasa individual. Esta magnitud representa la razón del valor eficaz de un armónico respecto al valor eficaz de la fundamental (Y1), según la definición usual, o bien respecto al valor eficaz de la magnitud alterna (Yef):

•

TASA INDIVIDUAL DE ARMÓNICOS ( An%)

•

ESPECTRO (DE FRECUENCIA) Es la representación de la amplitud de los armónicos en

función de su orden o rango; el valor de los armónicos se suele expresar en porcentaje de la fundamental. •

FACTOR DE POTENCIA y COS 1 Cuando hay armónicos, es importante no confundir estos

dos términos, que son iguales solamente cuando las corrientes y tensiones son perfectamente senoidales. ) es la razón entre las potencias activa P y aparente S :

•

EL FACTOR DE POTENCIA POTENCIA (

•

EL FACTOR DE DEFASAJE ( COS 1 ) se refiere a las magnitudes fundamentales, por tanto :

En regimen senoidal puro :

ARMONICOS EN REDES ELECTRICAS. ELE CTRICAS. Problemas y Soluciones WWW.DHSING.CL


FACTOR DE DEFORMACIÓN Según la CEI 146-1-1, es la razón entre el factor de potencia y el cos

1

Siempre es < = 1

•

FACTOR DE CRESTA

Es la razón del valor de pico respecto al valor eficaz de una magnitud

periódica :

•

LA TASA GLOBAL DE DISTORSIÓN ARMÓNICA

en tensión es la magnitud que caracteriza

este fenómeno : •

donde: frecuencia del armónico n Zn : Es la impedancia total de la fuente a la frecuencia armónico n. U1 : Voltaje Fundamental In : Es el valor eficaz del armónico

La deformación de la tensión es mayor cuando la carga es deformante y absorbe corrientes armónicas de orden elevado ( impedancia de la fuente inductiva 2 f1nL ). Recordemos que la tasa global de distorsión de la corriente es :

Para jerarquizar el comportamiento de los principales tipos de fuentes, la figura muestra la variación de sus impedancias en función de la frecuencia. Recordemos que los cables de gran sección son, sobre todo, inductivos, y que los cables de poca sección tienen una resistencia que no se puede pasar por alto.

23



Efectos perjudiciales de los armónicos Efectos en los aparatos y sistemas de poca corriente

LA DISTORSIÓN ARMÓNICA PUEDE PROVOCAR: •

•

•

El mal funcionamiento de ciertos aparatos que utilizan la tensión como referencia para el control de los semiconductores o como base de tiempos para la sincronización de ciertos equipos. Crean perturbaciones, porque se crean campos electromagnéticos. Así, cuando los conductores de baja intensidad o de transmisión de datos están muy próximos a cables de gran potencia recorridos por corrientes armónicas, pueden, por inducción, ser receptores de corrientes que pueden provocar fallos en el funcionamiento de los elementos conectados a ellos. Por ultimo, la circulación de corrientes armónicas por el neutro provoca una caída de tensión en el conductor ; así, si el sistema de puesta a tierra del neutro es el TN-C, las masas de los diversos equipos no quedan a la misma tensión, lo que por su propia naturaleza provoca perturbaciones en los intercambios de información entre receptores inteligentes.

Además, hay circulación de corrientes por las estructuras metálicas de los edificios y por tanto, creación de campos electromagnéticos perturbadores. La impedancia de los condensadores disminuye al aumentar la frecuencia. Por tanto, si la tensión está deformada, por los condensadores que se usan para la corrección del cos circulan corrientes armónicas relativamente importantes. Por otra parte, la existencia de inductancias en algún punto de la instalación tiene el riesgo de que se produzca resonancia con los condensadores, lo que puede hacer aumentar mucho la amplitud de un armónico en los mismos. 

En la practica, hay que ir con mucho cuidado en no conectar nunca condensadores en instalaciones que tengan una tasa de distorsión armónica superior al 8%. Efectos en los transformadores Los armónicos producen pérdidas adicionales en los transformadores : Perdidas por efecto Joule en los bobinados, incrementadas por el efecto pelicular, •

24



Pérdidas por histéresis y corrientes de Foucault, en los circuitos magnéticos . Para valorar de alguna forma todas estas pérdidas, hay una fórmula empíricas normalizada (NFC 52- 114) que permite calcular el coeficiente de cambio de clase k que hay que aplicar a un transformador: Como en los transformadores, los armónicos producen pérdidas adicionales en los bobinados y en el circuito magnético. Los armónicos producen también acoplamientos pulsantes que provocan vibraciones y calentamientos adicionales en los amortiguadores.Por último, siendo la reactancia subtransitoria relativamente importante, la tasa de distorsión armónica en tensión aumenta rápidamente cuando aumentan las corrientes armónicas.En la practica, se admite limitar la tasa de distorsión armónica en corriente a un valor inferior al 20%, con un límite del 5% para cada orden de armónico. Para valores mayores hay que consultar con los fabricantes viendo el espectro de corriente que realmente absorbe cada carga. •

Efecto en los cables y en especial, en el conductor de neutro

Las corrientes armónicas provocan pérdidas adicionales en los conductores, incrementadas además por el efecto pelicular. Cuando las cargas monofásicas absorben corrientes del 3º armónico y sus múltiplos, es peor todavía, porque sus corrientes están en fase y se suman en el conductor de neutro. A ) La forma de onda que presenta una simetría de media onda NO TIENE ARMONICOS COMPONENTES DE ORDEN PAR B ) Una forma de onda que presenta no sólo la simetría de media onda sino incluso la simetría de los cuartos de onda, NO CONTIENE ARMÓNICOS DE ORDEN PAR Y LOS ARMÓNICOS DE ORDEN IMPAR QUE LA INTEGRAN SE HALLAN TODOS ELLOS EN FASE , es decir, sus respectivas amplitudes pasan en el mismo instante por cero como muestra la figura B.

CONSTITUCIÓN DE ONDAS COMPLEJAS ASIMÉTRICAS (A) ONDAS SIMÉTRICAS POR INTEGRACIÓN DE ARMONICOS “ PARES “ (B) O DE ARMONICOS “ IMPARES” (C) ( C) CUALQUIERA QUE SEA SU RELACION DE FASE.

25



1.5. DISTORSIÓN ARMÓNICA Y FORMA DE CALCULO ap Para el calculo de THD-V y posterior comparación con los valores limites establecidos por la Norma Técnica, se deben utilizar las siguientes formulas : l s

THDv THDi Vk : Es la componente armónica de tensión de orden k Ik I1 : Es la tensión a frecuencia fundamental V 1

: Es la componente armónica de corriente de orden k : Es la corriente a frecuencia fundamental

1.6. ESPECTRO DE FRECUENCIA , AMPLITUD Y RANGOS Los armónicos son una medida de la distorsión de la onda sinusoidal de tensión, de corriente o de potencia. La señal puede concebirse como una combinación de diversas ondas sinusoidales con diferentes frecuencias. Las contribuciones de cada uno de estos componentes a la señal total se presenta mediante barras. La THD es la cantidad de armónicos en una señal como porcentaje del valor RMS total (THD-R) o como porcentaje del fundamental (THD-F). Mide el grado en que la forma de onda se desvía de una forma sinusoidal pura. 0% indica que no hay distorsión. DEFINICIONES COMUNES ARMONICA DOMINANTE : Componente con mayor amplitud ARMONICAS PARES : Componente múltiplo PAR de frecuencia Fundamental : Componente múltiplo IMPAR de frecuencia Fundamental ARMONICO IMPARES SUBARMONICA : Componente igual a un SUBMÚLTIPLO de frecuencia fundamental ( Fenómeno transitorio ) INTERARMONICA : Señal con frecuencia que no se relaciona con la fundamental ( Fenómeno transitorio ) MEDICIONES CON INSTRUMENTOS ANALIZADORES Y REGISTRADORES

26



FORMULAS DE CALCULO TIPICAS EN ANALIZADORES DE CALIDAD ELECTRICA



SECUENCIA ARMÓNICA Los armónicos pueden ser de secuencia positiva (+), de secuencia cero (0) o de secuencia negativa (-). Los armónicos de secuencia positiva intentan hacer funcionar el motor más rápido que el fundamental; los de secuencia negativa intentan hacerlo funcionar más lento que el fundamental. En ambos casos, el motor pierde par y se recalienta. •

Orden Frecuencia Secuencia

F

2°

3°

4°

5°

6°

50 60

1OO 120

150 180

200 240

250 300

300 360

-

0

+

-

+

0

7°

8°

9°

10°

11°

350 420

400 480

450 540

500 600

600 660

+

-

0

+

-

Si las formas de onda son simétricas, incluso los armónicos desaparecen. SECUENCIA ROTACIÓN Efectos ( corrientes eddy, efecto skin, etc ) a favor Calentamiento conductores, circuitos breakers, etc. + contrario Calentamiento + problemas en motores no Calentamiento+ suma en neutro en sistemas de 3 fases 0 ARMÓNICOS : ángulo y diferencia de fase



VOLTAJES DE SECUENCIA : cero, positiva y negativa

FACTOR DE CRESTA : Este factor permite dar una rápida idea de que tan distorsionada esta la forma de onda medida, con respecto a una onda senoidal pura.

Ej. Sinusoidal de 141V de peak y valor rms o eficaz de 100V :

Factor de Cresta = FC = 141V = 1.41 100V

28



VALOR PROMEDIO ( AVERAGE VALUE )

Ej : Si el valor rms es 100V

entonces

VM = 141V · 0,637

= 90V

VALOR RMS : El instrumento que lea el Verdadero Valor RMS debe muestrear la onda de tensión y corriente en un ciclo de trabajo.

Ej : Si el valor rms es 100V, entonces el valor peak = 2 · Vrms = 1,41 · 100V = 141V

DESEQUILIBRIO DE TENSIÓN TRIFÁSICA . Un sistema trifásico ésta desequilibrado cuando las 3 tensiones no son iguales en amplitud y/o o estas defasadas ( fuera 120º). Para calcular el porcentaje de desequilibrio de la tensión trifásica se debe emplear la siguiente expresión y debe ser < 1% : V fase 1 + V fase 2 + V fase 3 = VP 3 Vfase1 – VP = VR

Vfase2 - VP = VS

Vfase3 - VP = VT

· 100

TABLA DE CONVERSIÓN DE TENSIONES SINUSOIDALES Conversión del valor

A valor RMS/EFICAZ

Rms/eficaz Medio

1,11

Peak Peak to Peak

0,707 0,354

A valor MEDIO 0,901 0,637 0,318

A valor PEAK 1,414 1,570

A valor PEAK to PEAK 2,828 3,141 2,00

0,5

29



1.9. FACTOR DE POTENCIA Y DESPLAZAMIENTO FDP FACTOR DE POTENCIA (PF) Es el coeficiente entre la potencia real y la aparente. Las cargas inductivas ( XL ) hacen que la corriente se retrase con respecto a la tensión, en tanto que las cargas capacitivas ( XC )hacen que se adelante a la tensión. También la presencia de corrientes de armónicos disminuye el factor de potencia. El factor de potencia utiliza el valor total de rms, incluyendo asi todos los armónicos, para su cálculo. 0 a 1 No se consume toda la potencia suministrada, presencia de potencia reactiva. 1

El dispositivo consume toda la potencia suministrada, no hay potencia reactiva.

-1

El dispositivo genera potencia, corriente y tensión en fase.

-1 a 0 El dispositivo genera potencia, adelantos o retrasos de corriente

FACTOR DE POTENCIA Y ARMONICOS Desfase en un MOTOR DE INDUCCIÓN de 2 velocidades

Desfase de un MOTOR DE INDUCCIÓN controlado por Convertidor de Frecuencia variable ( PWM )

30



Comparando las 2 figuras anteriores se puede ver que la componente fundamental de la tensión y la corriente están en fase, por tanto el coseno seria 1. Sin embargo, realizando la medición real daría una medida de 0,85 por ejemplo. ( FP )

Se obtiene cuando se calcula usando la Fundamental y sus armónicos de la Potencia real y aparente. ( DPF )

Se obtiene cuando se calcula solo la componente Fundamental de la potencia real y aparente Si consideramos una instalación eléctrica monofásica, con una tensión U aplicada sinusoidal y una carga NO LINEAL e INDUCTIVA, la corriente poliarmonica se puede representar según FOURIER :

La tensión será de la forma

· sen ( los valores eficaces de la tension y la corriente se calculán :

U = U1 La potencia active, reactiva y aparente, serán :

31



reemplazando P y S en :

Kd : factor Contracción

32



1.10. FACTOR K PARA TRAFOS Y SUBESTACIONES ELECTRICAS FACTOR K DE TRANSFORMADORES ( KF ) Es un número que indica pérdidas en los transformadores debido a las corrientes armonicas. Los armónicos de orden superior influyen sobre el factor K más que los de orden inferior. Se utiliza la siguiente definición para calcular el factor K :

Si Fk = 0 significa que la red eléctrica no tiene componentes armónicas Por ejemplo: si H5 = 25% ; H7 = 14% ; H11 = 9% ; H13 = 8%, el factor k es de 0,91. USAR NORMA EUROPEA ( 0 a 1 )

33



1.11. DECRETO 327 ( EXTRACTO ) : CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA ( Chile ) REVISIÓN AL MARCO REGULATORIO ACERCA DE LA GARANTIA DE CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA El suministro de electricidad está sujeto, entre otras, al Decreto Nº 327, que establece los límites admisibles de magnitudes y fenómenos que caracterizan o afectan a la señal sinusoidal de 50 Hz. Basada en un enfoque estadístico, el citado decreto, está destinado a garantizar un determinado nivel de calidad en una explotación normal .

La energía eléctrica que se suministra al cliente puede verse perturbada ; las características fundamentales (tensión, frecuencia), pueden sobrepasar los márgenes de tolerancia, fenómenos de distorsión pueden afectar la calidad de la señal y fenómenos transitorios pueden provocar funcionamiento incorrecto o daños en los componentes (maniobras, rayos, etc ). En algunos casos, estas perturbaciones son propias de la red, mientras que en otros, son consecuencia de las características de las cargas conectadas (no lineales). El desarrollo actual de productos que generan perturbaciones en la señal, es debida a la tecnología utilizada en su construcción, pero sucede que estos, son también sensibles a esas mismas perturbaciones (electrónica, informática). Sistemas con capacidad instalada en generación superior. Los parámetros a analizar y definir son los siguientes : 1. FRECUENCIA DE LA SEÑAL 2. AMPLITUD y VARACIÓN DE LA TENSIÓN 3. FLUCTUACIONES DE VOLTAJE 4. INTERRUPCIÓN DE VOLTAJE 5. SEVERIDAD DEL PARPADEO 6. SOBRETENSIONES TEMPORALES 7. SOBRETENSIONES TRANSITORIAS 8. DESEQUILIBRIO DE TENSIÓN 9. GENERACIÓN DE ARMÓNICOS 10. PRINCIPALES FUENTES GENERADORAS DE ARMONICOS 11. TENSIONES INTERARMÓNICAS 12. SEÑALES DE INFORMACIÓN TRANSMITIDAS POR LA RED ELECTRICA

1.1.1.1 FRECUENCIA, AMPLITUD Y VARIACIÓN DE TENSIÓN

1. Debe ser de 50 Hz en condiciones normales de operación. Su valor promedio medido en intervalos de tiempo de 10 segundos durante todo período de siete días corridos, deberá encontrarse en el rango siguiente:

Sistemas con capacidad instalada en generación menor que 1,5 MW: -sobre 49,8 Hz y bajo 50,2 Hz durante al menos el 94% del período.



2. La tensión nominal de los suministros en baja tensión de distribución son de 220 (V) fase-neutro para el caso monofásico y 380 (V) entre fase-fase para el caso trifásico. En los suministros de alta tensión de distribución, las tensiones son superiores a 400 (V) e inferiores o iguales a 23KV, trifásico, entre fases. Nota: si bien es cierto se habla de “suministros de alta tensión de distribución”, el voltaje utilizado corresponde al rango de tensión media. Las variaciones u holguras permitidas de la tensión nominal en el punto de conexión, son las siguientes:

1. EN BAJA TENSIÓN (BT) : Excluyendo períodos con interrupciones de suministro, el valor estadístico de la tensión medido de acuerdo con la norma técnica correspondiente, deberá estar dentro del rango de ±7,5% durante el 95% del tiempo de cualquiera semana del año o de siete días consecutivos de medición y registro. 2. EN MEDIA TENSIÓN (MT): Excluyendo períodos con interrupciones de suministro, el valor estadístico de la tensión medido de acuerdo con la norma técnica correspondiente, deberá estar dentro del rango ±6,0% durante el 95% del tiempo de cualquiera semana del año o de siete días consecutivos de medición y registro.

35



1.1.1.2 FLUCTUACIÓN E INTERRUPCIÓN y distorsiones de la señal

3. Son modificaciones en la amplitud de la señal de la alimentación, en términos de aumento o disminución, respecto del valor nominal de la tensión de la red de suministro. Se caracterizan fundamentalmente por su tiempo de existencia, clasificándolas en las de corta o larga duración.

Fluctuaciones de voltaje 1. LAS FLUCTUACIONES DE CORTA DURACIÓN : Estas pueden ser instantáneas , momentáneas o temporales. Las primeras, tienen un tiempo "t" de desarrollo de acuerdo a la tabla siguiente : Fluctuación corta duración

tiempo

Voltaje nominal

1. Instantáneas

0,01 y 0,6 sg

Av+ 107,5 % y 180% Av- 10% y 92,5%

En las fluctuaciones de corta duración momentáneas, el tiempo t de desarrollo esta comprendido, según tabla : ʺ

ʺ

fluctuación corta duración

tiempo

Voltaje nominal

2. momentáneas

0,6 y 3 sg

Av+ 107,5 % y 140% Av- 10% y 92,5%

Las fluctuaciones temporales de corta duración, tienen un tiempo "t" de desarrollo de acuerdo a la tabla mostrada : Fluctuación corta duración

tiempo

Voltaje nominal

3. Temporales

3 sg y 1 minuto

Av+ 107,5 % y 120% Av- 10% y 92,5%

2. LAS FLUCTUACIONES DE LARGA DURACIÓN : Estas pueden ser del tipo caídas o subidas de voltaje . Su comportamiento esta dado según muestra la tabla : Fluctuación larga duración  

Caída voltaje ( sag -dip) Subida voltaje ( swell )

tiempo

Voltaje nominal

t > 1 minuto t > 1 minuto

Av- 80 % a 92,5% Av+ 107,5% y 120%

36



E

4. Se consideran como interrupciones de voltaje, a las disminuciones de tensión de magnitud típica bajo el 10% hasta incluso el 0% del valor nominal . •

Las interrupciones de voltaje de clasifican, conforme al tiempo y la magnitud, en momentáneas, temporales y sostenidas. Tipo interrupción voltaje

Momentáneas  Temporales  sostenidas



Tiempo t

Voltaje nominal

entre 0,01 y 3 sg entre 3 sg y 1 minuto permanente > 1 minuto

0 < Av < 10% 0 < Av < 10% Av = 0 volts

1.11.3. SEVERIDAD DEL PARPADEO DE VOLTAJE

Esta sensación también llamada “ flicker ”, se caracteriza, como su nombre lo indica, por variaciones de la luz que pueden resultar molestas a partir de cierto nivel. Una fórmula basada en la relación de las duraciones de los diferentes niveles de iluminación, permite cuantificar el nivel de flicker. Este fenómeno, molesto sobretodo en las iluminaciones de incandescencia e incluso en las pantallas de ciertos aparatos, puede estar provocado por cargas cíclicas. Es una variación rápida y permanente de la tensión de alimentación que ocasiona particularmente en las lámparas incandescentes, un parpadeo visible y molesto.

37



Parpadeo de voltaje En Chile, el índice de severidad de parpadeo o " flicker " durante un período de registro de mediciones de una semana cualquiera del año , o de siete días consecutivos , no debe exceder en el sistema eléctrico, el valor de 1 para tensiones iguales o inferiores a 110 (kV), ni exceder 0,8 para tensiones superiores a 110 (kV). Si este índice es evaluado estadísticamente en intervalos consecutivos de 2 horas durante un período de registro de mediciones de una semana cualquiera del año o de siete días consecutivos , no debe exceder de 0,8 para tensiones iguales o inferiores a 110 (kV) ni exceder 0,6 para tensiones superiores a 110 (kV). Como una manera de representar la severidad del nivel del flicker, se definen 2 variables :

PST : Severidad del parpadeo a corto plazo (10 minutos ) PLT : Severidad del parpadeo al largo plazo ( 2 horas )

Este método por UIE ( International Electrothermy Union ) busca internacionalizar un criterio de medición flexible y amplio. Este método incluye características de los métodos francés e ingles. El método estándar utiliza la función FPC ( Curva de Probabilidad Acumulada )

Sensor voltaje Señal de Calibración

Multiplicador cuadrático

Filtro demodulador Pasabanda 0.05 – 35HZ

Integrador de 1 minuto

Flicker cuadrático medio 1 min

Filtro con característica Visión humana

Extractor de raíz

Flicker RMS medio 300ms

Multiplicador Cuadrático Filtro de 1º orden

Evaluación estadística

Flicker Estadístico



( IEC 868 )

Definiciones : BLOQUE 1 : Sensor de voltaje BLOQUE 2 : El valor sensado de voltaje se eleva al cuadrado, ya que la luminosidad depende del cuadrado de la tensión. BLOQUE 3 : Un filtro demodulador elimina la componente continua ( se hace cero el valor RMS de referencia ) y las señales superior a 35HZ. Separa las fluctuaciones de la portadora. BLOQUE 4 : Un filtro adicional considera la característica de la visión humana, de modo que a a la salida de este filtro se tiene la fluctuación de voltaje ponderada asociada al voltaje de la red. Simula la respuesta del sistema ojo-lámpara. Alcanza su máxima respuesta aproximadamente en 8,8HZ .

BLOQUE 5 y 6 : Es un multiplicador cuadrático y un filtro de primer orden de una constante de tiempo de 300ms permite simular la respuesta no lineal del sistema humano ojo-cerebro y almacenaje cerebral de la información. Un extractor de raíz permite calcular el valor efectivo del flicker . Con varios de estos valores es posible realizar estudios estadísticos del flicker. De aquí es posible analizar la información a través de gráficos y otros bloques adicionales.



1.11.4 SOBRETENSIONES TEMPORALES Y TRANSITORIAS

6. Pueden producirse tanto en la red de distribución como en las instalaciones del cliente y su efecto puede ser devastador, ya que la tensión suministrada puede alcanzar un valor peligroso para los equipos. El mayor riesgo estriba evidentemente en la aparición de una tensión compuesta fase-fase en lugar de una tensión fase-neutro, en las redes monofásicas, en caso de corte de la tierra de servicio, por ejemplo. Igualmente, fallas en la red de alta tensión (caída de una línea), pueden generar sobretensiones en la distribución de baja tensión.

7. Estos fenómenos son muy variables. Son debidos fundamentalmente a la caída de rayos y maniobras en la red . Su tiempo de subida desde unos pocos micro segundos hasta algunos milisegundos, por lo que su ámbito de frecuencia varía igualmente entre algunos kHz y varios centenares de kHz. ( f = 1/T )

21



8.

El transitorio de corriente, es una elevación de la amplitud de la corriente nominal de los equipos durante su tiempo de encendido. Este fenómeno es más perceptible en cargas con comportamiento inductivo como por ejemplo, los motores.

Esta perturbación, es un impulso de corriente debido al : Arranque de motores TV y PC por bobina desmagnetizadora y su térmico Conexión de cargas fundamentalmente de características inductivas. • • •

Transitorio de corriente Se presenta principalmente en : Motores Lámparas de descarga Equipos computacionales • • •

Sus efectos nocivos pueden ser la pérdida de la continuidad del servicio por el disparo de un dispositivo de protección mal seleccionado. Su amplitud y duración dependen principalmente del tipo de carga que sé este analizando. •

•

Computador se asume un valor de 6 veces la intensidad nominal durante un tiempo menor a 10 milisegundos. Motor puede tener una cifra cercana a las 10 veces la nominal con tiempos de arranque similares.

41



1.11.5. DESEQUILIBRIO DE TENSIÓN Y DISTORSIÓN ARMONICA

9.

Los desequilibrios de tensión son provocados por las cargas monofásicas de alta potencia . Provocan componentes de corriente de secuencia negativa que pueden generar pares de frenado y calentamientos de máquinas giratorias. Por su puesto se aconseja distribuir lo mejor posible las cargas entre las fases y proteger las instalaciones mediante dispositivos adecuados.

SISTEMA DESEQUILIBRADO

SECUENCIA POSITIVA

SECUENCIA NEGATIVA

SECUENCIA CERO

Para puntos de entrega a clientes en tensiones =< MT , se debe cumplir que el 95 % de los valores estadísticos registrados en una semana cualquiera del año o de siete días consecutivos, de la componente de secuencia negativa del voltaje, no exceda el 2 % de la correspondiente componente de secuencia positiva . El valor estadístico de la componente de secuencia negativa del voltaje, será obtenido en cada intervalo de 10 minutos, como resultado de procesar un conjunto de mediciones efectuadas en dicho intervalo y de acuerdo a lo establecido en la norma correspondiente. 2

10.

Los armónicos designan una deformación de la señal sinusoidal debido a la absorción no lineal de la corriente. Dicho de otro modo, las cargas que generan armónicos no absorben una corriente que es la imagen exacta de la tensión, tal como lo haría una resistencia . Ello provoca que la señal eléctrica se deforme y que su valor real difiera de su valor teórico. En este caso, la dificultad está en calcular el verdadero valor de dicha señal y sus posibles consecuencias. Aparte de los fenómenos destructivos, aunque , como la rotura del conductor neutro o la perforación de



los condensadores, los efectos instantáneos NO suelen ser muy limitados en los aparatos modernos. La distorsión armónica es una deformación permanente de la señal de alimentación que afecta :

Frecuencia y Amplitud, Simetría del sistema eléctrico y Forma de onda. Su origen es debido tanto al sistema de alimentación como a las características de las cargas conectadas que poseen los clientes. •

Los armónicos de tensión existen fundamentalmente en las redes de distribución de las empresas eléctricas y son debidas generalmente a la saturación del núcleo de los trasformadores existentes en ellas, mientras que los armónicos de corriente se presentan especialmente en los clientes debido a la existencia en sus redes de cargas con características no-lineales.

Además de las perdidas por histéresis, los núcleos de hierro de los transformadores clásicos tienen también perdidas originadas por su saturación. Específicamente, la saturación del núcleo se produce cuando el numero de líneas del flujo en el mismo, alcanza un punto en el que el aumento de la corriente no produce un aumento apreciable en la magnetización. En la grafica se representa una curva BH que indica el punto de saturación en el material del núcleo. En el codo de la curva punto B , el flujo de inducción magnética cesa de aumentar en forma lineal y es muy poco su aumento para el siguiente aumento grande de la corriente de magnetización. Es decir, para un aumento de la intensidad de campo de 0 a 15, el flujo aumenta desde 0 hasta el valor indicado en el punto A. Para otro aumento igual de la intensidad de campo, desde 15 a 30 el flujo de inducción aumenta a un ritmo menor hasta el punto B. A medida que la intensidad sigue aumentando desde 30, el aumento del flujo de inducción se hace relativamente pequeño. En consecuencias, el aumento de la intensidad de campo pasando al punto B o codo de la curva, produce un DISMINUCIÓN DEL RENDIMIENTO DEL TRANSFORMADOR. El aumento de la sección del núcleo disminuye el flujo de inducción para una superficie determinada, disminuyendo así, las perdidas por saturación. Sin embargo, como la pérdida por histéresis , el peso y el costo del transformador aumentan, la mayoría de los transformadores diseñados para trabajar en baja frecuencia ( 50HZ ) funcionan dentro delos valores del codo de la curva BH.


No obstante, podemos citar deformaciones de : Imágenes, ( PC, TV, MONITORES ) Distorsiones de sonido, Desfases de relojes a 50 Hz, ( temporizadores, etc ) Mediciones erróneas con aparatos basados en referencia de tensión, etc. • • • •

A mediano plazo, se aprecian problemas relativos a : Calentamientos añadidos de los conductores Circuitos magnéticos (motores, transformadores, etc ) • •


44



Si bien a escala global los efectos son difíciles de evaluar, hay que ser prudentes sobretodo en lo que se refiere a la reducción del conductor neutro, que puede sobrecargarse con armónicos de rango 3, muy frecuentes y que se suman en el conductor neutro de la instalación eléctrica.

1.11.6. PRINCIPALES FUENTES QUE GENERAN ARMÓNICOS APARATOS CON ALIMENTACIÓN RECTIFICADA MONOFÁSICA SEGUIDA DE UN CORTE ( RANGO 3º,5º Y 7º ) Televisión Computador y Redes Informáticas Equipo de fax y de oficina Lámparas iluminación con balastos electrónicos REGULADORES MONOFÁSICOS QUE UTILIZAN LA VARIACIÓN DEL ÁNGULO DE FASE ( RANGOS 3º,5º,7º ) Variadores de frecuencia Reguladores Motores de arranque EQUIPOS DE ARCO ( RANGOS 3º Y 5º ) Hornos Soldadores RECTIFICADORES DE POTENCIA, TIRISTORIZADOS RANGOS ( 5º Y 7º) Alimentación de motores, de velocidad variable, Hornos, Onduladores MÁQUINAS DE CIRCUITO MAGNÉTICO, SI ÉSTE SE HALLA SATURADO ( RANGO 3º ) Transformadores Motores APARATOS DE ILUMINACIÓN DE ARCO CONTROLADO ( RANGO 3º) Lámparas con balastos electromagnético Lámparas de vapor de alta presión Tubos fluorescentes...etc • • • •

• • •

• •

• •

•

• •

• • •

1.11.7. TENSIONES INTERARMONICAS y otras SEÑALES Hasta ahora predomina el rango de armónico 3º, pero es detenido por los transformadores de AT / BT y por lo tanto no pasa a la red de distribución. Ese ya no es el caso con los rangos superiores 5º y 7º, que actualmente está, aumentando. Por efectos transientes se generan en la red los INTERARMONICOS que son frecuencias intermedias entre los armónicos par e impares.

TENSIONES INTERARMÓNICAS Este fenómeno consiste en componentes de frecuencia situados entre los armónicos los cuales son debidos a : Convertidores de frecuencia Onduladores, Máquinas giratorias Aparatos de arco, etc • • • •

45



Su interacción puede provocar fenómenos de flicker , pero la necesidad de identificarlos y controlarlos tiene que ver sobre todo con las señales de información transmitidas por la red. Entre todas las perturbaciones, los armónicos tienen la particularidad de no manifestar influencia local directa tal como ocurre con las otras perturbaciones, como son las transitorias, las sobretensiones, los microcortes, etc, cuyos efectos directos o recíprocos entre aparatos son al mismo tiempo visibles e identificables. Los armónicos designan un fenómeno global en el que cada usuario aporta solamente una pequeña fracción de perturbaciones que degradan la red, pero en donde los efectos acumulados son cada vez mas significativos y necesarios de detectarlos y tomar las medidas a tiempo.

13. SEÑALES DE INFORMACIÓN TRANSMITIDAS POR LA RED ELECTRICA El distribuidor utiliza la red para la transmisión de órdenes o de mediciones . Las frecuencias de dichas señales varían desde algunas decenas de Hz hasta varios kHz.

14.

LOS NOTCHES Se ve los Notches producidos en el voltaje entre líneas debido a la acción de un RECTIFICADOR TRIFÁSICO. Los notches de voltaje pueden provocar más de 2 cruces por cero de una señal de voltaje, provocando a su vez serios problemas en circuitos de sincronización de equipos de potencia.

Uno de los efectos más notorios que distinguen la presencia de los notches es el adelantamiento de la hora dada por los relojes digitales . Al tener varios cruces por cero, estos relojes andan más rápidos.

EL DECRETO 327 ESTABLECE LOS ÍNDICES DE DISTORSIÓN TOTAL DE ARMÓNICOS DE CORRIENTE Y TENSIÓN PARA EL SISTEMA ELÉCTRICO.

En condiciones normales de operación, se debe cumplir para un período de registro de mediciones de una semana cualquiera del año o de siete días consecutivos que: el 95% de los valores estadísticos de las corrientes armónicas y de su índice de distorsión total, cumplen con lo indicado en la tabla siguiente. El valor estadístico de las corrientes armónicas y de su índice de distorsión será obtenido para cada intervalo de 10 minutos, como resultado de evaluar estadísticamente un conjunto de mediciones efectuadas en dicho intervalo, de acuerdo a lo establecido en la norma técnica correspondiente.



MÁXIMA DISTORSION ARMONICA DE CORRIENTE EN EL SISTEMA ELECTRICO ex resado como el % del valor del volta e máximo de car a a frecuencia fundamental

En todo sistema eléctrico, en condiciones normales de operación, se deberá cumplir para un período de registro de mediciones de una semana cualquiera del año o de siete días consecutivos, que el 95% de los valores estadísticos de los voltajes armónicos y de su índice de distorsión total, cumplen con lo indicado en la tabla siguiente. El valor estadístico de los voltajes armónicos y de su índice de distorsión es obtenido para cada intervalo de 10 minutos, como resultado de evaluar estadísticamente un conjunto de mediciones efectuadas en dicho intervalo, de acuerdo a lo establecido en la norma correspondiente. MÁXIMA DISTORSION ARMONICA DE VOLTAJE EN EL SISTEMA ELECTRICO ex resado como el % del valor del volta e máximo de car a a frecuencia fundamental

47

ARMONICOS EN REDES ELE CTRICAS. Problemas y Soluciones WWW.DHSING.CL


1.12. REVISIÓN A NORMAS INTERNACIONAL IEEE-519 y IEC-555-1995 NORMAS (GUIAS) SOBRE LIMITES DE ARMONICAS EN REDES ELECTRICAS

El propósito de las guías y estándares relacionados con la limitación de las armónicas en los sistemas eléctricos de potencia puede resumirse en la necesidad de : 1.

Controlar la distorsión de tensión y corriente a niveles que los equipos conectados al sistema puedan tolerar. 2. Garantizar que los clientes tendrán una tensión con una forma adecuada a sus necesidades. 3. Limitar el nivel de distorsión que un cliente puede introducir a la red. 4. Asegurar que las armónicas no interfieran con otros sistemas, tales como los sistemas telefónicos.

OBSERVACIONES GENERALES Los estándares de los diversos países son muy variados entre sí y son el resultado de la experiencia que los investigadores han recogido al analizar el problema de las armónicas. Las características de las redes eléctricas y de los consumidores en los diferentes países son, en general, bastante diferentes y por tal razón los estándares sobre armónicas no son directamente comparables. Al observar más detalladamente los estándares, se verá que existen criterios sumamente dispares para enfrentar y resolver una misma situación. En general, un estándar es el resultado de un acuerdo entre las diferentes partes involucradas. En los diferentes países, los estándares tienen generalmente el carácter de recomendación o "práctica recomendada". Todos los estándares consideran límites en la distorsión armónica total de tensión y la mayoría de ellos limita las armónicas individuales de tensión. - Los convertidores estáticos son, sin duda, algunos de los principales contaminantes y, por esa razón, algunas normas fijan un procedimiento o criterio para determinar el tipo y la potencia del convertidor que puede ser conectado al sistema. Un criterio para resolver este problema es llamado "first come, first served", el que permite la conexión de cargas contaminantes en un determinado lugar hasta que no se sobrepasen los límites del sistema. Con este método, los que llegan primero pueden contaminar más que los consumidores que se conectan después. Incluso puede darse el caso de que un solo consumidor complete la capacidad de contaminación del sistema, impidiendo la conexión de otras cargas contaminantes. Este criterio es usado en Gran Bretaña. Otro criterio, establece que cada consumidor puede inyectar armónicas al sistema en proporción a la potencia que demanda. Este criterio es empleado por Nueva Zelanda y Alemania.

ESTADOS UNIDOS En Estados Unidos los límites de armónicas están establecidos por el estándar IEEE - 519 del año 1992 (revisión de IEEE Std 519 del año 1981), titulado “IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power System”.

R ECOMENDACIONES DADAS POR IEEE La adherencia estricta a estas recomendaciones no siempre evitaría problemas, particularmente

48

ARMONICOS EN REDES ELE CTRICAS. Problemas y Soluciones WWW.DHSING.CL


cuando son aproximados a los límites. Es razonable considerar que el sistema cambia a menudo, justificando una nueva examinación. Mediciones de armónicas deberían ser ejecutadas de vez en cuando, para determinar el comportamiento del sistema y el rendimiento de los equipos. El cliente debería confirmar: Que condensadores para corregir el factor de potencia o filtros de armónicas no sean sobrecargados por un exceso de armónicas. Que las perjudiciales resonancias series o paralelas, no están presentes. Que el nivel de armónicas en PCC y en los puntos de utilización no sea excesivo. Los límites mostrados en las tablas de distorsión de corriente deben ser usados como valores de “peor caso” para operaciones normales (condiciones válidas por más de 1 hora). Para períodos cortos, durante partidas o condiciones inusuales, los límites pueden ser excedidos en un 50 %. •

• •

LA NORMA IEC-555-1995

( COMISION ELECTROTECNIA INTERNACIONAL )

En el pasado los equipos de baja potencia no encontraban prácticamente ninguna limitación para conectarse a la red. Esto permitió que equipos como televisores se conectaran indiscriminadamente a la red, generando una importante cantidad de armónicas. Para corregir esta situación, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC, por su nombre en inglés) puso en vigencia a partir de 1995 la norma IEC- 555, destinada precisamente a los equipos de baja potencia. Esta norma define la categoría de equipos clase D, que son todos aquellos equipos que tienen una corriente de entrada contenida dentro de la “forma de onda especial”.Esta definición está claramente dirigida a los equipos que tienen un rectificador con filtrado capacitivo. Los equipos clase D pueden inyectar las corrientes armónicas. La aplicación de estos límites trae como consecuencia que un rectificador puente monofásico de diodos, con un factor de cresta FC=8 (FC = corriente máxima/corriente efectiva), THD = 133% y factor de potencia FP = 0,6 pueda quedar claramente fuera de norma.

LA NORMA EN-50160 e IEC-61000 La norma EN-50160 ha sido creada con el fin de caracterizar la CALIDAD DE LA TENSIÓN SUMINISTRADA. Esta norma presenta los diferentes tipos de perturbaciones de la tensión observados y medidos en el punto de entrega del cliente, en función de la forma de onda, del nivel de tensión, de la frecuencia y del desequilibrio del sistema trifásico. Sin embargo, la citada Norma se limita a dar una serie de definiciones y fija algunos límites de perturbación de la onda de tensión, sin especificar la forma de medir, ni los intervalos de promediado a aplicar, tema del cual se encargan otras Normas como las IEC 61000-4-30, IEC 61000-4-7 y IEC 61000-4-15).

NORMA IEC 61000-4-X En la definición de calidad de red a nivel de valor RMS de la tensión, la norma IEC 6100-4-30 propone 4 ventanas o intervalos de observación estándar: Ventana base de observación de 200ms (10 ciclos para 50Hz y 12 para 60Hz). Intervalos muy cortos: promedios de 3 seg . Observando todos los ciclos. • •

49



Intervalos cortos : Promedios y estadísticos 10 minutos. Intervalos largos : Promedios y estadísticos 2 horas.

• •

Así mismo, la norma propone medir distintos conceptos de forma separada :     

Medidas de valores de tensión, basados en el valor RMS de ½ ciclo, indicando intervalos de swell, Dip e interrupción. Medida de la frecuencia promediando cada 10 segundos Medida de armónicos de tensión, según IEC 61000-4-7. Por lo general se indican estadísticos con 95% de probabilidad (percentil 95%). Medida de Flicker, según IEC 61000-4-15, en intervalos de 10 min. (Pst) y de 2 horas (Plt). Medida de % de desequilibrio, usando las componentes fundamentales de U12, U23, U31.

El resultado se da en estadísticos con 95% de probabilidad. La Norma IEEE- 519 da lineamientos para los armónicos pares limitándolos al 25% de los impares. El armónicos par es el resultado de una onda de corriente asimétrica que puede contener componentes DC que saturarán los núcleos magnéticos.

Los voltajes y corrientes armónicas asociadas a cargas no lineales pueden “ inducir “ corriente y voltajes en circuitos de comunicación estando estos paralelos a los alimentadores eléctricos de fuerza. Las corrientes armónicas inducen corrientes en los 2 conductores de los circuitos de comunicación. Cuando estas corrientes inducidas fluyen en los circuitos de comunicación producen voltajes sobre sus impedancias. Si estos voltajes no son iguales ( la corriente en los 2 conductores no son igual debido al espaciamiento entre ellos ) estos no son cancelados y el resultado es RUIDO en el circuito de comunicación telefónica. Los problemas son más frecuente cuando la línea de distribución eléctrica ésta junto ( o viceversa ) a los cables de comunicación. SE MINIMIZA EL PROBLEMA SI EL CIRCUITO DE COMUNICACIÓN TIENE CONDUCTORES DEL TIPO PARES TRENZADO Y/O SON BLINDADOS EN FORMA ADECUADA .*****

50

ARMÓNICOS EN REDES ELÉCTRICAS. Problemas y Soluciones WWW.DHSING.CL


2.1. MEDICION Y DETECCIÓN DE ARMONICOS ( ver CDROM ) Analizador Red Monofásico y trifásico. Análisis data computacional.

2.2. PROBLEMAS CAUSADOS POR LOS ARMONICOS Las tensiones y corrientes armónicas superpuestas a la onda fundamental suman sus efectos sobre los aparatos y equipos utilizados. Las magnitudes armónicas provocan diferentes efectos según los receptores encontrados: Bien sean efectos instantáneos, Bien sean efectos a largo plazo debidos a los calentamientos. • •







54



1. EFECTOS INSTANTÁNEOS •

•

•

•

En los sistemas electrónicos, las tensiones armónicas pueden perturbar los dispositivos de regulación. También pueden influir en las condiciones de conmutación de los tiristores cuando desplazan el paso por cero de la tensión (CEI 60146-2 ). Los contadores de energía de inducción presentan algunos errores suplementarios en presencia de armónicos: por ejemplo un contador clase 2 dará un error suplementario de 0,3% con una tasa del 5% para el 5º armónico en tensión y en corriente. Los receptores de telemando centralizado a una frecuencia musical utilizada por los distribuidores de energía pueden ser perturbados por las tensiones armónicas de frecuencia próxima a la utilizada por el sistema.

VIBRACIONES, RUIDO •

•

Según los esfuerzos electrodinámicos, proporcionales a las corrientes instantáneas que aparezcan, las corrientes armónicas generarán vibraciones y ruidos acústicos, sobre todo en los aparatos electromagnéticos ( transformadores, inductancias ). Los pares mecánicos pulsantes, debidos a los campos giratorios armónicos, darán lugar a vibraciones en las máquinas rotativas.

PERTURBACIONES INDUCIDAS SOBRE LAS LÍNEAS DE PEQUEÑAS CORRIENTES (teléfono, telemando) •

•

Las perturbaciones se producen cuando una línea de señal está situada paralelamente a una canalización de distribución eléctrica con corrientes y tensiones deformadas. Se han de tener en cuenta parámetros tales como: longitud del paralelo, distancia entre los dos circuitos, frecuencia de los armónicos (el acoplamiento aumenta con la frecuencia).

2. EFECTOS RETARDADOS Si prescindimos de la fatiga mecánica de los materiales debida a las vibraciones, el efecto más importante a largo plazo producido por los armónicos, es el calentamiento.

55



Calentamiento de los condensadores •

Las pérdidas, causadas por los calentamientos, se deben a dos fenómenos: conducción e histéresis en el dieléctrico.

Los condensadores son pues sensibles a las sobrecargas, bien sean debidas a una tensión fundamental demasiado elevada o a la presencia de tensiones armónicas.

•

•

Estas pérdidas se definen por el ángulo de pérdidas del condensador cuya tangente es la razón entre las pérdidas y la energía reactiva producida . Estos calentamientos pueden llegar a producir la perforación del dieléctrico.

Calentamiento debido a las pérdidas de las máquinas y los transformadores •

•

Pérdidas suplementarias en las máquinas, en su estator (cobre y hierro) y sobre todo en sus circuitos rotóricos ( jaulas, amortiguadores, circuitos magnéticos ) como consecuencia de las importantes diferencias de velocidad que hay entre los campos giratorios inductores armónicos y el rotor. Tengamos presente que las medidas rotóricas ( temperatura, corrientes inducidas ) son difíciles de obtener. Pérdidas adicionales de los transformadores debidas al efecto corona ( aumento de la resistencia del cobre con la frecuencia ), a la histéresis y a las corrientes de Foucault (en el circuito magnético).

Calentamiento de los cables y de los equipos Las pérdidas de los cables atravesados por las corrientes armónicas son superiores, por lo que se produce un aumento de la temperatura. Entre las causas de pérdidas suplementarias se pueden mencionar : • •

•

•

El aumento del valor eficaz de la corriente para una misma potencia activa consumida, El aumento de la resistencia aparente del alma del cable con la frecuencia, fenómeno debido al efecto corona, El aumento de las pérdidas dieléctricas en el aislante con la frecuencia, si el cable es sometido a una distorsión de tensión no despreciable, Los fenómenos de proximidad, de envolventes, de pantallas puestas a tierra en ambos extremos, etc. Los cálculos se hacen siguiendo la norma CEI 60287.

De una forma general todos los equipos ( tableros eléctricos) sometidos a tensiones o atravesados por corrientes armónicas, sufren más pérdidas y deberán ser objeto de una eventual

56



disminución de clase. Por ejemplo, una celda de alimentación de un condensador se dimensiona para una intensidad igual a 1,3 veces la corriente reactiva de compensación. Este sobredimensionamiento no tiene en cuenta sin embargo el aumento del calentamiento debido al efecto corona en los conductores. La evaluación de los factores de corrientes o tensiones armónicas, se hace con un Analizador de Espectros, el cual nos da la amplitud de cada componente armónica. Es importante elegir los captadores (de corriente o de tensión) con una banda suficientemente ancha para la banda de frecuencias a medir. El valor eficaz de la corriente (o de la tensión deformadas) puede: Medirse con un aparato de verdadero valor eficaz, o reconstruirse a partir del espectro recogido por el analizador, o estimarse a partir de un osciloscopio.**** • • •





CARGAS NO LINEALES SIMÉTRICAS

CARGAS TRIFÁSICAS

Tenemos una carga trifásica, no lineal, equilibrada, simétrica, sin conexión del neutro.

carga trifásica



Suponiendo que las corrientes absorbidas por esta carga contienen el 3º armónico, las corrientes armónicas de 3º orden de cada una de las fases, pueden escribirse de este modo :

Por tanto, las corrientes armónicas de rango 3 son iguales.

Ahora bien, si no hay conductor neutro, Ir + Is + It = 0 . La suma de las corrientes armónicas de 3º orden, debe de ser nula, lo que sólo es posible si alguna de las componentes es nula. Por tanto, las cargas trifásicas, equilibradas, simétricas no producen armónico de 3º orden. Este razonamiento puede aplicarse a todos los armónicos múltiplos de 3. Por tanto, las corrientes armónicas no nulas son las de orden 5, 7, 11, 13, ..., es decir, las de la forma k · 6 ± 1. La demostración puede aplicarse a todos los sistemas que tienen rectificadores, controlados o no. Se demuestra también que el orden de armónicos se escribe n = (k · p) ± 1 , en donde k es un número entero (1, 2, 3, 4, 5, ...) y p el número de rectificadores que componen el equipo. Por ejemplo, un circuito con un rectificador (rectificador de media onda) tiene armónicos de orden k ± 1, y tiene todos los armónicos posibles desde 0, que es la corriente continua. Para un puente formado por 4 diodos, el primer armónico es el 3º orden. Este efecto se representa en el esquema formado por un rectificador a diodos con filtro capacitativo , en el que la corriente absorbida se representa en la gráfica y su espectro.

Puente rectificador trifásico con filtro capacitivo

58



Corriente absorbida por el puente

Espectro armónico

Este esquema se utiliza normalmente en los variadores de velocidad, las alimentaciones ininterrumpidas (SAI) y los sistemas de caldeo por inducción.

CARGAS MONOFÁSICAS Las cargas simétricas no producen armónicos de orden par . Puesto que el espectro es 

decreciente, el armónico de 3º orden predomina en las cargas monofásicas. Así, en las cargas de uso muy frecuente con rectificador monofásico a diodos con filtro capacitativo , el armónico 3º puede alcanzar el 80% de la fundamental. Son los principales generadores del armónico de 3º orden. 2.3.

SOBRECARGA DEL CONDUCTOR NEUTRO

Armónicos de 3º orden y múltiplos de 3

CARGAS LINEALES



Si consideramos un sistema simplificado constituido por una fuente trifásica equilibrada y tres cargas monofásicas idénticas, conectadas entre fase y neutro . Si las cargas son lineales, las corrientes forman un sistema trifásico equilibrado. Por tanto, la suma de las corrientes de fase es nula y también la corriente de neutro.

Cargas monofásicas



Por tanto, en este ejemplo simplificado, las corrientes armónicas de 3º orden de las 3 fases son idénticas. Puesto que la corriente en el neutro es igual a la suma de las corrientes de las fases, la componente de 3º orden de la corriente de neutro es igual a la suma de las corrientes de 3º orden, o sea: In3 = 3· Ir3. Generalizando, con cargas equilibradas, las corrientes armónicas de rango múltiplo de 3 están en fase y se suman aritméticamente en el conductor neutro, puesto que se anulan las componentes fundamentales y las armónicas de rango no múltiplo de 3. 

SUPERPOSICIÓN DE LOS ARMÓNICOS DE 3º ORDEN

La figura representa 3 corrientes senoidales trifásicas de 50 Hz y 3 corrientes senoidales de 150 Hz, en fase, cada una, con una de las corrientes de 50 Hz. Estas 3 corrientes (de 150 Hz) son iguales y, por tanto, se sobreponen.

Corrientes trifásicas a 50 y 150Hz absorbidas por cargas lineales

ARMONICO1-3

Recommend Documents