REVISIÓN DE CAUSAS Y EFECTOS DE ARMÓNICOS EN EL SISTEMA DE POTENCIA Resumen: este documento tiene la intención de dar una visión general de la distorsión armónica en el sistema eléctrico. La forma de onda sinusoidal pura generada por los servicios eléctricos está distorsionada por los armónicos producidos por el uso creciente de cargas no lineales. Como el ahorro de energía eléctrica es el objetivo principal del consumidor industrial y también de los servicios públicos, el uso de equipos no lineales eficientes en energía aumenta rápidamente. El sistema industrial moderno aumenta el uso de cargas no lineales a medida que el control se vuelve simple, más eficiente, preciso y ampliamente disponible. Sin embargo, da lugar a más distorsiones en las formas de onda de corriente y voltaje en los sistemas de alimentación de CA y contamina el sistema. Aquí se realiza una encuesta para mostrar detalles de causas y efectos de armónicos presentes en varios tipos de cargas no lineales. INTRODUCCIÓN El objetivo principal de la compañía eléctrica es entregar voltaje sinusoidal a una magnitud constante en todo su sistema. Este objetivo se complica por el hecho de que hay cargas en el sistema que producen corrientes armónicas. Estas corrientes resultan en voltajes y corrientes distorsionadas que pueden afectar negativamente el rendimiento del sistema de energía de diferentes maneras. A medida que el número de cargas de producción de armónicos ha aumentado a lo largo de los años, se ha vuelto necesario abordar su influencia al realizar adiciones o cambios en una instalación. Para apreciar completamente el impacto de estos fenómenos, hay dos conceptos importantes a tener en cuenta con respecto a los armónicos del sistema de potencia. El primero es la naturaleza de las cargas que producen corriente armónica (cargas no lineales) y el segundo es la forma en que fluyen las corrientes armónicas y cómo se desarrollan los voltajes armónicos resultantes. Un componente armónico en un sistema de potencia se define como el componente sinusoidal de una forma de onda periódica que tiene una frecuencia igual a un múltiplo entero de la frecuencia fundamental del sistema. Está dado por, Fh = h * Frecuencia fundamental, donde h es el número entero que se multiplicará. Si la frecuencia fundamental es f, entonces los armónicos tienen frecuencia f, 2f, 3f, 4f, 5f ... Incluso los armónicos son 2f, 4f, 6f, 8f ... y los armónicos impares son f, 3f, 4f, 5f, 7f ... Generalmente, los armónicos pares se cancelan debido a su naturaleza simétrica, pero los armónicos impares deben eliminarse mediante algunas técnicas de filtrado o compensación. La distorsión armónica es causada por dispositivos no lineales en los que la corriente no es proporcional al voltaje aplicado. La Figura 1 ilustra el voltaje aplicado sinusoidal a una resistencia no lineal simple en la que el voltaje y la corriente aplicados varían de acuerdo con la curva mostrada. Mientras que el voltaje aplicado es perfectamente sinusoidal, la corriente resultante está distorsionada. Al aumentar el voltaje en un pequeño porcentaje, la corriente es doble y toma una forma de onda diferente. Figura 1. Una corriente de extracción de carga no lineal en pulsos cortos La Figura 2 ilustra que cualquier forma de onda distorsionada periódica puede expresarse mediante la suma de sinusoides de diferentes frecuencias en las que la frecuencia de cada sinusoide es múltiplo entero de frecuencia fundamental. Este múltiplo entero se llama componente armónico de fundamental. Cuando tanto el medio ciclo positivo como el negativo tienen una forma de onda idéntica, la serie de Fourier contiene solo armónicos impares. Esto ofrece simplificaciones para el estudio del sistema de potencia. La mayoría de los dispositivos productores de armónicos tienen ambas polaridades. Fig.2 : Fourier series representation of a distorted waveform Por lo general, los armónicos de orden superior (rango de 25 a 50) son insignificantes. Si bien puede causar interferencia con dispositivos electrónicos de baja potencia, pero no dañar el sistema de alimentación. También es difícil recopilar datos suficientemente precisos para modelar sistemas de potencia a estas frecuencias debido a la aparición de resonancia en el sistema en este rango de frecuencia. Estas resonancias pueden excitarse haciendo muescas o conmutando transitorios en convertidores de potencia electrónicos. Esto causa formas de onda de voltaje con múltiples cruces por cero que interrumpen los circuitos de temporización. Estas resonancias generalmente ocurren en sistemas con cable subterráneo, pero sin condensadores de corrección del factor de potencia. Si el sistema de potencia se representa como elementos de serie y derivación, como es la práctica convencional, la gran mayoría de las no linealidades en el sistema se encuentran en elementos de derivación (es decir, cargas). En los transformadores, también, la fuente de armónicos es la rama de derivación (impedancia de magnetización) del modelo común "T"; La impedancia de fuga es lineal. Por lo tanto, las principales fuentes de distorsión armónica serán las cargas del usuario final. Esto no quiere decir que todos los usuarios finales que experimentan una distorsión armónica tendrán fuentes significativas de armónicos, sino que la distorsión armónica generalmente se origina con la carga o combinación de cargas de algunos usuarios finales. II FUENTES DE ARMONICAS La distorsión armónica en el sistema eléctrico generalmente se debe al uso extendido de cargas no lineales. Las fuentes de armónicos se pueden clasificar en términos generales de la siguiente manera: A) Armónico originado a altos voltajes por las autoridades de suministro. 1. Sistemas HVDC 2. Sistemas back to back 3. Sistema de compensación de VAR estático. 4. Convertidores de energía eólica y solar con interconexión. B) Los armónicos se originaron a voltajes medios por grandes cargas industriales como equipos de tracción, variadores de velocidad, variadores controlados por tiristores, calentadores de inducción, hornos de arco, soldadura por arco, banco de condensadores, controladores electrónicos de energía. C) El armónico se originó a bajos voltajes por parte del consumidor como cargas monofásicas, proveedor de energía ininterrumpida, dispositivos semiconductores, CFL, dispositivos de estado sólido, electrodomésticos y accesorios que utilizan dispositivos eléctricos, estranguladores fluorescentes electrónicos, reguladores electrónicos de ventiladores, reguladores de luz. III. MECANISMO DE GENERACIÓN ARMÓNICA La utilidad suministra generalmente voltaje sinusoidal puro a los usuarios. Las formas de onda actuales de los sistemas conectados a la utilidad serán sinusoidales solo si se conecta una carga lineal como las bombillas incandescentes. Sin embargo, esto no es prácticamente posible debido al mayor uso de cargas no lineales como PC, UPS, impresoras láser, hornos de microondas, balasto electrónico, sistemas de control de procesos, etc. Esto se debe a la característica no lineal de los dispositivos utilizados en equipos que dibujan formas de onda de corriente que no sigue la forma de onda del voltaje. La corriente total consumida por las cargas no lineales viene dada por. IT = IF + IH donde IF = corriente fundamental IH = corriente armónica total El circuito toma corriente solo durante los picos de la forma de onda de voltaje como se muestra en la Figura 2, para cargar el capacitor al pico del voltaje de línea. Este tipo de fuentes de alimentación que extraen corriente en pulsos cortos durante el pico de forma de onda de voltaje ha mejorado la eficiencia del equipo pero a costa de generar armónicos de alta frecuencia. La forma de onda de corriente típica de una PC medida en la entrada de potencia es una alta distorsión en la forma de onda de corriente que se observa. A. Índices armónicos Hay dos índices armónicos más utilizados para medir el contenido armónico de una forma de onda que son la distorsión armónica total y la distorsión de demanda total. Ambos miden el valor efectivo de una forma de onda y pueden aplicarse a voltaje o corriente. Distorsión armónica total (THD) El THD es una medida del valor efectivo de los componentes armónicos de una forma de onda distorsionada. Es el valor potencial de calentamiento de los armónicos con respecto al fundamental. Este índice puede usarse para voltaje o corriente donde MI, es el valor RMS del componente armónico h de la cantidad M. El THD está relacionado con el valor RMS de la forma de onda de la siguiente manera: La distorsión armónica total es muy útil para muchas aplicaciones. Proporciona una buena idea de cuánto calor adicional se genera cuando se aplica un voltaje distorsionado a una carga resistiva. También da indicaciones de pérdidas debido a la corriente que fluye a través del conductor. Pero no es un buen indicador de la tensión de tensión dentro de un condensador porque está relacionado con el valor máximo de la forma de onda de tensión. El THD se usa principalmente para describir la distorsión de voltaje armónico. El voltaje armónico siempre se hace referencia al componente fundamental de la forma de onda en el tiempo de muestreo. Porque al variar el voltaje fundamental a un pequeño porcentaje, el voltaje THD es casi un número significativo. La variación de la distorsión armónica total a lo largo del tiempo sigue un patrón distinto que representa la actividad de carga no lineal en el sistema. La figura muestra la distorsión armónica durante un período de una semana que se toma de una subestación de distribución de 132 KV. La figura muestra que se produce una alta distorsión en la noche y en las primeras horas de la mañana ya que las cargas no lineales son altas en comparación con la carga lineal durante estas horas. Distorsión de la demanda total (TDD) La distorsión actual puede caracterizarse por el valor de THD, pero esto a menudo puede ser engañoso. Una corriente pequeña puede tener un valor THD alto pero no un efecto significativo en el sistema. Muchas unidades de velocidad ajustable exhibirán un THD alto para la corriente de entrada cuando funcionan con cargas ligeras. Esto no es una preocupación importante porque la magnitud de la corriente armónica es baja aunque la distorsión de la corriente sea alta. Algunos analistas han intentado evitar esta dificultad al referir la distorsión armónica total a la distorsión de demanda total que es fundamental para la corriente de carga de demanda máxima y sirve como base para las pautas en el estándar IEEE 519 - 1992 prácticas recomendadas y requisitos para el control armónico en el sistema de energía. Fig4 : Variation of the voltage THD over a week period Donde, IL es la corriente de carga máxima en el componente de frecuencia fundamental medido en un punto de acoplamiento común (pcc) que generalmente se encuentra en el punto de medición del consumidor. IV. ARMÓNICOS: CAUSAS Y EFECTO En un sistema de potencia ideal, las formas de onda de voltaje y corriente son puramente sinusoidales. En la práctica, se producen corrientes no sinusoidales cuando la corriente que fluye a través de la carga no está relacionada linealmente con el voltaje aplicado. En un circuito simple que contiene solo elementos de circuito lineal (resistencia, inductancia y capacitancia), la corriente que fluye es proporcional al voltaje aplicado. Para que resulte en un flujo de corriente sinusoidal. La situación donde la carga es simple rectificador de onda completa, la corriente fluye solo cuando el voltaje de suministro excede el almacenado en el condensador del depósito. Dice que las formas de onda tienden a distorsionarse de la onda sinusoidal y esta es la causa de los armónicos [6]. Las cargas no lineales crean armónicos al dibujar la corriente en pulsos cortos abruptos, en lugar de una forma sinusoidal suave [7] como se muestra en la figura 1. Los altos niveles de distorsión armónica pueden causar varios efectos, como un aumento en el calentamiento del transformador, capacitor, motor o generador, operación falsa de equipos electrónicos, lecturas incorrectas en medidores, operación falsa de relés de protección, interferencia con circuitos telefónicos, etc. elementos no lineales conectados al sistema de energía, cualquier dispositivo que tenga características no lineales causará distorsión armónica. Ejemplos de fuentes comunes de armónicos del sistema de potencia, algunos de los cuales nunca causan problemas serios, son: saturación y entrada del transformador, conexiones neutras del transformador, distribución MMF en máquinas rotativas de CA, hornos de arco eléctrico, iluminación fluorescente, fuentes de alimentación conmutadas por computadora, cargadores de batería, fuentes de CA imperfectas, variadores de frecuencia (VFD), inversores y fuentes de alimentación de televisión. V. CARGAS NO LINEALES Debido a los cambios en las condiciones de operación y al rápido crecimiento de los dispositivos avanzados de conversión de energía, equipos electrónicos, computadoras, automatización de oficinas, sistemas de aire acondicionado, la ventilación de calefacción de velocidad ajustable puede causar distorsiones de corriente. Esto se debe a un aumento drástico en los armónicos. Según la Investigación de Energía Eléctrica (EPR) en 1995, el 35-40% de toda la energía eléctrica fluye a través de convertidores electrónicos. Se espera que aumente al 85% para el año 2012. Todos estos dispositivos se denominan cargas no lineales y se convierten en fuentes de armónicos. VI. FUENTES DE ARMÓNICOS DEBIDAS A DIFERENTES TIPOS DE CARGAS A. Fuentes armónicas de carga comercial Las instalaciones comerciales como complejos de oficinas, hospitales, centros de datos de Internet están dominados por rayos fluorescentes de alta eficiencia con balastos electrónicos, unidades de velocidad ajustable para calefacción, ventilación y aire acondicionado, cargas de equipos electrónicos sensibles y unidades de elevadores suministrados por fuentes de alimentación conmutadas monofásicas. Las cargas comerciales se caracterizan por un gran número de pequeñas cargas productoras de armónicos. Dependiendo de la diversidad de carga, estas pequeñas corrientes armónicas pueden agregarse o cancelarse entre sí. La distorsión del voltaje depende de la impedancia del circuito y la corriente armónica. Los equipos de corrección del factor de potencia no se utilizan en instalaciones comerciales, por lo que la impedancia del circuito está dominada por la impedancia del transformador y del conductor. Por lo tanto, la distorsión de voltaje se puede calcular multiplicando la corriente armónica por la impedancia del circuito. Las diferentes cargas no lineales con sus características se describen en las siguientes secciones. Fuentes de alimentación monofásicas Las cargas electrónicas del convertidor de potencia, como los variadores de velocidad ajustables, las fuentes de alimentación electrónicas, los variadores de potencia de CC, los cargadores de batería, los balastos electrónicos y muchos otros rectificadores e inversores son la clase más importante de cargas no lineales debido a su capacidad de producir corrientes armónicas. Una preocupación importante está en los equipos electrónicos monofásicos que producen demasiada corriente armónica. El porcentaje de carga contiene fuentes de alimentación electrónicas aumenta con el uso cada vez mayor de computadoras personales. La moderna electrónica y microprocesador el equipo basado necesita puente rectificador de diodo de onda completa monofásico para fuente de alimentación de CC. Hay dos técnicas comunes utilizadas para el suministro monofásico. Uno usa métodos de control de voltaje de CA en los que el transformador se usa para reducir el voltaje requerido para el bus de CC. La inductancia del transformador proporciona los beneficios de suavizar la forma de onda de la corriente de entrada. La segunda tecnología utiliza una fuente de alimentación de modo conmutado para la conversión de CC a CC para obtener una salida de CC uniforme. La línea de CA está conectada directamente al puente de diodos de entrada que elimina el transformador. La salida de voltaje regulado de CC en el condensador se convierte de nuevo en voltaje de CA de alta frecuencia mediante interruptores de alta velocidad y nuevamente se rectifica. Las computadoras personales, copiadoras, impresoras y otros dispositivos electrónicos monofásicos emplean fuentes de alimentación de modo conmutado. Las ventajas de las fuentes de alimentación de modo conmutado son tamaño compacto, peso ligero, operación eficiente y sin necesidad de transformadores. La fuente de alimentación de modo conmutado puede tolerar grandes variaciones en el voltaje de entrada. La fuente de alimentación conmutada es rica en tercera corriente armónica. Las corrientes del tercer armónico son de naturaleza aditiva en neutro del sistema trifásico, por lo que causa una preocupación creciente en la sobrecarga de los conductores neutros, especialmente en edificios antiguos donde se ha instalado un neutro de tamaño insuficiente. También hay un problema de sobrecalentamiento del transformador debido a la corriente armónica, el flujo parásito y la corriente de alto neutro. Rayo fluorescente La iluminación generalmente representa del 40 al 60 por ciento de la carga de un edificio comercial. Según el estudio de consumo de energía de edificios comerciales de 1995 realizado por la Administración de Información de Energía de EE. UU., La iluminación fluorescente se usó en el 77 por ciento de los espacios comerciales del piso, mientras que solo el 14 por ciento de los espacios utilizó iluminación incandescente ''. Las luces fluorescentes son una opción popular para ahorrar energía. Las luces fluorescentes son lámparas de descarga; requiere un lastre para proporcionar un alto voltaje inicial para iniciar la descarga para que la corriente eléctrica fluya entre dos electrodos en el tubo fluorescente. Una vez que se establece la descarga en el tubo, el voltaje disminuye a medida que aumenta la corriente del arco. Es esencialmente un cortocircuito entre los dos electrodos, y el balastro tiene que reducir rápidamente la corriente a un nivel para mantener la salida de luz especificada. Por lo tanto, un balasto es también un dispositivo limitador de corriente en aplicaciones de iluminación. Hay dos tipos de balastos, a saber, magnéticos y electrónicos. El balasto magnético está compuesto simplemente por un transformador de núcleo de hierro con un condensador encerrado en un material aislante. Un solo balasto magnético puede accionar una o dos lámparas fluorescentes y funciona a una frecuencia fundamental, es decir, 50Hz. El balasto magnético con núcleo de hierro causa pérdidas de calor adicionales que lo hacen ineficiente en comparación con un balasto electrónico. Un balasto electrónico emplea una fuente de alimentación del tipo de modo de conmutación para convertir el voltaje de frecuencia fundamental en un voltaje de frecuencia mucho más alto, típicamente en el rango de 25 a 40 kHz. Esta alta frecuencia tiene dos ventajas. Primero, un pequeño inductor es suficiente para limitar la corriente de arco. En segundo lugar, la alta frecuencia elimina o reduce en gran medida el parpadeo asociado con un balasto magnético con núcleo de hierro. B. Fuentes armónicas de cargas industriales En la industria moderna hay una amplia aplicación de cargas no lineales. Estas cargas no lineales inyectan corrientes armónicas en el sistema de energía que causan distorsión armónica en el voltaje. Estas cargas no lineales tienen un factor de potencia relativamente bajo. Para mejorar el factor de potencia, las instalaciones industriales a menudo utilizan bancos de condensadores para evitar multas. La aplicación de condensadores de corrección del factor de potencia puede aumentar potencialmente las corrientes armónicas de las cargas no lineales, dando lugar a condiciones de resonancia dentro de la instalación. El nivel de distorsión de voltaje más alto usualmente ocurre en el bus de bajo voltaje de la instalación donde se aplican los condensadores. Las condiciones de resonancia provocan el sobrecalentamiento del motor y del transformador y el mal funcionamiento de los equipos electrónicos sensibles. Convertidores electrónicos de potencia trifásicos. Los convertidores electrónicos de potencia trifásica difieren de los convertidores monofásicos porque no generan corrientes de tercer armónico. Esta es una gran ventaja porque la tercera corriente armónica es el componente más grande de los armónicos. Sin embargo, aún pueden ser una fuente importante de armónicos en sus frecuencias características. Fig. 7: Espectro actual para ASD tipo CSI Dispositivos saturables Los transformadores y otros dispositivos electromagnéticos con núcleo de acero, incluidos los motores, entran en esta categoría. Los armónicos se generan debido a las características de magnetización no lineales del acero (Fig. 8). Los transformadores de potencia están diseñados normalmente para funcionar justo debajo del punto de "rodilla" de la curva de saturación de magnetización. La densidad de flujo operativo de un transformador se selecciona en función de una complicada optimización del costo del acero, pérdidas sin carga, ruido y muchos otros factores. Muchas empresas de servicios públicos penalizarán a los proveedores de transformadores por varias cantidades por pérdidas sin carga y carga, y el proveedor tratará de cumplir con las especificaciones con un transformador que tenga el costo evaluado más bajo. Una penalización de alto costo en las pérdidas o el ruido sin carga generalmente dará como resultado más acero en el núcleo y una curva de saturación más alta que produce corrientes armónicas más bajas. Fig 8: característica de magnetización del transformador Aunque la corriente excitante del transformador es rica en armónicos a voltaje de operación normal, típicamente es menos del 1 por ciento de la corriente nominal de carga completa. Sin embargo, su efecto será notable en los sistemas de distribución de servicios públicos donde hay cientos de transformadores. Es común notar un aumento significativo en las corrientes armónicas triples durante las primeras horas de la mañana cuando la carga es baja y el voltaje aumenta. En esta condición, la corriente excitante del transformador es más visible porque no hay carga suficiente para oscurecerla y el aumento de voltaje hace que se produzca más corriente. La distorsión de voltaje armónico del transformador sobre la excitación es generalmente aparente solo bajo condiciones de carga ligera. Algunos transformadores funcionan en la región de saturación. Un ejemplo es un transformador triplicado que se utiliza para generar 180 Hz para horno de inducción. Los motores también exhiben cierta distorsión en la corriente cuando se sobreexcitan, aunque generalmente tiene poca consecuencia. Hay, sin embargo, algunos motores monofásicos de potencia fraccionaria que tienen una forma de onda casi triangular con importantes corrientes de tercer armónico. Fig. 9: Corriente magnetizante del transformador y armónicos. VII. SOLUCIONES PARA MINIMIZAR EL EFECTO CORRIENTE ARMÓNICO A. Sobredimensionamiento o reducción de la instalación del troquel Esta solución no elimina las corrientes armónicas que fluyen en el sistema de distribución de bajo voltaje (menos de 1KV AC) pero enmascara el problema y evita las consecuencias. La solución más ampliamente implementada es el sobredimensionamiento del conductor neutro. En una instalación existente, la solución es reducir el equipo de distribución eléctrica sujeto a las corrientes armónicas. B. Transformadores especialmente conectados Esta solución elimina las corrientes armónicas de tercer orden. Es una solución centralizada para un conjunto de cargas monofásicas. Fig 10: transformadores especialmente conectados C. Reactores en serie Esta solución consiste en conectar un reactor en serie con cargas no lineales. D. Filtro pasivo sintonizado Se puede instalar un filtro para una carga o un conjunto de cargas. La clasificación del filtro debe coordinarse con los requisitos de potencia reactiva de la carga. E. Filtro armónico activo Los rellenos armónicos activos se utilizan para introducir el componente actual para cancelar los componentes armónicos de las cargas no lineales. Existen diferentes tipos de filtros de armónicos activos, como el filtro de serie, el filtro de derivación y el filtro híbrido. La tecnología más nueva disponible para la mitigación de armónicos es el filtro activo. Las técnicas de filtrado activo se pueden aplicar como un filtro armónico independiente o incorporando la tecnología en la etapa de rectificador de un variador, UPS u otro equipo electrónico de potencia. Típicamente, los filtros activos monitorearán las corrientes de carga, filtrarán las corrientes de frecuencia fundamentales, analizarán el contenido de frecuencia y magnitud del resto, y luego inyectarán las corrientes iguales y opuestas apropiadas para cancelar los armónicos individuales. Los filtros activos normalmente cancelarán los armónicos hasta aproximadamente 50º armónico y pueden alcanzar niveles de distorsión armónica tan bajos como 5% THD-I o menos. Para aplicar filtros de armónicos activos, determine la magnitud de los armónicos (por medición) que se eliminarán del sistema y seleccione un filtro activo con la capacidad de cancelación de corriente de armónicos adecuada. Los filtros activos utilizan circuitos electrónicos de potencia y, por lo tanto, el requisito de mantenimiento puede ser mayor que para las soluciones pasivas y puede ser similar al de un variador de frecuencia. Las pérdidas asociadas con los filtros activos también tienden a ser mayores que las de las soluciones pasivas. En términos de la corriente de cancelación de armónicos, los precios de los filtros activos pueden variar de aproximadamente $ 30,000 (50 amperios) a $ 100,000 (300 amperios). VIII CONCLUSIÓN VIII CONCLUSIÓN Este artículo presenta un estudio de la distorsión armónica en las formas de onda de voltaje y corriente con el objetivo de conocer el nivel existente de distorsión armónica presente en el Sistema de Energía y las tendencias futuras. Se estudian los armónicos inyectados por algunas cargas no lineales de uso común. Se observa que existe una distorsión significativa en la corriente debido al uso de computadoras y otros equipos electrónicos en áreas residenciales y comerciales también. El uso creciente de estos equipos puede ocasionar problemas serios en un futuro cercano. La distorsión actual difiere ampliamente de una sección a la siguiente. Aunque, la distorsión de voltaje se registra por debajo del límite aceptable, pero se encuentra por encima del límite recomendado en los lugares de alta distorsión de corriente, ya que depende de la impedancia del circuito y de las características de generación armónica. Se registra una distorsión significativa en la corriente al final del cliente con un alto porcentaje de componentes armónicos 5º y 7º.
