Armónicos en sistemas eléctricos - F. Salzman - A. Kauffmann - F.Voeffray

Trabajo Práctico: Armónicos en sistemas
eléctricos
Cátedra: Electrotécnia II
Profesor: Ing. Marcelo Arlettaz
Alumnos:
Andrés Kaumann
Facundo Salzman
Federico Voeray
Año 2019
Concordia - Entre Ríos
1. Introducción: denición y primeros conceptos
La utilización de la energía eléctrica requiere un suministro de potencia con frecuencias y
tensiones controlables, mientras que su generación y transmisión se realizan mediante valores nominalmente constantes.
Esta discrepancia necesita una conversión o acondicionamiento de la potencia que, en general,
se realiza mediante circuitos no lineales, los cuales están constituidos por semiconductores que
distorsionan las ondas de tensión y de corriente.
El comportamiento de estos circuitos no puede ser estudiado mediante el análisis fasorial de frecuencia única, pero sí sus ondas siguen las reglas del análisis de Fourier y pueden estar expresadas
en términos de componentes armónicos.
En terminología eléctrica, un armónico se dene como el contenido de la función cuya
frecuencia es un múltiplo de la fundamental del sistema de potencia [1].
En este trabajo discutiremos sobre el efecto de los armónicos sobre los circuitos eléctricos, la medición en circuitos con armónicos, su repercución en los instrumentos de medida y soluciones para
la atenuación y/o eliminación de estas señales.
1.1.
Generación de armónicos
Ya sabemos que la energía eléctrica es generada a frecuencias nominalmente constantes (generalmente 50 o 60 Hz) y la fuerza electromotriz de los generadores puede considerarse prácticamente
sinusoidal.
Cuando a una fuente de tensión senoidal se le conecta una carga no lineal, la corriente resultante
no es exactamente una función senoidal. En presencia de la impedancia del sistema, esta corriente produce una caída de tensión no senoidal en los bornes de la carga, es decir, esta contiene
armónicos[1].
1.2.
Importancia de los armónicos en la calidad del servicio
El requisito fundamental de todo suministro es su abilidad y calidad. El aumento
del nivel de vida al que estamos acostumbrados da lugar a una creciente contaminación en la red
eléctrica. Por ejemplo: hoy día, podemos decir que en cada una de las casas tenemos una computadora, ya sea portátil o de escritorio, la cual tiene un efecto distorsionante considerable.
En la industria, continúa creciendo la utilización de procesos pendientes de la electrónica de potencia para su funcionamiento. Incluso en las centrales generadoras y en las redes de transmisión,
se está aumentando alarmantemente el control mediante la electrónica de potencia [1].
Otro ejemplo, sin ir tan lejos, es el caso de la iluminación residencial, la cual ha tenido avances
muy grandes en los últimos 15 o 20 años, primero con las lámparas uorescentes de bajo consumo
(LFC) y, en los últimos años mediante las lámparas LED. Hoy día, estas últimas, con precios cada
vez más accesibles, son la principal opción en el mercado y prácticamente el único referente de
dicha tecnología de iluminación publicitadas en las exposiciones de novedades y desarrollos, tales
como la feria BIEL [2].
El efecto inmediato de tan elevado contenido de armónicos ha resultado en pérdidas de calidad
en servicios de telecomunicaciones, pero también ocurren otros efectos que, aunque no audibles,
pueden ser más perjudiciales, tales como el mal funcionamiento de sistemas esenciales de control y
protección, las sobrecargas de los equipos eléctricos, etc. Frecuentemente la presencia de contaminación armónica sólo se detecta `a posteriori' como consecuencia de, por ejemplo, la destrucción
1
de un banco de capacitores para la corrección del factor de potencia[1].
2. Efectos de los armónicos en instrumentos de medición
Si se realizan mediciones en sistemas de potencia no lineales, se debe utilizar instrumentos
capaces de registrar magnitudes reales del sistema, considerando la presencia de armónicos
[3].
Los multímetros que miden respuestas de valor medio no sirven para obtener valores efectivos
de señales distorsionadas, ya que estos se diseñan y calibran sólamente para corriente y voltaje
fundamental [4].Estos darán una lectura errónea (normalmente inferior), provocando un engaño
al analista [3].
Una señal distorcionada puede tener un valor efectivo bajo, pero repentinos picos de gran magnitud, tampoco estos son registrados por un instrumento común y corriente, siendo útil el uso de un
multímetro moderno que entregue valores efectivos reales, formas de onda y espectros armónicos
de la señal medida.
La causa de la medición errónea es el torque electromagnético adicional que producen los armónicos en los instrumentos de medida. Los medidores de estado sólido (contadores) se comportan
adecuadamente si la distorsión no supera el 20 % [4].
3. Detección de armónicos
3.1.
Síntomas
Ante la presencia de armónicos, las instalaciones pueden comportarse de alguna manera inusual
y presentar efectos (audibles o no) a los que les llamamos síntomas. Algunos de ellos son los
siguientes:
Calentamiento de conductores
Disparo de protecciones
Calentamiento y/o degradación del neutro
Calentamiento y envejecimiento prematuro de los condensadores que, en casos extremos,
puede llevar a la destrucción de estos
En los transformadores, los devanados pueden sobrecalentarse y degradarse, disminuyendo
el rendimiento del mismo
En los motores ocurre lo mismo con los devanados y, además, suelen existir vibraciones y
excentricidad en el eje y desgaste de los rodamientos.
Dicultad de sincronización y conmutación en grupos electrógenos
Medidas incorrectas e interferencias en equipos sensibles [5].
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4. Medición en sistemas con armónicos
Para medir correctamente los parámetros eléctricos de una instalación (de baja o media tensión)
existe alguna variedad de dispoitivos que tienen las propiedades de agrupar en un sólo aparato las
funciones que tradicionalmente miden los amperímetros, voltímetros, vatímetros, contadores, etc.
y, a la vez, permiten el análisis detallado de la calidad de la energía y de las perturbaciones en la
red [6].
El instrumento principal de medición de energía es el contador de inducción, que responde con
impresición ante frecuencias y parámetros fuera de diseño. Una expresión para la energía vista por
este dispositivo es
PT = VCD ICD + VF IF cosφF + VH IH cosφH
En donde VCD ICD = PCD es la potencia suministrada, VF IF cosφF = PF es la potencia debida a
la frecuencia fundamental y VH IH cosφH = PH es la potencia de la distribución armónica [4].
5. Métodos para atenuar los armónicos y eliminación mediante ltros
Para limitar la propagación de armónicos en la red, se deben tomar una serie de medidas,
especialmente cuando se diseña una nueva instalación.
Las posibles soluciones para atenuar los efectos de los armónicos son de tres naturalezas:
Adaptaciones de la instalación
Utilización de dispositivos particulares en la alimentación (inductancias, transformadores
especiales)
Filtrado
5.1.
Adaptaciones de la instalación
5.1.1. Reagrupar las cargas perturbadoras
Cuando se prepara el diagrama unilar, se debe preparar, en la medida de lo posible, los equipos
perturbadores de los sensibles.
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Reagrupando las cargas perturbadoras, aumenta la posibilidad de la recomposición angular, esto
es, cuando varias cargas son alimentadas por un mismo transformador, el contenido de armónicos
resultante es el fasor suma de las corrientes armónicas individuales, con la posibilidad de que los
niveles de distorsión armónica se reduzca por la diversidad del ángulo de fase en el espectro de los
armónicos.
5.1.2. Separar las fuentes
En la lucha contra los armónicos, se obtiene una mejora suplementaria alimentando con transformadores separados, como se muestra en el siguiente esquema:
El problema de esta solución es el gran coste que implicaría.
5.1.3. Utilización de transformadores en conexiones particulares
Para eliminar ciertos órdenes de armónicos, se utilizan algunos tipos de conexiones especiales
en los transformadores.
Los órdenes de armónicos eliminados dependen del tipo de conexión implementada.
Una conexión delta-estrella-delta elimina los armónicos de orden 5 y 7
Una conexión delta-estrella elimina los armónicos de orden 3 (los armónicos circulan por
cada una de las fases, y retornan por el neutro del transformador).
Una conexión delta-zigzag elimina los amónicos de orden 5 (por retorno en el circuito magnético).
5.2.
Acciones en caso de sobrepasar los valores límite
En el caso de que las acciones preventivas presentadas anteriormente no sean suciente, la
instalación debe ser equipada con ltros.
Se distinguen tres tipos de ltros:
4
Filtros pasivos
Filtros activos
Filtros híbridos [6]
5.2.1. Filtro pasivo
Algunas aplicaciones típicas de este tipo de ltros son:
Instalaciones donde se requiere una corrección del factor de potencia
Situaciones en donde es necesaria la reducción de la tasa de distorción de tensión para evitar
la perturbación de detectores sensibles (como los contadores)
Situaciones en donde es necesaria la reducción de la tasa de distorción de corriente para
evitar las sobrecargas
El principio de funcionamiento es el siguiente:
Se tiene un circuito LC sintonizado a cada una de las frecuencias de armónicos a ltrar, en paralelo
con el dispositivo generador de armónicos.
Este circuito de derivación absorbe los armónicos y evita que circulen por la alimentación.
En general, el ltro pasivo se sintoniza a un orden de armónico próximo al que se quiere eliminar.
Cuando se requiere una reducción importante en la tasa de distorsión sobre una serie de órdenes,
se pueden utilizar más ltros conectados en paralelo.
5.2.2. Filtro activo (o compensador activo)
Algunas de las aplicaciones de estos ltros son:
Situaciones en las que es necesaria la reducción de la tasa de distorsión de corriente para
evitar las sobrecargas
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Instalaciones comerciales con un conjunto de generadores de armónicos de potencia total
inferior a aproximadamente 200kVA(variadores de velocidad, equipos de ocina, etc.)
El ltro activo reinyecta en fase opuesta los armónicos que circulan por la carga, de tal forma que
la corriente de línea Is permanece sinusoidal [6].
5.2.3. Filtro híbrido
Estos ltros son aplicables a:
Instalaciones industriales con un conjunto de generadores de armónicos de potencia total
superior a aproximadamente 200kVA (variadores de velocidad, recticadores, etc.)
Instalaciones donde se requiere una corrección del factor de potencia
Situaciones en las que es necesaria la reducción de la tasa de distorsión de corriente para
evitar las sobrecargas
Situaciones en donde es necesaria la reducción de la tasa de distorsión de tensión para evitar
la perturbación de receptores sensibles
Siutaciones en donde se requiere conformidad con los límites estrictos de emisión armónica
El funcionamiento se basa en la combinación de los dos equipos presentados anteriormente, constituyéndose de esa manera, un ltro híbrido [6].
6
Referencias
[1]
J. Arrillaga, J.A. Garmendia, L.I.E Morán
versidad de Cantabria, 1994.
[2] art -
, Armónicos en Sistemas de Potencia, Uni-
Strack, Jorge Luis; Suarez, Juan Antonio; Di Mauro, Guillermo Fabián;
, Impacto de la iluminación residencial eciente en la calidad de la
energía de una red de distribución, revista Inge-CUC, diciembre de 2014.
Jacob, Susana Beatriz
[3] Capítulo 7: Armónicos: el origen y la solución, artículo de libre acceso publicado en el campus
virtual global de UTN Facultad Regional Reconquista.
[4]
Reyes Calderón, Gilberto, Armónicas en distribución de energía eléctrica, tesis para
obtener el título de Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Potencia,
Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, julio de
1996.
eléctricos - Circuitor - ¾Cómo analizar un problema de armónicos? http://circutor.es/es/formacion/armonicos-electricos/como-analizar-un-problema-dearmonicos
[5]
Armónicos
[6]
SCHNEIDER ELECTRIC
5. Detección de Armónicos y ltrado - Catálogo de productos.
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