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Armónicos - Monografía



 
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I    Armónicos


Introducción



Para el desarrollo de este seminario hemos tomado algunos temas que ha nuestro entender entran en el renglón de los temas  principales si de armónicos hablamos, como por ejemplo: en que consiste un armónico, tipos de armónicos, características y teoría de los mismos, y dentro de los mas frecuentes mencionaremos los efectos causados por mismos y las consecuencia que estos traen consigo al momento de producirse.

En otro orden También hablaremos de lo que son los efectos de los armónicos en los sistemas eléctricos, ya que estos entran a jugar un papel primordial en los problemas que se presentan en la red o en un sistema eléctrico, tanto por las distorsiones como los daños que causan los mismos, de este manera ilustraremos como influyen en la curva de tensión y cuales son sus variaciones en la misma, además de esto hablaremos un poco de que hacer para evitar los efectos de los mismos y que hacer para disminuirlos.

1.1    Que Son Los Armónicos



Los armónicos son distorsiones de las ondas senosoidales de tensión y/o corriente de los sistemas eléctricos, debido al uso de cargas con impedancia no lineal, a materiales ferromagnéticos, y en general al uso de equipos que necesiten realizar conmutaciones en su operación normal. La aparición de corrientes y/o tensiones armónicas en el sistema eléctrico crea problemas tales como, el aumento de pérdidas de potencia activa, sobretensiones en los condensadores, errores de medición, mal funcionamiento de protecciones, daño en los aislamientos, deterioro de dieléctricos, disminución de la vida útil de los equipos, entre otros.

En un sistema de potencia eléctrica, los aparatos y equipos que se conectan a él, tanto por la propia empresa como por los clientes, están diseñados para operar a 50 ó 60 ciclos, con una tensión y corriente sinusoidal. Por diferentes razones, se puede presentar un flujo eléctrico a otras frecuencias de 50 ó 60 ciclos sobre algunas partes del sistema de potencia o dentro de la instalación de un usuario. La forma de onda existente esta compuesta por un número de ondas sinusoidales de diferentes frecuencias, incluyendo una referida a la frecuencia fundamental. En la figura se observa la descomposición de una onda distorsionada en una onda sinusoidal a la frecuencia fundamental (60 Hz) más una onda de frecuencia distinta. El término componente armónico o simplemente armónico, se refiere a cualquiera de las componentes sinusoidales mencionadas previamente, la cual es múltiplo de la fundamental. La amplitud de los armónicos es generalmente expresada en por ciento de la fundamental.
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Los armónicos se definen habitualmente con los dos datos más importantes que les caracterizan, que son:
- su amplitud: hace referencia al valor de la tensión o intensidad del armónico,
- su orden: hace referencia al valor de su frecuencia referido a la fundamental (60 Hz). Así, un armónico de orden 3 tiene una frecuencia 3 veces superior a la fundamental, es decir 3 * 60 Hz = 180 Hz.
El orden el armónico, también referido como el rango del  armónico, es la razón entre la frecuencia de un armónico fn y la frecuencia del fundamental (60 Hz).

2170.gif  (Por principio, la fundamental f1  tiene rango 1).

1.2    Trayectoria De Los Armónicos



Toda corriente eléctrica fluye por donde se le presenta menor resistencia a su paso. Por esta razón las corrientes armónicas siguen trayectorias distintas, pues se tiene que las impedancias de los sistemas varían según la frecuencia. Donde se tiene que la reactancia inductiva se incrementa con la frecuencia y la resistencia se incrementa en menor medida, mientras que la reactancia capacitiva disminuye con la frecuencia.  Así las armónicas fluyen hacia donde se le presenta menos resistencia a su paso, esto se muestra en la figura 6.5.

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Trayectoria de las armónicas en un sistema inductivo

En cambio si al sistema de la figura 6.5. se le incluye un banco de capacitores como se muestra en la figura 6.6., da lugar a unas trayectorias distintas para las armónicas.

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Efecto de los capacitores en las trayectorias de las armónicas

La trayectoria que siguen las armónicas también depende del tipo de sistemas, ya sean monofásicos o trifásicos, así como las conexiones de los transformadores que se encuentra a su paso.  Las armónicas que se presentan en sistemas balanceados tienen una relación directa con las componentes de secuencias positiva, negativa y cero.
1.3    Teoría De Los Armónicos
Cualquier onda no senoidal puede ser representada como la suma de ondas senoidales (armónicos) teniendo en cuenta que su frecuencia corresponde a un múltiplo de la frecuencia fundamental (en el caso de la red = 50 o 60Hz), según la relación:

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donde:
V0 = Valor medio de v(t) (onda en estudio).
V1 = Amplitud de la fundamental de v(t).
Vk = Amplitud del armónico de orden k de v(t)

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1.4      Origen De Los Armónicos



En general, los armónicos son producidos por cargas no lineales,  lo cual significa que su impedancia no es constante (está en función de la tensión). Estas cargas no lineales a pesar de ser alimentadas con una tensión sinusoidal adsorben una intensidad no sinusoidal, pudiendo estar la corriente desfasada un ángulo    respecto a la tensión.
Existen dos categorías generadoras de armónicos. La primera es simplemente las cargas no lineales en las que la corriente que fluye por ellas no es proporcional a la tensión. Como resultado de esto, cuando se aplica una  onda sinusoidal de una sola frecuencia, la corriente resultante no es de una sola frecuencia. Transformadores, reguladores y otros equipos conectados al sistema pueden presentar un comportamiento de carga no lineal y ciertos tipos de bancos de transformadores multifase  conectados en estrella-estrella  con cargas desbalanceadas o con problemas en su puesta a tierra. Diodos, elementos semiconductores y transformadores que se saturan son ejemplos de equipos generadores de armónicos, estos elementos se encuentran en muchos aparatos eléctricos modernos. Invariablemente esta categoría de elementos generadores de armónicos, lo harán siempre que estén energizados con una tensión alterna. Estas son las fuentes originales de armónicos que se generan sobre el sistema de potencia. El segundo tipo de elementos que pueden generar armónicos son aquellos que tienen una impedancia dependiente de la frecuencia.

1.5    Contenido Normal De Armónicos



Los armónicos crean problemas sólo cuando interfieren con la operación propia del equipo, incrementando los niveles de corriente a un valor de saturación o sobrecalentamiento del equipo o cuando causan otros problemas similares. También incrementan las pérdidas eléctricas y los esfuerzos térmicos y eléctricos sobre los equipos. Los armónicos lo que generalmente originan son daños al equipo por sobrecalentamiento de devanados y en los circuitos eléctricos, esta es una acción que destruye los equipos por una pérdida de vida acelerada, los daños se pueden presentar pero no son reconocidos que fueron originados por armónicos. El nivel de armónicos presente puede estar justamente abajo del nivel que pueden causar problemas, incrementar este valor límite puede presentarse en cualquier momento y pasar a un valor donde no se pueden tolerar.

1.6    Equipos Que Producen Armónicos



Convertidores Electrónicos de Potencia:
Equipos de Computación, Control de Luminarias, UPS, Variadores Estáticos de Velocidad, PLC´s, Control de Motores, Televisores, Microondas, Fax,  Fotocopiadoras, Impresoras, etc.

Equipos con Arqueo de Electricidad:
Hornos de Fundición, Balastros Electrónicos, Equipos de Soldadura Eléctrica,
Sistemas de Tracción Eléctrica.

Equipos Ferromagnéticos:
Transformadores Operando Cerca del Nivel de Saturación, Balastos Magnético.

Efecto De Los Armónicos En los Sistema Eléctrico

2.1    Influencia De Los Armónicos En El Sistema



La Figura b ilustra la respuesta obtenida en el nodo 4, al final de la línea de transmisión. Las formas de onda distorsionadas de voltaje y su contenido armónico mostrado en la Figura (c) ilustran el efecto combinado del desbalance intrínseco del sistema, saturación e interacción de armónicos  entre estator-rotor en el generador, saturación del transformador, núcleo magnético (3 columnas),  configuración eléctrica (estrella aterrizada-delta) y efecto de la línea de transmisión.

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Voltaje v

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Contenido armónico

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Voltaje y contenido armónico en capacitor

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Ondas de tensión en barras de 13.2, 33 kV.

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Ondas de tensión en una barra 115 kV

2.2    Armónicos De Corriente



Una onda no sinusoidal pura está formada por una onda fundamental a la que superponen ondas de frecuencia múltiplos de la frecuencia fundamental. Estas ondas superpuestas reciben el nombre de armónicos de orden superior.

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Las distorsiones armónicas de corriente distorsionan la onda de tensión al interactuar con la impedancia del sistema originando la reducción de la vida util en motores y causando la operación errática de equipos electronicos.

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Interacción con el Sistema


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Relación entre las secuencias y las armónicas



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De esta manera el comportamiento de las armónicas es similar al comportamiento de las secuencias. Es por esta razón que ante la presencia de armónicas en la corriente del sistema, se tengan corrientes que circulan de una manera similar a las corrientes de secuencia.

Relación entre las armónicas y las componentes de secuencia



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Fundamental (sec. positiva)

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Tercera armónica (sec. cero)

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Descomposición de una señal
Quinta armónica (sec. negativa)


2.3    Efecto En El Conductor Neutro



El diseño de circuitos ramales en el pasado había permitido un conductor neutro común para tres circuitos monofásicos. La lógica dentro de este diseño fue que el conductor neutro cargaría solamente con la corriente de desbalance de las tres cargas monofásicas. Un conductor neutro común parecía adecuado para las cargas y era económicamente eficiente puesto que un ingeniero de diseño balancearía las cargas durante el diseño, y un electricista balancearía las cargas durante su construcción. En muchos ejemplos el conductor neutro se disminuía en tamaño con respecto a los conductores de fase por las mismas razones. Bajo condiciones balanceadas de operación en cargas monofásicas no lineales, el neutro común de los tres circuitos monofásicos es portador de armónicos triples de secuencia cero, los cuales son aditivos en el conductor neutro. Bajo condiciones de desbalance, el neutro común lleva corrientes comprendidas por las corrientes de secuencia positiva procedentes el desbalance del sistema, las corrientes de secuencia negativa procedentes del desbalance del sistema, y las corrientes aditivas de secuencia cero procedentes de los armónicos triples. Un conductor neutro común para tres circuitos ramales monofásicos, puede fácilmente sobrecargarse cuando alimenta, cargas no lineales balanceadas o desbalanceadas.
Las corrientes excesivas en el conductor neutro provocan caídas de voltajes mayores que los normales entre el conductor neutro y tierra en las tomas de 120 volts. Esto puede desestabilizar la operación del equipamiento electrónico sensible, tales como computadoras, que pueden requerir de un receptáculo de tierra aislado. Las barras de neutro de la pizarra de control representan el primer punto común de conexión de las cargas monofásicas conectadas en delta. Recuérdese que las corrientes armónicas de secuencia positiva y negativa, asumiendo cargas balanceadas, se cancelan en cualquier punto común de conexión. La barra del conductor neutro también puede sobrecargarse debido a los efectos de cancelación de las corrientes armónicas de secuencia positiva y negativa entre los conductores que sirven a diferentes cargas. Además, las corrientes armónicas triples de secuencia cero fluyen en los conductores neutros, a pesar del balance de las cargas. Las corrientes armónicas triples solamente, pueden sobrecargar las barras de neutro. En la práctica, los conductores neutros de circuitos ramales individuales portan corrientes armónicas de secuencia positiva y negativa provenientes de los desbalances de fase junto a las corrientes de armónicos triples de secuencia generados por la carga. Las barras de neutro que son dimensionadas para llevar el valor completo de la corriente nominal de fase, pueden fácilmente sobrecargarse cuando el sistema de distribución de potencia alimenta cargas no lineales.

De esta manera se tiene que como las corrientes de secuencia cero tienden a fluir por los neutros del sistema, entonces este comportamiento lo tienen las armónicas múltiplos de tres. Este efecto se puede ver en la figura

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 Circulación de la tercera armónica por el neutro de transformadores.



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En sistemas trifásicos de cuatro hilos que alimentan cargas no lineales conectadas entre fase y neutro, cuando el sistema esté equilibrado, estas elevadas corrientes de neutro no activan las protecciones

2.4    Efectos En Conductores



Las corrientes armónicas producen pérdidas en las líneas. Los conductores experimentan un calentamiento superior al habitual por efecto Joule debido a que el efecto piel se agrava al aumentar la frecuencia. La solución es aumentar la sección de los conductores. Sin embargo, el sobredimensionamiento de los conductores de fase no es necesario si éstos han sido bien calculados. Las pérdidas son incrementadas en cables que conducen corrientes armónicas, lo que incrementa la temperatura en los mismos. Las causas de las pérdidas adicionales incluyen:
- Un incremento en la resistencia aparente del conductor con la frecuencia, debido al efecto pelicular.
- Un aumento del valor eficaz de la corriente para una misma potencia activa consumida.
- Un incremento de las pérdidas dieléctricas en el aislamiento con la frecuencia, si el cable es sometido a distorsiones de tensión no despreciables.

El conductor neutro es una notable excepción ya que en el se suman los armónicos “triplen” (6n-3) de secuencia cero (3º, 9º, 15º, 21º..). Estas corrientes pueden crear caídas de tensión importantes a lo largo del neutro, lo que conlleva diferencias de potencial considerables entre éste y el conductor de protección que provocan errores de funcionamiento en los receptores.

2.5    Efecto En Máquinas Rotatorias Y Motores De Inducción


Las maquinas como los motores y generadores están expuestos a operar bajo condiciones no ideales, estas condiciones implican las armónicas las cuales tienen un efecto considerable sobre la operación de estas maquinas.
El efecto de las armónicas y desbalances en el sistema sobre los motores, se presenta principalmente en el calentamiento del mismo provocando pérdidas en el núcleo, además de que provoca pares parásitos en la flecha del mismo, provocando pares pulsantes, figura 5.1., los cuales llevan al motor a una degradación rápida del mismo.

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. Par eléctrico del motor ante condiciones desbalanceadas



Más sin embargo uno de los casos más problemáticos es cuando en el voltaje de alimentación de los motores se encuentran voltajes armónicos múltiplos de tres, además de que estos voltajes pueden ser desbalanceados.

Por ejemplo las siguientes gráficas de las figura 5.2. y 5.3. muestran la respuesta de un motor de inducción de rotor devanado el cual tiene una alimentación de Va= 0.95 0 , Vb=1 -120 , Vc=1 120  p.u.  y contiene la 3ª armónica con una magnitud del 15% del valor nominal desfasada 0 rad.

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Señal del voltaje de alimentación



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a) Fase a



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b) Fase b



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c) Fase c


Corriente en el estator y sus armónicas



Estas gráficas muestran que esta tercera armónica provoca una conversión de frecuencias en el rotor del motor, lo cual da un reflejo en unas sobrecorrientes con un alto contenido de la tercera armónica.


2.6    Efectos En Generadores Sincrónicos



El generador sincrono al alimentar una carga desbalanceada se provoca una circulación de corriente de secuencia negativa, esta corriente de secuencia negativa se induce al rotor del generador provocando este a su vez una corriente en el estator de tercera armónica. Este proceso continua provocando la distorsión armónica de la corriente y por ende la del voltaje. Las siguientes figuras muestran mediciones hechas en un generador sincrono de 8 KW el cual alimenta una carga desbalanceada, la cual esta conectada en estrella aterrizada, la carga de la fase a es capacitiva, la b inductiva, y la c resistiva.

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a)    Voltajes de las tres fases abc



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Respuesta de un generador al alimentar una carga desbalanceada



De igual manera cuando el generador sincrono alimenta a una carga a través de un rectificador, entonces se tiene un sistema trifásico balanceado no senoidal, esto indica que habrá la circulación de corrientes de secuencia positiva (fund, y 7a ) y de secuencia negativa (5a y 11a ), de esta manera existirá el fenómeno de conversión de frecuencias con el generador. Provocando así que las armónicas se generen de dos lados: de la carga y la generación, ocasionando el difícil control de las armónicas, como se observa en la siguiente figura.

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Grupo generador-filtro de 5 armónica- rectificador



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a) Sin filtro de 5 armónica



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b) Con filtro de 5 armónica


Voltaje y corriente del generador que alimenta a un rectificador

Las gráficas anteriores muestran que el filtro no esta cumpliendo cabalmente su función por el hecho de que la quinta armónica proviene de ambos lados del filtro.


2.7    Efectos Instantáneos



Los armónicos de voltajes pueden distorsionar los controles usados en los sistemas electrónicos. Ellos pueden por ejemplo afectar las condiciones de conmutación de los tiristores por el desplazamiento del cruce por cero de la onda de voltaje. Los armónicos pueden causar errores adicionales en los discos de inducción de los metros contadores. Por ejemplo, el error de un metro clase 2 será incrementado un 0.3 %, en  presencia de una onda de tensión y corriente con una tasa del 5 % para el 5o armónico [1]. Las fuerzas electrodinámicas producidas por las corrientes instantáneas asociadas con las corrientes armónicas causan vibraciones y ruido especialmente en equipos electromagnéticos (transformadores, reactores entre otros).

2.8    Efectos A Largo Plazo


El principal efecto a largo plazo de los armónicos es el calentamiento. Calentamiento de capacitores: Las pérdidas causadas por calentamiento son debidas a dos fenómenos: conducción e histéresis en el dieléctrico. Como una primera aproximación, ellas son proporcionales al cuadrado del voltaje aplicado para conducción y a la frecuencia para histéresis. Los capacitores son por consiguiente sensibles a sobrecargas, tanto debido a un excesivo voltaje a la frecuencia fundamental o a la presencia de tensiones armónicas.  Estas pérdidas son definidas por el ángulo de pérdida   del capacitor cuya tangente es la razón entre las pérdidas y la energía reactiva producida, esto  se representa en la figura

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Calentamiento debido a pérdidas adicionales en máquinas y transformadores:
Pérdidas adicionales en el estator (cobre y hierro) y principalmente en el rotor (devanado de amortiguamiento, y circuito magnético) de máquinas causadas por la diferencia considerable en velocidad entre el campo rotatorio inducido por los armónicos y el rotor.

Calentamiento de equipos:


Muchas de las anomalías que ocasiona la circulación de corrientes de frecuencias que no son propiamente del sistema, a través de él y de los equipos conectados, causando en ocasiones problemas de operación, tanto a la empresa suministradora como al usuario,  se deben a las siguientes razones:

1.    Las frecuencias del flujo de potencia de tensiones y corrientes sobrepuestas a las ondas de flujo de 50 ó 60 ciclos, originan altas tensiones, esfuerzos en los aislamientos, esfuerzos térmicos e incrementan las pérdidas eléctricas.
2.    Muchos aparatos eléctricos son diseñados para aceptar y operar correctamente en potencia de 50 ó 60 ciclos, pero no responden bien a cantidades significantes de potencia a diferentes frecuencias. Esto puede causar ruido en el equipo eléctrico, problemas mecánicos y en el peor de los casos falla del equipo.
3.    Los armónicos generados en un sistema eléctrico pueden crear niveles altos de ruido eléctrico que interfieran con las líneas telefónicas cercanas.
4.    La presencia de frecuencias diferentes a la nominal en la tensión y en la corriente, regularmente no son detectables por un monitoreo normal, por mediciones o por el equipo de control; por lo que su presencia no se nota. Por ejemplo los medidores residenciales monofásicos no detectan frecuencias mucho más arriba de 6 ciclos. Frecuentemente la primera indicación de la presencia significativa de armónicos es cuando causan problemas de operación o fallas del equipo.

2.9    Efectos En Los Transformadores



Aunque los transformadores son dimensionados para la operación con cargas de 60 Hz, cuando estos alimentan cargas no lineales evidencian un incremento notable en sus pérdidas; tanto en las de núcleo como las de cobre. Corrientes armónicas de frecuencias más altas provocan pérdidas de núcleo incrementadas en proporción al cuadrado de la corriente de carga rms y en proporción al cuadrado de frecuencia debido al efecto pelicular. El incremento en las pérdidas de cobre se debe a la circulación de corrientes armónicas de secuencia positiva y negativa transportadas en los conductores de fase provenientes de cargas generadoras de armónicos monofásicas  y trifásicas, y a la circulación de las corrientes armónicas triples de secuencia cero que son transportadas en los conductores neutros desde las cargas monolineales generadoras de armónicos.  Los armónicos triples de secuencia cero se suman algebraicamente en el neutro y pasan a través del sistema de distribución hasta que alcanzan un transformador conectado en delta-estrella. Cuando las corrientes de neutro de armónicos triples alcanzan un transformador delta-estrella la misma es reflejada dentro del devanado primario en delta donde circula y causa sobrecalentamiento y fallas en el transformador.

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2.10    Efectos En Los Condensadores


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 factor de potencia circulan corrientes armónicas relativamente importantes. Por otra parte, la existencia de inductancias en algún punto de la instalación tiene el riesgo de que se produzcan resonancias con los condensadores, lo que puede hacer aumentar mucho la amplitud de los  armónicos en los mismos. Este fenómeno de resonancia puede ocasionar que sea perforado el aislamiento de los capacitores, provocando daños severos. Esta perforación puede ocurrir tanto por picos de voltaje como de corriente a través de los mismos aún cuando el diseño básico (a la frecuencia de operación) prevea pocas posibilidades de falla ante los picos de cargas operados y a los niveles de voltaje y de corrientes esperados. En la práctica, no se recomienda conectar condensadores en instalaciones que tengan una tasa de distorsión armónica superior al 8% [3].

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2.11    Los Armónicos Y El Efecto Pelicular



El efecto pelicular es el fenómeno donde las corrientes alternas de alta frecuencia tienden a fluir cerca de la superficie más externa de un conductor que fluir cerca de su centro. Esto se debe al hecho de que las concatenaciones de flujo no son de densidad constante a través del conductor, sino que tienden a decrecer cerca de la superficie más exterior, disminuyendo la inductancia e incrementando el flujo de corriente. El resultado neto del efecto pelicular es que el área transversal efectiva del conductor es reducida a medida que la frecuencia es incrementada. Mientras mayor es la frecuencia, menor es el área transversal y mayor es la resistencia ac. Cuando una corriente de carga armónica esta fluyendo en un conductor, la resistencia ante corriente alterna equivalente, Rac, para el conductor es elevada, aumentando las pérdidas de cobre I2 Rac. Este es el efecto que provoca que numerosos equipos, a diferentes niveles en los sistemas de distribución de potencia, se vean sometidos a sobrecalentamientos excesivos. A ello contribuye también el incremento de las corrientes debido a la circulación de los armónicos de las diferentes secuencias. Este sobrecalentamiento es el que causa fallas por la pérdida del nivel de aislamiento en motores, transformadores, inductores y alimentadores en general.


2.12    Consecuencia De La Presencia De Armónicos


En general, los armónicos pares, 2º, 4º etc., no causan problemas. Los armónicos impares, quedan añadidos al neutro (en vez de cancelarse unos con otros) y este motivo lleva a crear una condición de sobrecalentamiento que es extremadamente peligrosa. Los diseñadores deben tener en consideración tres normas cuando diseñan sistemas de distribución que pueda contener armónicos en la corriente:
-   El conductor de neutro debe tener suficiente sección.
-    El transformador de distribución debe disponer de un sistema de refrigeración extra para poder seguir trabajando por encima de su capacidad de trabajo cuando no existen armónicos. Esto es necesario porque la corriente de los armónicos en el conductor de neutro del circuito secundario circula en la conexión triángulo del primario. Esta corriente armónica circulante calienta el transformador.
Las corrientes producidas por los armónicos se reflejan en el circuito del primario y continúan hasta la fuente de energía. Esto causa distorsión en la tensión y los condensadores correctores de capacidad de la línea pueden ser fácilmente sobrecargados. El 5º y el 11º armónico contrarrestan la corriente circulante a través del motor acortando la vida media del motor. En general, el armónico de orden mayor, es el de menor contenido energético.

2.13    Armónica Cero



El flujo de corriente directa es la armónica de frecuencia cero, la contaminación con corriente directa  de un sistema o potencia es parte de un estudio teórico completo de todas las armónicas, ya sea en el dominio del tiempo o de la frecuencia. Generalmente la presencia de tensión o corriente directa es una señal de una pobre puesta a tierra, severo desbalance de carga o daño de algún equipo. Aún con la presencia de una pequeña señal, existe el problema de puesta a tierra, flujo en el conductor neutro o desbalance interno.
Como las frecuencias son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental, las armónicas en sus diferentes frecuencias siempre estarán en fase con la fundamental y su impacto es básicamente el mismo. Esto significa que la distorsión armónica que se presenta en la onda de 50 ó 60 ciclos es la misma.

2.14    Frecuencias De Los Armónicos



Las frecuencias de los armónicos que más problemas generan en el flujo de potencia, son aquellas que son múltiplos enteros de la fundamental como son: 120, 180, 240, 300 y 360 ciclos/segundos y las que siguen. Obsérvese que la frecuencia del sistema es la primera armónica. En contraste las frecuencias no armónicas, por ejemplo 217 ciclos/segundo, generalmente son generadas e inyectadas al sistema de transmisión y distribución con algún objetivo especial. Estos casos son producidos deliberadamente o en algunos casos inadvertidamente. Es más difícil detectar una armónica que no es múltiplo de la frecuencia fundamental, porque no altera la longitud de onda de la misma manera, esto significa que no se ve un cambio estable en el osciloscopio cuando se estudia  la onda, sin embargo, una vez que se detecta es mucho más fácil identificar su origen.
La figura  ilustra la onda senoidal a la frecuencia fundamental (60 Hz) y su 2do, 3ro, 4to, y 5to armónicos.

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La Onda Senoidal a la Frecuencia Fundamental (60 Hz) y Armónicos: 2do (120 Hz); 3ro (180 Hz); 4to (240 Hz); y 5to (300 Hz).
La Figura  muestra como una onda deformada puede ser descompuesta en sus componentes armónicas. La onda deformada se compone de la fundamental combinada con las componentes armónicas de 3er y 5to orden.

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La distorsión armónica en los sistemas de potencia no es un fenómeno nuevo - esfuerzos para limitarlo a proporciones aceptables ha sido el interés de ingenieros de potencia desde los primeros días de los sistemas de distribución. Entonces, la distorsión era ocasionada típicamente por la saturación magnética de transformadores o por ciertas cargas industriales, tales como hornos o soldadores de arco. El mayor interés eran los efectos de los armónicos sobre motores sincrónicos y de inducción, interferencia telefónica, y fallas en capacitores de potencia. En el pasado, los problemas de armónicas podían se tolerados porque los equipos tenían un diseño conservador y las conexiones Estrella aterrada - delta de los transformadores se usaron juiciosamente.   La distorsión de la sinusoide fundamental, generalmente ocurre en múltiplos de la frecuencia fundamental. Así sobre un sistema de potencia de 60 Hz, la onda armónica tiene una frecuencia expresada por:  2207.gifdonde n es un entero.  Los armónicos son caracterizados frecuentemente por un factor de distorsión armónica (DF) definido como:

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El factor de distorsión puede usarse para caracterizar tanto la distorsión en las ondas de voltaje como de corriente. Los factores totales de distorsión armónica pueden especificarse para una gama de armónicos tal como el segundo a través del undécimo armónico. El factor de distorsión también puede ser obtenido para armónicos sencillos o de pequeña magnitud. La distorsión armónica total (THD) es el factor de distorsión que incluye a todos los armónicos relevantes (típicamente tomado como el segundo a través del quincuagésimo armónico).


2.16    Flujo De Potencia Armónico



El flujo de potencia armónico de sus fuentes de generación a través del sistema de potencia hacia las cargas, obedece exactamente las mismas leyes que para la frecuencia de 50 y 60 ciclos. Los armónicos atraviesan los transformadores, motores de todo tipo y la mayoría de otros equipos con una pequeña atenuación. La excepción son los equipos construidos específicamente para bloquear o adsorber la distorsión armónica, como ciertos tipos de combinación de transformadores conectados en delta-estrella, que fuerzan a ciertas armónicas a cancelarse ellas mismas por diferencias de fase.  Adicionalmente los alimentadores con capacitores serie o paralelo, situaciones con severo desbalance, líneas largas con significante capacitancia serie pueden amplificar las armónicas. La capacitancia causa resonancia a ciertas frecuencias, teniendo como resultado que estas líneas puedan llevar corrientes armónicas de varias veces la magnitud que les fue inyectada

2.17    Evitando Los Armónicos



Las soluciones a dicho problema se realizan en forma jerarquizada; primero en forma particular, resolviendo el problema de inyección de armónicos por parte del usuario al sistema (diseñando y ubicando filtros en el lado de baja tensión, usando el transformador como barrera); y segundo, resolviendo el problema en forma global, buscando reducir las pérdidas y mantener los niveles armónicos por debajo de los límites permitidos, en este caso, se trata de un problema de optimización donde se determina la ubicación de los compensadores (condensadores, filtros pasivos, filtros activos). Independientemente del tipo de compensador utilizado para reducir los niveles de armónicos en el sistema o en
el usuario, se debe analizar la forma en que el compensador afecta a la  impedancia al variar la frecuencia, esto con el fin de determinar resonancias serie (baja impedancia al paso de corriente) y paralelo (baja admitancia a la tensión de alimentación).
Como en cualquier problema la mejor solución para evitar un efecto no es mitigarlo, sino eliminar la causa que lo produce. En nuestro caso, eliminar los armónicos de la red. Normas como las ya citadas limitan el contenido de armónicos que una carga puede introducir a la red. Actualmente los sistemas más empleados son:

Filtros pasivos, los más populares, construidos basados en condensadores e inductancias ajustados para bloquear o absorber determinados armónicos. Las aplicaciones en que son empleados deben estudiarse con cuidado para asegurar su compatibilidad con el resto del sistema. Pueden llegar a ser excesivamente voluminosos y crear efectos indeseables como transitorios y resonancias.
Los filtros armónicos pueden usarse para:

- Mejorar el  factor de potencia
- Reducir armónicos
- Reducir corrientes de retorno por el neutro en sistemas trifásicos
- Minimizar el impacto sobre los transformadores de distribución.
- Generador depósitos de los efectos armónicos.
- Liberar capacidad de distribución.

Los filtros pasivos, de armónicas, vienen en una amplia variedad.  En algunos casos, ellos no son más que un reactor de línea.  En otros casos, pueden usar filtros resonantes en serie o paralelos (uno solo o ambos simultáneamente) para atrapar o resistir a los armónicos.  Un filtro serie (con la carga en serie) que usa componentes en paralelo  (inductancias y capacitancias en paralelo) se conoce como un “relector (repelente) de corriente”.  En, o cerca la frecuencia de resonancia del conjunto paralelo, el filtro provee atenuación máxima.  La “Q” del filtro determina el ancho de banda.  Un filtro paralelo (paralelo con la carga) usando componentes en serie (inductancias y capacitancias en serie) es un aceptador de corriente.  En o cerca al punto de resonancia del filtro, este dejará pasar mucha corriente y voltaje armónico  y la resistencia de Corriente Continua (dc) del filtro la soportará.  Cuando se sintonizan adecuadamente con la carga estática, los filtros pasivos se convierten en un  medio efectivo para controlar los armónicos.  Como en el caso de reactores de línea, la distorsión de voltaje de rendimiento puede ser bastante.  Las figuras muestran el voltaje y corriente dentro y fuera de un filtro pasivo.

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Entrada a un filtro pasivo                           Salida de un filtro pasivo.

Algunos filtros agregan aspectos útiles tales como regulación de voltaje y corrección momentánea por “sags” de voltaje.  En las áreas con alta incidencia de tormentas, una combinación de filtro armónico y estabilizador de voltaje puede resultar  beneficiosa tanto para la compañía de electricidad como para la carga. La evaluación y la planificación cuidadosa del tipo de filtro que se utilizará para controlar problemas con armónicos es esencial.  Una de manera para reducir problemas armónicas está con la prevención activa.  Si la selección de nuevo equipo contiene posibilidad de controlar internamente el factor de potencia, entonces el impacto de estas cargas sobre la empresa será mínimo.  Este es el curso de acción adoptado por países Europeos.  El equipo vendido en  Europa debe reducir armónicos y controlar el factor de potencia.

Los filtros activos, Los filtros activos, con sofisticados sistemas electrónicos empiezan a hacer su aparición en el mercado. Son costosos y delicados. No gozan de una total aceptación de tiempo.   En la forma más simple, un filtro de armónica activo es un regulador de tipo impulso. El filtro impulsa voltaje a lo largo de cada ciclo medio de Corriente alterna (AC), proveyendo la carga con una forma de onda rectangular.  La onda de voltaje formada  puede completarse con electrónica activa, saturación magnética o ambos.  La forma de onda rectangular de voltaje forza a los rectificadores en la fuente de alimentación a sacar corriente por un intervalo más largo.  Para construir el ciclo correcto (período de conducción de corriente vs el intervalo de voltaje)  y mejorando también el factor de potencia.  Depender del tipo de filtro armónico activo, la distorsión a la salida puede ser mínima o muy pronunciada.  Las figuras muestran el voltaje y corriente dentro y fuera de un filtro activo

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Entrada a un filtro activo                          Salida de un filtro activo.

Reactor: Un reactor en línea, es comúnmente un simple inductor.  La reactancia inductiva del inductor resiste la corriente de armónicos de alta frecuencia. Según la ecuación Xl= 2 fL. Como la frecuencia aumenta, también lo hace la resistencia.  Las componentes de 60Hz pasan a través del inductor con poca oposición, pero a los componentes de más alta frecuencia les resulta mas difícil pasar.  Por lo que las corrientes armónicas disminuyen cuando un reactor se aplica en la línea. El reactor de línea limita las corrientes armónicas, a expensas de una distorsión en el voltaje.  El voltaje de salida en el reactor de línea mostrará distorsión en su forma de onda y limitará frecuentemente el voltaje pico.  Las figuras muestran el voltaje y corriente dentro y fuera de un reactor de línea.

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Entrada a un reactor en línea                Salida de un reactor en línea

2.18    Conexiones De Transformadores Para Evitar Los Armónicos



Algunos tipos de conexión de transformadores, descritos a continuación. En los transformadores triángulo-estrella  las corrientes “triple n” se suman en el conductor neutro. En el primario, los “triplen” de las cargas desequilibradas salen por los conductores y los de las cargas equilibradas quedan atrapados en los bobinados del triángulo. Aunque esto podría utilizarse para eliminar los “triplen” equilibrados, solo es válido en determinadas aplicaciones por los problemas que genera la recirculación por el triángulo de dichas corrientes

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Los transformadores con secundario en zig-zag están formados por seis devanados iguales, dos por fase. Esta disposición desvía los “triplen” del neutro a los conductores de fase. Ver figura nº 7.

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En los últimos años se construyen transformadores de múltiples salidas.
El transformador de doble salida se construye con dos devanados secundarios desfasados entre sí 30º grados. El primario conectado en triángulo, como ya sabemos, bloquea los “triplen” de cargas equilibradas. Los secundarios compensan sobre todo los armónicos de orden 5, 7, 11, 19.

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La otra posible configuración son los de cuádruple salida en la que los devanados están desfasados entre sí 15º grados. El primario como siempre bloque los “triple n” y el secundario los de orden 5, 7, 11, 13, 17, 19, 29 y 31.

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Para que sea máxima la atenuación de estos armónicos, las cargas no lineales conectadas en cada salida deben ser idénticas. Por ello en estas aplicaciones se suele monitorizar las salidas de los distintos circuitos. No es recomendable, por ejemplo, un transformador de doble estrella cargado con tres armarios de salida porque las medidas no reflejan si los secundarios están equilibrados. La tabla hace una comparación entre la distorsión introducida por una disposición típica de ordenadores en dos cuadros, cuatro líneas y la que aparece en el primario cuando se utilizan transformadores de múltiples salidas. Algunos armónicos se han  distinguido por ser especialmente dañinos en los sistemas de distribución. Los 3eros armónicos y múltiples de este (p. ej., 9th, 15th, 21o) reciben atención especial porque ellos son los “triplens”  (6n-3). Los “triplens”, en frecuencia - dominio armónico - análisis  de secuencia, retornan a través del neutro. Como se constata donde la corriente de carga retorna a través del neutro con valores superiores a los de fase. Los armónicos de secuencia negativa (p. ej., 5th, 11th, 17th) tienen gran impacto sobre transformadores y motores porque su rotación se opone a la rotación de la fundamental (60Hz componente).
Las combinaciones de armónicos también tienen impacto. Por ejemplo, los armónicos de voltaje a los 5th y 7th combinados, dentro de motores producen un evento que está en el orden del 6to armónico. El armónico originado ocasiona  una amplia gama de problemas que llevan a elevar la temperatura de motores, vibración y desgaste. El bajo factor de potencia para cargas no lineales ocurre debido a que la corta duración de la corriente eleva los VA sin el correspondiente incremento en los Wats. Como el factor de potencia es igual a los vatios divididos por los voltio-amperios, cualquier aumento en VA sin un aumento correspondiente en los vatios conducirá a un factor de potencia menor.

2.19    Recomendaciones Para Disminuir El Efecto De Los Armónicos


Usualmente la solución al problema de armónicos es eliminar los síntomas y no el origen, los aparatos que crean los armónicos generalmente constituyen una pequeña parte de la carga, eliminar su uso no es posible, modificar esos equipos para que no causen armónicos tampoco es factible. Lo que nos queda es reducir los síntomas ya sea incrementando la tolerancia del equipo y del sistema a los armónicos o modificar los circuitos y los sistemas para reducir su impacto, atrapar, o bloquear  los armónicos con filtros. Por supuesto hay excepciones. En casos de sobrecarga, daño de equipo o diseño inapropiado, estas causas que generan armónicos pueden ser corregidas, similarmente un aparato o equipo particular que produce un alto nivel de armónicos debe ser modificado o reemplazado.
Un aspecto que con frecuencia es mal evaluado, es que los armónicos han sido un problema reciente debido al efecto de adición y multiplicación de los mismos, la presencia de estos efectos es lo que causa problemas, individualmente ninguno es problemático por sí mismo. Por ejemplo, la distorsión armónica causada por un motor de inducción, que se usa para hacer circular  aire para uso agrícola, puede haber sido tolerado por muchos años, pero inesperadamente causa problemas de flicker porque el conductor neutro se abrió. Es común en el caso de severos problemas de armónicas, que se liguen dos o más factores que contribuyan a agravar el problema, particularmente cuando se adiciona equipo nuevo o que existen cambios de equipo, siendo la sospecha del problema los nuevos equipos. Cuando se presentan causas simultáneas que generan altos niveles de armónicas, usualmente sólo una es la mayor causa del problema, contribuyendo las otras causas a crear resonancia o a ayudar en su propagación. El primer paso que se recomienda en cualquier investigación sobre el problema de armónicas es inspeccionar el equipo y el circuito eléctrico. Estos problemas son  causados o empeorados por cargas desbalanceadas, mala conexión a tierra, problemas con el conductor neutro, por problemas con equipo o por uso inapropiado. Esto puede ser identificado con una inspección cuidadosa con equipo apropiado.

Conclusión



Al concluir este seminario nos damos cuenta de que en un sistema eléctrico la influencia de los armónicos es un problema de gran atención puesto que los efecto y los daños que estos causan son sumamente influyente en la vida útil de los equipos conectado al sistema y además de esto para el mismo sistema tener una buena funcionabilidad es imprescindible el estudio continuo de los mismos y el comportamiento de estos en cualquier sistema eléctrico.

Hemos visto los tipos de armónicos  y dentro de estos cuales de ellos son mas perjudicial al sistema y a los equipos. También  hemos visto como estos influyen en los diferentes tipos de secuencias por la que el sistema se debe regir (+ - 0). Dentro de todo esto hemos incorporado algunas figuras de los armónicos que muestran como influyen  en la curva de tensión y en los demás componentes del sistema eléctrico, mostrando la variación de las ondas fundamentales que el sistema produces y la variación de esta por el efecto de los armónicos.

Autor:

Amin De La Rosa





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