CAPÍTULO II CARGAS NO LINEALES Y ARMÓNICOS En el presente capitulo se presentan las bases teóricas necesarias para tener conocimiento acerca de las corrientes armónicas, el tipo de carga que genera dichas corrientes, las principales cargas no lineales generadoras de amónicos y las principales fuentes de armónicos presentes en los sistemas eléctricos. 2.1 CARGA NO LINEAL Las cargas no lineales son todos aquellos equipos electrónicos que cambian la forma de onda de la corriente, ellos poseen una característica de alimentación sinusoidal, pero debido a los elementos de electrónica de potencia que contienen cambian la forma de onda de la corriente. [5][7][11][13] 2.2 PRINCIPALES CARGAS NO LIENALES Estas cargas se pueden clasificar en 3 categorías, a continuación, se mostrará una lista con las cargas lineales más importantes. Cabe acotar que, las cargas señaladas con el signo (-) no pueden ser tratadas en régimen permanente lo que complica su estudio. [5][12] 1. Basas en arcos y descargas eléctricas. Lámparas de descarga (fluorescentes, ahorradoras de energía, neon, vapores de sodio y mercurio, etc.). 1.2 Soldadores de arco (-). 1.3 Hornos de arco (-). 2. Basadas en inductancias saturables. Transformadores. Motores. Reactancias para limitar los arcos de descarga. 3. Electrónicos. Rectificadores para cargar resistivas e inductivas. Fuentes de alimentación (aparatos electrónicos domésticos y de oficina, variadores de frecuencia, sistemas de alimentación ininterrumpida, lámparas electrónicas, etc.). Reguladores y recortadores (variación de velocidad de pequeños motores, ahorradores de energía para motores, reguladores de luz, compensadores estáticos de energía reactiva (SVC,TCR), reguladores para dispositivos de caldeo, etc.). Cargadores de baterías. Cicloconvertidores. Convertidores continua-alterna sobre la red (energía solar, accionamiento son recuperación de energía, transmisión de energía en cociente continua, etc.). 2.3 ARMONICOS Los armónicos son forma de ruido eléctrico senoidal (tensiones y corrientes), cuyas frecuencias son múltiplos enteros de la fundamental, para la cual está diseñado el sistema eléctrico cuando entra en operación. La forma de onda deformada puede ser descompuesta en la suma de la señal de frecuencia fundamental y las armónicas. [6][7][14] Figura 2.1 Curva de la corriente fundamental y sus múltiplos. Un aspecto importante que se debe acotar, los armónicos se comportan como fuentes de corrientes colocadas en paralelos y cada armónico posee una frecuencia diferente, la sumatoria de todas las intensidades, es la corriente que alimente la carga. Cabe destacar, la frecuencia fundamental es la única que produce potencia activa. Una acotación importante es que los armónicos pares aparecen únicamente en corriente continua.[7] Figura 2.2 Esquema del comportamiento de las corrientes armónicas 2.4 ARMONICOS CARACTERISTICOS Son aquellos armónicos producidos por equipos convertidores semiconductores en el curso de la operación normal.[9] Tomando como ejemplo un convertidor de seis pulsos, este convertidor tiene como armónicos característicos los impares diferentes a los múltiplos de tres, por ejemplo, 5th, 7th, 11th, 13th, etc. h = kq ±1 k = algún entero q = número de pulso del convertidor 2.5 ARMÓNICOS NO CARACTERISTICOS Los armónicos no característicos no son producidos por equipos convertidores semiconductores en el curso de la operación normal.[9] Los armónicos no característicos provienen de: Frecuencias oscilatorias. Demodulaciones del armónico característico. Demodulaciones de la fundamental. Desbalance en los sistemas de potencia AC, el ángulo de retardo asimétrico. Funcionamiento del ciclo-convertidores. 2.6 FUENTES ARMONICAS Los armónicos son producto de cualquier caga no lineal conectada en un sistema eléctrico, entre las que se citan algunas se pueden despreciar de manera seguro en los sistemas de distribución. Se mostrará una lista de ejemplos de fuentes de armónicos presentes en los sistemas de potencia: [3][6][11] Saturación de transformadores. Corrientes de energización de transformadores. La corriente de Inrrush de los transformadores. Conexiones al neutro de transformadores. Fuerzas magnemotrices de máquinas rotatorias de corriente alterna. Hornos de arco eléctrico. Lámparas fluorescentes. Fuentes reguladas por conmutación. Cargadores de baterías. Compensadores estáticos de VAR’s. Variadores de frecuencia para motores (“drives”), inversores. Convertidores de estado sólido tales como: En las instalaciones eléctricas convencionales podemos encontrar los siguientes valores de armónicos:[3] Alumbrado fluorescente, hasta un 26%. Equipos de comunicaciones, hasta un 26%. Controladores para edificios inteligentes, hasta un 58%. Pc, impresoras, mini computadoras, etc. Producen una distorsión armónica hasta de 124%. Fuerte de energía ininterrumpida (UPS), producen hasta un 26% de distorsión armónica. 2.7 SECUENCIA DE ARMÓNICOS EN SISTEMAS ELÉCTRICOS BALANCEADOS Todo armónico tiene asignado un nombre, frecuencia y secuencia que dependerá de la fundamental.[6][15] Tabla 2.1 Secuencia de los armónicos. N° armonico 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 + - 0 + - 0 + - 0 + - 0 ´+ secuencia Analizar las secuencias de los armónicos es muy importante, con esto podemos estudiar los efectos que estos causan, con ello se puede llegar a las siguientes afirmaciones:[6][15] Los armónicos de corriente de orden 3n (secuencia cero) solo pueden circular en sistemas trifásico cuando existe un retorno por neutro. Los armónicos de tensión de orden 3n+1 (secuencia positiva), generan un campo giratorio en el mismo sentido de la fundamental en los motores. Los armónicos de tensión de orden 3n-1 (secuencia negativa), generan un campo giratorio en el sentido contrario de la fundamental en los motores. Muchos autores han estudiado los efectos que tienen los armónicos de secuencia positiva, negativa y cero en los motores, ellos concluyen: los armónicos de tensión de secuencia positiva intentan hacer girar al motor en el sentido de su diseño, lo cual es el sentido correcto de giro y beneficia a los motores. Los armónicos de tensión de secuencia negativa intentaran hacer que el motor gire en sentido contrario a su diseño, lo cual genera que este reste potencia. Los armónicos corrientes de secuencia cero también conocidos como los triplen, generaran calentamiento al motor lo cual incrementaran las perdidas por calentamiento, lo mismo les sucede a los transformadores.[15] Debe tomarse en consideración que las conclusiones sobre la secuencia de los armónicos solo son válidas cuando se trata de un sistema trifásico balanceado y las formas de onda de las tres fases son idénticas. En la práctica, pueden encontrarse diferencias entre las tres fases del sistema, tal como se muestra en la Figura 2.6. Figura 2.6 Sistema trifásico con diferentes formas de onda.
