Calidad de la Energía Eléctrica La Presencia de Armónicas

1. Calidad de la Energía EléctricaLa Presencia de Armónicas Rumv Julio 2001.

2. La presencia de Armónicas Las armónicas son corrientes y voltajes senoidales con frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental del sistema eléctrico, que es 60 Hz. Fundamental = 60 Hz Segundo Orden = 120 Hz Tercer Orden = 180 Hz Cuarto Orden = 240 Hz Quinto Orden = 300 Hz “n” Orden = N*60 Hz

3. La presencia de Armónicas La forma de onda fundamental de un sistema eléctrico es suministrada en forma ideal por los generadores de las plantas generadoras de energía eléctrica. Figura 1. Forma de Onda Senoidal Ideal

4. La presencia de Armónicas De hecho, en forma natural, esta onda senoidal ideal sufre de distorsión al pasara por la impedancia del sistema eléctrico, por ejemplo: Con la corriente resultante de un corto circuito que causa una depresión de voltaje Con las corrientes por descarga atmosférica, causando impulsos. Corrientes distorsionadas de cargas no lineales o productoras de armónicas.

5. La presencia de Armónicas Esta última distorsión, las armónicas, es nuestro punto de interes, para preguntarnos: Cuáles son las fuentes que producen armónicas ? Cuáles son sus efectos sobre los equipos del sistema eléctrico? Cómo reconocerlas, evaluarlas y minimizarlas ?

6. La presencia de Armónicas Pero antes de responder, conozcamos algo más acerca de estas armónicas. Relación entre Secuencias de fase y las armónicas. Secuencia + - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

7. La presencia de Armónicas Conforme se incrementa el orden, la frecuencia de las armónicas y su magnitud normalmente disminuye. Por eso, las armónicas de orden inferior, usualmente la quinta y la septima, tiene el mayor efecto en el sistema de potencia.

8. Armónicas en Rectificadores de Pulsos El orden de las armónicas generadas por un rectificador de cualquier número de pulsos se determina con la siguiente ecuación: Orden de la armónica, h = k*q  1 Donde: K=1,2,3,4.... q=Número de pulsos

9. Armónicas en Rectificadores de Pulsos Calcular el orden de las seis primeras armónicas para un rectificador de 6 pulsos y uno de 12 pulsos.

10. Armónicas en Rectificadores de Pulsos Armónicas en un Rectificador de 6 Pulsos

11. La presencia de Armónicas Si no existiera resonancia, el máximo valor posible de una corriente armónica expresada en por ciento de la fundamenteal es 100/h, donde “h” es el orden de la armónica. Quinta armónica = 20% de la fundamental Novena armónica = 11.1% de la fundamental. En sistemas trifasicos balanceados no existen armónicas de tercer orden.

12. Factor de Distorsión. El factor de distorsión del contenido armónico, se determina de la siguiente manera: Raíz cuadrada de la sumatoria del cuadrado de las amplitudes, entre la amplitud de la fundamenal, en %.

13. Factor de Distorsión. Calcular el factor de distorsión de las siguientes ondas de voltaje, cuyo contenido armónico es: Orden 1, 5, 7, 11, 13 Orden 3, 5, 7, 9, 11, 13 Orden 7, 11, 13

14. Armónicas No Características En los puentes rectificadores, cualquier desbalance en el sistema o pulsos no uniformes originarán armónicas adicionales conocidas como armónicas No Características. En los ordenes menores, las armónicas no características tienen menor amplitud que las características.

15. Fuentes Armónicas Tres son las clasificaciones de las fuentes armónicas: Las tradicionales Las nuevas, y Las futuras

16. Fuentes Armónicas Tradicionales Hace algun tiempo, la propagación de armónicas se realcionaba con el diseño y la operación de transformadores y máquinas rotatorias, la primera fuenta armónica en esos días era la corriente magnetizante de los transformadores de potencia. Las fuentes tradicionales son: Los transformadores de potencia Las máquinas rotatorias Los hornos de arco, y Las lámparas fluorecentes

17. Armónicas en los Transformadores de potencia Cuando hay pérdidas por histerisis, la forma de onda de la corriente no es simétrica, esta distorsión se debe a las armónicas triples (3a, 9a, 12a, etc), pero primordialmente a la tecera. Para mantener la alimentación de voltaje se debe crear un camino para estas armónicas triples, esto se logra generalmente con el uso de devanados conectados en delta.

18. Armónicas en los Transformadores de potencia Las armónicas debidas a la corriente de magnetización se incrementan a sus niveles máximos en las horas de la madrugada, cuando el sistema tiene muy poca carga y el nivel de voltaje es alto.

19. Armónicas en los Transformadores de potencia Contenido armónico en la corriente de excitación de un transformador.

20. Armónicas en los Máquinas Rotatorias En las máquinas rotatorias se presentan pérdidas y calentamiento, debido a armónicas de bajo orden y alta magnitud. En los motores de inducción, las pérdidas son generalmente I2R.

21. Armónicas en los Máquinas Rotatorias En las máquinas síncronas, Se considera que la impedancia armónica es igual a la reactancia subtransitoria multiplicada por el orden de la armónica. Las corrientes armónicas, al interactuar con el campo magnético fundamental producen pares oscilatorios, causando oscilaciones torcionales y ciclos de fatiga en rotores y flexiones en álabes de turbinas.

22. Armónicas en Hornos de Arco Un horno de arco es una carga compleja, no únicamente por la fluctuación en el consumo de potencia reactiva, sino porque la corriente del horno es altamente distorsionada. Debido al costo de la energía eléctrica, el bajo factor de potencia con que opera un horno de arco es mejorado, frecuentemente, con bancos de capacitores.

23. Armónicas en Hornos de Arco Armónicas típicas en la operación de un horno de arco, cuando esta en plena fundición.

24. Armónicas en Hornos de Arco El horno de arco es un generador de armónicas en forma aleatoria, teniendo valores cercanos a la resonanacia. La respuesta en frecuencia, del banco de capacitores, con la reactancia propia de la línea de alimentación, produce problemas de sobrevoltajes y sobrecorrientes.

25. Armónicas en Lámparas Fluorecentes Las lámparas fluorecentes y de vapor de metal, constituyen sistemas eficientes de iluminación. Pero, también tienen su lado negativo. Son fuente de armónicas que deterioran la calidad de la energía eléctrica. Cuando se conectan a la red de distribución, las corrientes armónicas fluyen hacia los transformadores. Todo lo contrario ocurre con las lámparas incandescentes.

26. Nuevas Fuentes Armónicas En la actualidad, las principales fuentes de distorsiones armónicas son los inversores y rectificadores de control de ángulo de fase. Las LT’s de CD producen problemas para los sistemas de control de rizado. Los convertidores de potencia son grandes, medianos y de baja potencia, de fuentes monofásicas como en los televisores.

27. Futuras Fuentes Armónicas A mediano y largo plazo, se prevé un aumento importante en el contenido armónico en las redes eléctricas. Esto debido al uso en gran escala de autos eléctricos, que requeriran de grandes bancos de rectificación para cargar sus baterías.

28. Futuras Fuentes Armónicas Las fuentes no convencionales, tales como: Eólica y Solar. El uso de cicloconvertidores para operación de máquinas de baja velocidad y alto par, así como el uso de convertidores de energía para celdas de combustible caseras.

29. Efectos de las Armónicas Los efectos más conocidos de las armónicas son: • Calentamientos, en motores, transformadores y conductores. • Mal funcionamiento de instrumentos de medición y protección. • Ruptura de material aislante en capacitores

30. Efectos de las Armónicas • Aumento de temperaturas de operación • Sobre esfuerzos en aislamientos • Disturbios provocados por interferencia • Incremento de pérdidas en motores y distorsión de ondas de voltaje y corriente.

31. Efectos de las Armónicas • Algunos efectos más profundos se dan en: • Bancos de Capacitores • La componente resistiva de la carga. • Transformadores de potencia, y • Veamos un poco de esto.

32. Efecto en Bancos de Capacitores La frecuencia de un banco de capacitores afecta a la llamada respuesta a la frecuencia del sistema eléctrico. La conexión del banco de capacitores puede dar lugar a condiciones de resonancia en serie o paralelo, que eventualemente amplifica los problemas de armónicas.

33. Efecto en Bancos de Capacitores Las armónicas causan distorsión de voltaje, como resultado en el dieléctrico de los capacitores se producen descargas parciales o corona.

34. Condiciones de Resonancia La resonancia en paralelo, se manifiesta como una impedancia grande al flujo de la corriente armónica. La resonancia en serie, por su parte se manifiesta como una impedancia pequeña al flujo de la corriente armónica. Cuando las condiciones de resonancia no son un problema, es porque el sistema tiene la capacidad de absorber cantidades significativas de corrientes armónicas.

35. Flujos normales de las corrientes armónicas Las corrientes armónicas tienden a fluir desde las cargas no lineales (fuente armónica) hacia la impedancia más pequeña, usualmente, la fuente de la compañía suministradora. Cargas NO LINEALES Z Compañía Suminitradora

36. Flujos normales de las corrientes armónicas No obstante, la corriente se divide en un circuito, dependiendo de la relación de impedancias. Las corrientes de alto orden fluirán hacia los elementos capacitivos, los cuales presentan pequeñas impedancias a altas frecuencias.

37. Flujos normales de las corrientes armónicas Figura 2. Flujos normal de las corrientes armónicas.

38. Resonancia Paralelo Ocurre cuando las reactancias inductiva del sistema eléctrico y la capacitiva son iguales a la misma frecuencia. Si esto ocurre cerca de una de las armónicas características generadas por la carga no lineal, esa corriente dará origen a una corriente amplificada, oscilando entre la energía de la inductancia y de la capacitancia, causando distorsión de voltaje e interferencia telefónica en circuitos proximos.

39. Resonancia Paralelo Figura 3. Esquema de la Resonancia en Paralelo

40. Predicción de Resonancia Paralelo El orden de la armónica en frecuencia resonante en el capacitor se determina por la siguiente ecuacion: h = (MVAcc sistema/MVAr capacitor)1/2

41. Predicción de Resonancia Paralelo La frecuencia de resonancia en el capacitor se determina por la siguiente ecuacion: Fr = F1* h o Fr = F1 * (XC/XL) h = Orden de la armónica resonante.

42. Corriente en un capacitor a cualquier Frecuencia La corriente es: (f/fr)2 Ic(f) = --------------- Ih(f) (f/fr)2 - 1

43. Resonancia Serie Es el resultado de la combinación serie del banco de capacitores y las inductancias del transformador o la línea. Tiende a atrapar corriente armónica a la cual esté sintonizado el circuito LC resultante. Puede causar niveles altos de distorsión de voltaje entre la inductancia y el capacitor en el circuito serie.

44. Resonancia Serie Figura 4. Esquema de la Resonancia en Serie

45. Componente Resistiva de la Carga Cuando hay resonancia en el sistema eléctrico, la componente resistiva de la carga se vuelve un factor importante. La trayectoria de la resistencia es tomada por las armónicas cuando se presenta resonancia en paralelo. Los niveles de carga más altos sobre el sistema resultan en una impedancia más baja, cerca de la resonancia en paralelo.

46. Componente Resistiva de la Carga Figura 5. Respuesta del sistema, se ilustra el efecto de la carga resistiva sobre el pico resonante paralelo.

47. Efecto en Transformadores Existen tres efectos que incrementan el calentamiento en los transformadores, cuando la corriente de carga incluye componentes armónicas: El valor eficaz de la corriente Las pérdidas por corrientes circulantes, y Las pérdidas en el núcleo

48. Efecto en Transformadores Las corrientes armónicas múltiplas de tres (3a, 9a, 15a, etc), circulan por el primario de un transformador delta – estrella, aumentando las trayectorias de saturación en el núcleo. También, la 5a, 7a, 11a, 13a, etc. corrientes armónicas pasan por el transformador delta – estrella, causando los calentamientos.

49. Efecto en Transformadores Cuando se habla de calidad de la energía eléctrica, existe un factor llamado “Factor K” que relaciona la degradación del transformador y que se define en términos de las corrientes armónicas como sigue:

50. Efecto en Transformadores Como regla general, un transformador en el que la corriente de distorsión armónica excede el 5%, es un candidato a ser degradado por efectos de armónicas. Debido a esto, la vida útil de los transformadores se ve reducida sensiblemente.