ARMÓNICOS EN LÍNEAS DE BAJA TENSIÓN
INTRODUCCIÓN
El fenómeno de los armónicos es un problema creciente,
tanto para los suministradores de electricidad como para los usuarios.
Este fenómeno relativamente nuevo, debido al cada vez mayor uso
de equipos electrónicos en todos los ambientes, concierne a todas las redes
eléctricas de los sectores, terciario, industrial y doméstico. Ningún entorno
moderno puede escapar a esta distorsión debida a equipos tales como microordenadores, servidores, tubos fluorescentes,
climatizadores, variadores de velocidad, lámparas de descarga, rectificadores,
sistemas de alimentación ininterrumpida, hornos microondas, televisores,
iluminación halógena Todas estas cargas se denominan “no lineales” o
deformantes”. En este trabajo se explican que son los
armónicos, sus causas, efectos, formas de medirlos y las posibles soluciones a
ser tomadas para contrarrestar dichos efectos.
CAPITULO I DEFINICIÓNES DEFINICIÓN DESDE EL PUNTO DE VISTA
ELÉCTRICO Una función periódica no senoidal puede ser descompuesta en la suma
de una función senoidal de la frecuencia fundamental y de otras funciones
senoidales, cuyas frecuencias son múltiplos enteros de la frecuencia
fundamental. Estas funciones adicionales son conocidas como componentes armónicas o simplemente como Armónicos. En
sistemas eléctricos la palabra Armónicos se utiliza para designar corrientes
o tensiones de frecuencias múltiplos de la frecuencia fundamental de la
alimentación. Si la frecuencia de la señaleléctrica es inferior a la
fundamental, recibe el nombre de subarmónico, ésta podría ocasionar parpadeos
luminosos, perceptibles visualmente, denominados Flicker 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
Teoría de 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 =
50Hz), según la relación:
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)
Figura 1: Efecto de la suma de 2 frecuencias múltiples En la tensión de
alimentación la frecuencia fundamental es de 50Hz, el segundo armónico tiene
una frecuencia de 100Hz, el tercer armónico una frecuencia de 150Hz y así
sucesivamente. La distorsión debida a la presencia de armónicos es un problema constante y no debe confundirse con fenómenos de
corta duración como
picos, reducciones o fluctuaciones. Es necesario notar que en
(1) los límites de la suma (sigma) son desde 1 hasta infinito. Lo que
sucede en la práctica es que no existe un número
ilimitado de componentes armónicas, sino que a partir de cierta componente
(orden) su valor es despreciable. La norma EN 50160 recomienda no tener en
cuenta los índices de la expresión (1)superiores al
orden 40s. Un índice fundamental para anotar la presencia de armónicos es el
THD definido como
Tal índice tiene en cuenta la presencia de todos los armónicos y es mucho más
elevado cuanto más deformada sea la forma de onda.
Los armónicos se comportan como fuentes de intensidad
dispuestas en paralelo y a diferentes frecuencias donde la suma de todas las
intensidades es la corriente que alimenta a la carga (múltiplos enteros de una
frecuencia fundamental). La frecuencia fundamental es la única que produce
potencia activa.
Obtenemos una corriente distorsionada con armónicos y podemos observar que el
circuito absorbe corriente en los picos de tensión, provocando unos impulsos de
intensidad, variables según la carga. CAUSAS
Origen y efectos de los armónicos El origen del problema de armónicos son los receptores que consumen
corrientes
distorsionadas (no senoidales). A pesar de que la tensión en origen suele ser
senoidal, las caídas de tensión provocadas por dichas corrientes no senoidales
hacen que en los puntos de consumo (PCC, “Point of common coupling, en fig. 2)
se tenga una tensión distorsionada y por tanto los usuarios conectados a la red
distorsionada sufren los efectos de los usuarios que generan la distorsión de
corriente. Cualquier aparato que altere la forma de la onda senoidal o que sólo
use una parte de la onda causa distorsiones de la forma de onda y en consecuencia
armónicos. Todas las señales quedarán afectadas. La
situación más común es la distorsión armónica debida a cargas no lineales como
equiposelectrodomésticos, ordenadores personales, controladores de velocidad de
motores. La distorsión armónica produce corrientes de valores
significativos a las frecuencias de orden impar de la frecuencia fundamental
Las distorsiones armónicas afectan considerablemente al conductor de neutro de
las instalaciones eléctricas. En la mayoría de países la red de alimentación es
trifásica con 50/60Hz con conexión triángulo en el primario y conexión estrella
en el secundario del
transformador. El secundario generalmente entrega 230V AC
entre fase y neutro y 400V AC entre fases. El
balanceado de las cargas para cada fase es el problema de los diseñadores de
sistemas eléctricos. El incremento en el uso de
las cargas no lineales principalmente, la incorporación de sistemas de
transmisión de CD y la proliferación de diversas fuentes de generación de
armónicos está causando un incremento de problemas armónicos en los sistemas de
potencia Fuentes de Armónicas Existe un gran número de dispositivos que
distorsionan el estado ideal de las redes eléctricas. Algunos de ellos han existido desde la formación de los sistemas de potencia,
y otros son producto de la aplicación de dispositivos de electrónica de
potencia utilizados para el control moderno de las redes eléctricas. Como ejemplo se puede mencionar el convertidor de línea. Este
dispositivo se utiliza tanto como
rectificador (ac-dc) como
inversor (dc-ac) y en aplicaciones de alta y baja potencia. Otra fuente
principal de armónicas, particularmente en áreas metropolitanas, es la
iluminación a base de gas (fluorescente, arco de mercurio,sodio
de alta presión, etc) [9]. Las fuentes de armónicas
las podemos clasificar en: * Fuentes tradicionales * Nuevas fuentes de
armónicas * Futuras fuentes armónicas Fuentes Tradicionales Antes del
desarrollo de los convertidores estáticos, la distribución armónica se asociaba
con el diseño y la operación de máquinas eléctricas y transformadores. De hecho la principal fuente de armónicas en esos días. De hecho la principal fuente de armónicas en esos días era la
corriente de magnetización de los transformadores de potencia. Los transformadores y máquinas rotatorias modernas bajo operación
en estado estable no ocasionan por sí mismas distorsión significativa en la
red. Sin embargo, durante disturbios
transitorios y cuando operan en rangos fuera de su estado normal, entonces
pueden incrementar su contenido en forma considerable. Otras dos cargas
lineales que conviene considerar debido a su contribución armónica son los
hornos de arco y la luz fluorescente. *
Transformadores En un núcleo ideal sin pérdidas por
histérisis, el flujo magnético y la corriente de magnetización necesaria para
producirlo están relacionadas entre sí mediante la curva de magnetización del acero utilizado en
las laminaciones. Aún en estas condiciones, si graficamos la
corriente de magnetización vs. el tiempo para cada valor de flujo, la forma de
onda dista mucho de ser senoidal. Cuando se incluye el
efecto de histéresis, esta corriente magnetizante no senoidal no es simétrica
con respecto a su valor máximo. La distorsión que se observa se debe a
las armónicas triples (3a., 9a., 12a.,etc.), pero
principalmente a la 3a. Por lo que para mantener una alimentación de voltaje
necesario proporcionar una trayectoria para estas armónicas triples, lo que
generalmente se logra con el uso de devanados
conectados en delta. Las armónicas debidas a la corriente de magnetización se
elevan a sus niveles máximos en las horas de la madrugada, cuando el sistema
tiene muy poca carga y el nivel de tensión es alto. Al desenergizar un transformador, es posible que tenga flujo magnético
residual en el núcleo. Cuando se re-energiza la unidad, la
densidad de flujo puede alcanzar niveles de pico de hasta tres veces el flujo
de operación normal. Esto puede llevar al núcleo del transformador a
niveles extremos de saturación y producir amperes-vuelta excesivos en el núcleo.
Este efecto da lugar a corrientes de magnetización de 5 a 10 p.u. de la
corriente nominal (comparada con la corriente de magnetización nominal de
apenas el 1% ó 2% de la corriente nominal). El decremento de esta corriente con
el tiempo es función
principalmente de la resistencia
del devanado
primario. Para transformadores muy grandes, esta corriente puede permanecer por
muchos segundos, debido a su baja resistencia. * Máquinas rotatorias
Si tomamos el devanado trifásico de una máquina rotatoria suponiendo un
entrehierro constante y la ausencia de saturación del acero, en un análisis de
Fourier de la distribución de la fuerzas magnetomotrices (f.m.m.'s) se observa
que la f.m.m. fundamental es una onda viajera moviéndose en la dirección
positiva, las armónicas triples están ausentes; y la quintaarmónica es una onda
viajera en la dirección negativa, la 7a. armónica
viaja en la dirección positiva, etc. Como
resultado del
contenido armónico de la distribución de la f.m.m. se producen armónicas en el
tiempo que son dependientes de la velocidad. Estas armónicas
inducen una f.e.m. (fuerza electromotriz) en el estator a una frecuencia igual
al cociente de la velocidad entre la longitud de onda. * Hornos de Arco
El sistema de potencia contiene una gran cantidad de aparatos que funcionan por
medio de la descarga de arco. Algunos ejemplos de ellos son: los hornos de
arco, las soldadoras de arco y las lámparas fluorescentes. De todos los
aparatos que producen arco eléctrico en un sistema de
potencia, son los hornos de arco eléctrico los que pueden causar los problemas
más severos, porque representan una fuente armónica de gran capacidad
concentrada en un lugar específico. Un horno de arco
eléctrico es mostrado en la figura, estos equipos según sus características de
diseño pueden fundir acero, minerales y en general material de desecho metálico
y el método de fundición consiste en la producción de un arco de gran energía
que permite fundir el acero. Una combinación del retraso en la ignición del
arco con las características altamente no lineales de la curva voltaje del arco vs. corriente,
introduce armónicas de la frecuencia fundamental. Adicionalmente, los cambios
de voltaje ocasionados por alteraciones en la longitud del arco producen una
gama de frecuencias, predominantemente de 0.1 a 30 khz, este efecto se hace más
evidente en la fase de la fundición, en lainteracción de las fuerzas
electromagnéticas entre los arcos. Los niveles de corrientes armónicas
varían en forma marcada con el tiempo y se presentan comúnmente en formas de
gráficas probabilísticas. Un punto importante es que la armónica “n como
por ejemplo la 5a., no solamente varían con el tiempo, sino con respecto a la
componente fundamental. Por tal motivo los hornos de
arco eléctrico son cargas que no se encuentran en estado estable, por lo
general estos hornos inyectan armónicas del
orden mostradas en la tabla 3.1. Luz Fluorescente Los tubos de la luz fluorescente son altamente no-lineales y dan lugar a corrientes armónicas
impares de magnitud importante. En una carga trifásica de 4 hilos, las
armónicas triples básicamente se suman en el neutro, siendo al 3a. la más dominante, en la figura se muestra el espectro típico
de una lámpara fluorescente con balastro magnético.
Los circuitos de iluminación involucran frecuentemente
grandes distantes y tienen muy poca diversidad de carga. Con capacitares
individuales para corrección de factor de potencia, el circuito complejo LC se
puede aproximar a una condición de resonancia en la 3a. armónica.
Una solución para eliminar esto es aumentar la reactancia del neutro y aislar
el punto de la estrella en el capacitor (banco flotante) o conectarlo en delta.
Los bancos de capacitores se deben situar adyacentes a las otras cargas y no
instalarlos como
compensación individual de las lámparas. Cargadores de baterías Las armónicas
individuales que generan el circuito en un cargador de
baterías dependen delvoltaje inicial en la misma y el contenido armónico global
varía de acuerdo al tiempo e involucra probabilidad aleatoria. Así como en televisores, radios,
estéreos y otros artículos que emplean corriente directa, los cargadores de
baterías producen corrientes
de secuencia cero de armónicas triples, las cuales sobrecargan al circuito
neutro. Para empeorar las cosas, la luz fluorescente también produce armónicas triples con la
misma relación de fase. Más aún, el ángulo de fase de la tercera armónica no
varía lo suficiente como
para sumar cancelación de armónicas al operar varios cargadores de baterías, de
tal manera que las terceras armónicas se suman casi algebraicamente.
Fuentes de poder en modo de conmutación. La mayoría de
los equipos electrónicos tales como computadores personales,
máquinas copiadoras y fax, cuentan con una fuente regulada por comnutación
(switch-mode power supply). Estas fuentes demandan
corriente en un pulso corto de cada medio ciclo. Cuando el
voltaje se encuentra cerca de su valor máximo. La corriente demandada
por estas fuentes tienen una alta distorsión armónica
total y un alto contenido de tercera armónica. Lámparas
fluorescentes Las lámparas fluorescentes son otro tipo de carga que genera
armónicas, estas armónicas son generadas por el efecto de los balastros y los
dispositivos no lineales y electrónicos que utilizan para su funcionamiento.
EFECTOS DE LOS ARMÓNICOS
El incremento en el uso sistemas de transmisión
armónicos está causando potencia. El efecto de distorsión • • •
de las cargas no lineales principalmente, laincorporación de de CD y la
proliferación de diversas fuentes de generación de un incremento de problemas
armónicos en los sistemas de de voltaje puede ser dividido de manera general en
3 categorías
Esfuerzos en el aislamiento debido a los efectos de voltaje. Esfuerzos
térmicos debido al flujo de corriente. Trastornos en
la carga.
Factor de Distorsión Armónica Total (THD).Determina el grado de distorsión de
una señal periódica con respecto define en términos de la amplitud de los
armónicos. THD para voltaje (2) (THDV) a la senoidal y se
THDV =
1 V1
∑V
n= 2
∞
2 n
THD para Corriente (THDI): (3)
THDI =
1 I1
∑I
n =2
∞
2 n
EFECTOS DE LAS ARMONICAS Los efectos de las armónicas se dividen en general en
tres categorías: • • • Efectos en el propio sistema de potencia Efectos en la
carga consumida Efectos en los circuitos de comunicación
EFECTOS EN LOS APARATOS DEL SISTEMA DE POTENCIA
TRANSFORMADORES Los efectos de las armónicas en los transformadores son: 1.
Incremento en las pérdidas del cobre 2. Incremento en las pérdidas del
hierro 3. Posible resonancia entre las bobinas del transformador y
la capacitancia de la línea 4. Esfuerzos de aislamiento
Las pérdidas en el cobre en la presencia de armónicas pueden calcularse por la
ecuación (5), de manera similar las pérdidas en el hierro pueden calcularse por
las ecuaciones (7), (8) ó (9). EFECTOS EN MAQUINAS ROTATORIAS
Fundamentalmente las armónicas producen los siguientes efectos en las máquinas
rotatorias de C.A.: •Incremento en el calentamiento debido a las pérdidas en
elhierro y en el cobre. •Cambios en el par electromagnético que afecta a: •La
eficiencia de la máquina. •Las oscilaciones torsionales de la máquina.
EFECTO EN MOTORES DE
INDUCCION 1. Pérdidas I2R en el estator: Al operar la máquina de inducción con
voltajes con contenido armónico no sólo aumentan estas pérdidas por el efecto
piel que incrementa el valor de la resistencia
efectiva, sino que también aumenta el valor de la corriente de magnetización , incrementándose aún más las pérdidas I2R. 2.
Pérdidas I2R en el rotor: éstas aumentan de manera más significativa que las
anteriores, por el diseño de la jaula en los motores de inducción que se basa
en el aprovechamiento del efecto piel para el arranque.
Esta resistencia
aumenta en forma proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia y por ende
las pérdidas. 1. Pérdidas de núcleo: estas pérdidas son función de la densidad
de flujo en la máquina 2.Pérdidas adicionales. 3.Torque
en el motor de inducción EFECTOS EN CABLES Y CONDUCTORES Al circular corriente
a través de un conductor se produce calentamiento como resultado de las
pérdidas por efecto Joule, I2R donde R es la resistencia a corriente directa
del cable y la corriente está dada por el producto de la densidad de corriente
por el área transversal del conductor. A medida que aumenta la frecuencia de la
corriente que transporta el cable disminuye el área efectiva por donde está
circula puesto que la densidad de corriente crece en la periferia exterior, lo
cual se refleja como un
aumento en la resistencia efectiva del conductor. MAL FUNCIONAMIENTO DEDISPOSITIVOS DE ESTADO SOLIDO La distorsión
armónica puede causar el mal funcionamiento de los dispositivos de estado
sólido si sus controles son sensibles al cruce por cero de la onda de voltaje.
Las condiciones de resonancia y distorsión típicas del problema de las
armónicas pueden originar que las formas de corriente y voltaje crucen por cero
más de una vez en el medio ciclo. Otros problemas de mal funcionamiento son: •
Inducción de errores en equipos de medición •Disparo en falso de relés e
interruptores •Operación inestable de circuitos de disparo que utilizan el
cruce por cero. •Interferencia sobre controladores de motores.
EFECTO EN APARATOS DE MEDICION Los medidores e instrumentos son afectados por
la presencia de voltajes y corrientes armónicas. Aparatos de disco
de inducción, tales como
wattorímetros y relevadores de sobrecorriente son diseñados y calibrados
solamente para la corriente y el voltaje fundamental. La presencia de corrientes
y voltajes armónicas generan un par electromagnético adicional en el disco
causando operaciones erróneas. La distorsión debe ser severa (mayor del
20%) para que se detectan errores importantes.
Aumento de tamaño y de pérdidas en los transformadores
En los transformadores, reactancias, etc., las pérdidas en el hierro en caso de
existir armónicos crecen muy significativamente, esto hace que deban
sobredimensionarse los kVA nominales de forma notable. El factor que se suele
emplear para ello es el llamado factor K de los transformadores que se define
como: donde e es un
factor que representa la relaciónentre perdidas en el cobre y pérdidas en el
hierro del
transformador. Este factor puede obtenerse de los datos de ensayo del transformador, o en su defecto puede tomarse como valor aproximado e=0 y el exponente q suele tomarse de 1,7 a 1,8. En cuanto a las pérdidas en el hierro, también son muy
significativas ya que aumentan con la frecuencia a una potencia q entre 1 y 2.
En el mismo ejemplo anterior, con 100A de fundamental y 20A de 5s armónico por
ejemplo, las pérdidas en el hierro debidas al armónico 5s, serían Pérdidas de I
fundamental = k .1002 = k. 10.000 Pérdidas de I fundamental = k.51 202 = k.4472 (44,72% adicional de pérdidas)
Incidencia en el coste de la energía En la mayor parte de países del mundo, no
existe actualmente ningún concepto en la tarifa para penalizar el consumo de
armónicos de corriente. No obstante, dada la magnitud del problema, son
muchos los países que están en vías de estudio de algún tipo de recargo en caso
de que se sobrepasen los límites de la norma. LÍMITES ESTABLECIDOS LÍMITES DE
DISTORSIÓN La CEI (Comisión Electroténica Internacional) y el CENELEC (Comité
Europeo de Normalización Electrotécnica) han
establecido normas que limitan perturbaciones de baja frecuencia en redes
industriales y domésticas, como
las normas IEC 61000 y EN 61000. Los parámetros manejados por la normativa para
establecer los límites de la perturbación por armónicos son: Orden de un armónico (n): Relación entre la frecuencia del armónico (fn) y la
frecuencia fundamental (f1). n = fn/f1 Tasa de distorsión individual (%U ó %I):
Relaciónentre el valor eficaz de la tensión o corriente armónica (Un ó In) y el valor eficaz de la correspondiente componente
fundamental. %Un = 100 Un/U1 %In = 100 In/I1
Distorsión Armónica Total (THD%U ó THD%I): Relación entre el valor eficaz de
las componente armónicas de tensión o intensidad y el correspondiente valor
fundamental. En EEUU ya está vigente la normativa IEEE 519
que limita la cantidad de corriente armónica inyectada a la red general, y
responsabiliza al cliente por la misma. En España, el límite aceptado
por UNIPEDE (Unión de productores y distribuidores de energía eléctrica) es de THD(U) = 5% para redes industriales en baja tensión,
mientras que en alta tensión el nivel máximo recomendado por los organismos
internacionales es de THD(U) = 3%.
Normativa vigentes en la UE a fin de atenuar rápidamente la penetración de la
distorsión armónica, existe hoy día un triple dispositivo normativo con : a——
normas para el aparellaje eléctrico - CEI 1000-3-2 o EN 61000-3-2 para los
aparatos de baja tensión que consuman una corriente inferior a 16 A, - CEI
1000-3-4 o EN 61000-3-4 para los aparatos o instalaciones de baja tensión que
consuman una corriente superior a 16 A. a—— normas para la calidad de las redes
eléctricas - EN 50160 que define las características de la tensión suministrada
por las redes públicas en baja tensión, - IEEE 519 (Recommended Practices for
Harmonics Control in Electrical Power Systems) aproximación conjunta entre la
compañía eléctrica y el cliente para limitar el impacto de las cargas no
lineales. Esta recomendación es uncompromiso entre ambas
partes para la limitación de los armónicos. a—— normas de compatibilidad
entre redes eléctricas y productos - CEI 1000-2-2 y recomendaciones CIGRE
(Conferencia Internacional de Grandes Redes Eléctricas) para las redes públicas
en baja tensión, - CEI 1000-2-4 para las instalaciones industriales en baja y
media tensión. Por otro lado, las compañías eléctricas fomentan las acciones de
prevención afín de reducir la degradación en la calidad de la electricidad, los
calentamientos y las alteraciones del factor de potencia.
MEDICIÓN
4.-Medición de armónicos:
Para medir armónicos utilizaremos multímetros de valor eficaz de pico de 1 ms
con un factor de cresta igual a 3, y que indiquen la frecuencia de la
corriente: ya que los multímetros normales sólo miden valores eficaces en
señales sinusoidales (valor 111), en señales cuadradas realizan la lectura a un
10% por encima del valor real, y en señales distorsionadas hasta 40% por
debajo, ya que este tipo de multímetro tiene la siguiente característica: TRUE
RMS : F.C. = V pico/ V efic. = 1,414 = √2
Donde F.C.: valor de cresta EQUIPOS DE MEDIDA Cuando se habla de valores de
corriente alterna deben referirse al valor RMS (valor cuadrático medio) o
calentamiento efectivo. Esta magnitud es equivalente al valor de una corriente
continua con el mismo calentamiento que el producido por la corriente alterna
que está siendo medida. La manera más habitual de medir este
valor RMS con un multímetro es rectificar la corriente alterna, determinar el
valor medio de la señal rectificada y multiplicar estevalor por 1.1. Este factor es la constante que relaciona el valor medio y el valor
RMS de una señal senoidal perfecta. Sin embargo, si la
forma de la señal está distorsionada esta relación es falsa. Esta es la razón por la cual los medidores que están basados en el
valor medio dan lecturas incorrectas en presencia de armónicos. Fluke
ofrece una amplia gama de medidores de verdadero valor
eficaz. Además existe en el mercado una amplia variedad de equipos de medición
tales como
POWERLOGIC, SINEWAVE, etc. SOLUCIONES
1.Las soluciones a este 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).
2. FILTROS PASIVOS PARA
COMPONENTES ARMÓNICAS. El uso de filtros para
componentes armónicas en sistemas potenciatiene dos objetivos: Servir de
sumidero para las corrientes
y tensiones armónicas; y proveer al sistema toda o parte de la potencia
reactiva que éste necesita. Los filtros pasivos pueden ser, según el propósito
particular que se persigue, de dos tipos: • Filtros Series. •
Filtros Shunt o paralelo.
Los Filtros Series evitan el paso de una componente de frecuencia particular,
desde el contaminante hacia alguna componente de la planta o parte del sistema
de potencia, mediante la presencia de una gran impedancia serie a la frecuencia
especificada. Estos constan de un inductor y un
capacitor en paralelo que se posicionan en serie a la parte de la red que se
desea proteger.
de muy baja impedancia para las frecuencias armónicas,
y consisten en una rama resonante serie, compuesta por elementos RLC en conexión
paralela con el sistema de alimentación, entre otros. El filtro paralelo
presenta mayores ventajas que el filtro serie porque: Es más económico, sólo
transporta las corrientes
armónicas para las que fue sintonizado, proporciona una parte de la potencia
reactiva al sistema. 2.1. Filtros Shunt o Paralelos Pasivos: Existe una gran
variedad de configuraciones de filtros, pero las más utilizadas son los
“Filtros Sintonizados Simples” y los “Pasa Altos”. 2.1.1. Filtro Sintonizado
Simple. Elimina una armónica determinada; consiste en un
banco de condensadores conectado en serie con un inductor.
donde, h es el armónico al cual se quiere sintonizar,
ω es la frecuencia angular y f es la frecuencia fundamental.
donde, XC es la reactancia capacitiva, Qc esel valor
de la potencia reactiva que el filtro va a suministrar en cada rama, V es la
tensión nominal.
donde, Q es el factor de calidad del
filtro, R es la resistencia interna del inductor, ver
referencias [1] a [9].
Este filtro se sintoniza a la frecuencia armónica h que se desea eliminar; o
sea que, para esta frecuencia, las reactancias inductiva y capacitiva son
iguales y por lo tanto se anulan, entonces la impedancia que presentará el
filtro para esta frecuencia es mínima (valor igual a la resistencia), y
absorberá gran parte de la corriente armónica contaminante. El factor de
calidad del
filtro, determina la forma de la característica de impedancia, y hace que ésta
sea más o menos estrecha o abrupta. La impedancia de la configuración del filtro sintonizado
simple mostrada es
2.1.2. Filtros Pasa Altos. Son utilizados para
eliminar un amplio rango de frecuencias, y se emplean
cuando las armónicas no tienen frecuencia fija. Los
parámetros se calculan con las ecuaciones (1) ~ (6), ver referencias [1], [9].
La impedancia de este filtro viene dada por:
Este filtro, al igual que el sintonizado simple, se sintoniza a alguna
frecuencia específica; pero debido a que posee una característica amortiguada
producto de la resistencia en paralelo con la inductancia, presenta una baja
impedancia para la frecuencia de sintonía y superiores a ésta. O sea que,
absorbe corrientes
armónicas -si existende frecuencias desde la de sintonía en adelante. Para frecuencias menores a la sintonía, el filtro
presenta impedancias altas. El
factor de calidad deeste filtro es bajo (0.5-5), y al igual que el sintonizado
simple, controla la característica de la impedancia.
Ventajas
• Atenúa un amplio espectro de frecuencias armónicas de acuerdo a la elección del valor de la resistencia,
sin la necesidad de subdivisión en ramas paralelas. • Es muy robusto frente a
problemas de pérdida de sintonía comparado con el filtro sintonizado simple.
Desventajas
• Origina una frecuencia de resonancia paralela al interactuar con la red. •
Las pérdidas en la resistencia
y en el inductor son generalmente altas. • Para
alcanzar un nivel similar de filtrado (de una armónica
específica), que el sintonizado simple, el filtro pasa altos necesita ser
diseñado para una mayor potencia reactiva. 2.2. SELECCIÓN DE FILTROS PASIVOS La
utilización de un filtro como
solución al problema de armónicos requiere de un análisis detallado de la
respuesta en frecuencia del
sistema. Entre los criterios de selección del filtro se
tienen los siguientes: 2.2.1. El número de armónicos del sistema a
atenuar. Dependiendo del número de armónicos existentes en el
sistema, se puede determinar la cantidad de filtros (filtro sintonizado o dual)
que se podrían ubicar para obtener una atenuación de las componentes armónicas.
Esta minimización debe estar acorde con los límites establecidos por las normas. 2.2.2. Los requerimientos del filtro. Se hace
referencia a la acción correctiva que se desee del filtro
(compensación de reactivos, reducción de la distorsión armónica, regulación de
tensión o todos). Cada requerimiento del
filtro implica un diseño específico,tal que el
objetivo para el cual se quiere se cumpla. 2.2.3. La energía de cada armónico.
La magnitud de cada armónico está directamente relacionada con las pérdidas que
estas componentes armónicas ocasionan en el sistema de potencia. 2.3. UBICACIÓN
DE FILTROS PASIVOS. Existen dos opciones para ubicar un
filtro pasivo para armónicos (ver Figura 4): • El alimentador de media tensión
con el fin de disminuir las pérdidas del
sistema. • Cerca de la carga no lineal (baja tensión), para evitar la inyección
de componentes armónicas de corriente al sistema por parte de la carga.
Los criterios de ubicación del filtro son: 2.3.1. La
existencia de cargas altamente contaminantes. Se debe ubicar el filtro en el
lado de baja tensión; de esta forma el transformador de potencia sirve de
amortiguador (aislante de armónicos) tanto de las corrientes armónicas provenientes de otras
cargas como de las corrientes armónicas generada por la carga, lográndose
aislar el problema. 2.3.2. La existencia de cargas armónicas distribuidas. Los
filtros deben ser ubicados en media tensión y en
lugares estratégicos (óptimos) para evitar la excesiva
circulación de corrientes
armónicas por el sistema. 2.4. PROBLEMAS DE LOS FILTROS Uno de los mayores
problemas de los filtros es que se produzca la desintonía de éstos. Los cuatro
eventos más comunes que pueden dar como
resultado una desintonización del
filtro son: • Deterioro de los condensadores, lo cual disminuye la capacitancia
total y con esto aumenta la frecuencia a la cual el filtro fue sintonizado. •
Tolerancia de fabricacióntanto en el reactor como en los
condensadores. • Variación de temperatura. • Variación en el sistema.
Típicamente, los filtros se sintonizan aproximadamente entre un 3% y un 10% por
debajo de la frecuencia deseada, ver referencias[1], [2], [7] y [9]. Esto para
tener la opción de una buena operación del filtro en un rango mayor de
tiempo de vida útil. De los cuatro eventos mencionados anteriormente los tres primeros
tienen que ver con variaciones propias de los elementos constitutivos de los
filtros, mientras que el último depende de las variaciones del equivalente del sistema. FILTROS DE ARMONICOS La
presencia de armónicos puede plantear problemas tanto para los condensadores
instalados como
para el resto de aparatos conectados a la red. Por un lado las condiciones de
trabajo de los condensadores pueden llegar a ser extremadamente duras o
inadmisibles y por otro aparecen perturbaciones y distorsiones en el
funcionamiento de equipos electrónicos e informáticos, redes de
telecomunicaciones, transformadores, elementos de maniobra, ect. La solución de
la compensación de energía reactiva en redes con armónicos se realiza
protegiendo los condensadores mediante filtros de protección o reduciendo el
nivel de armónicos mediante filtros de eliminación. Por ultimo, también se
puede pretender reducir el nivel de armónicos de una instalación sin considerar
la corrección del
factor de potencia.
Generalmente, los armónicos provienen de los convertidores
estáticos presentes en la propia industria, aunque también pueden ser
inyectados a través de la red desde elexterior. En servicio, los
convertidores estáticos consumen energía reactiva, que debe ser compensada
mediante condensadores, y además generan corrientes armónicas. Sobre intensidades en los condensadores. Resonancia La
impedancia en los condensadores disminuye al aumentar la frecuencia presentando
un camino de baja impedancia para las corrientes armónicas. Estas corrientes
superpuestas a la corriente fundamental, pueden provocar sobreintensidades
perjudiciales para los condensadores. La instalación de los condensadores para
la corrección del
factor de potencia hace que se forme un circuito paralelo entre estos, las
impedancias de cortocircuito del
transformador de alimentación-red, las cargas conectadas y el convertidor
estático. El convertidor estático impone la frecuencia y el valor de cada
corriente armónica y esta se reparte entre ambas ramas del circuito según
sea la impedancia que presenten para ese armónico. Se ha de destacar que la corriente
que circula por cualquiera de ellas puede ser superior
a la corriente del convertidor según lo
cercana que este la frecuencia de armónico del
punto de resonancia del
circuito paralelo. Este hecho se presenta para cada una de las corrientes armónicas
que genera el convertidor lo que en conjunto puede suponer una sobre intensidad
perjudicial para el condensador. En el peor de los casos, cuando la frecuencia
de alguna de las corrientes
armónicas del convertidor estático coincide o
es muy próxima a la de resonancia del
circuito paralelo, la corriente que circula por ambas ramas alcanza valores
inadmisibles quepueden dañar seriamente la instalación. La corriente que para
cada armónico absorbe el condensador puede ser calculada mediante las
siguientes expresiones: In Xc n² * X1 Siendo : Icn =
Corriente armónica de orden «n» atraviesa el condensador. In = Corriente
armónica de orden «n» generada por la carga. Xc =
Reactancia capacitiva del
condensador a la frecuencia fundamental. X1 = Reactancia de cortocircuito de la
red a la frecuencia fundamental. Qc = Potencia
reactiva del
condensador. Sk = Potencia de corto circuito de la
red. Esta expresión muestra que las corrientes armónicas que circulan
por el condensador pueden en determinadas circunstancias ser muy elevadas. La
peor situación se da cuando el condensador y la inductancia de la red forman un circuito resonante. Esto ocurrirá cuando Sk n² * Qc In
Icn =----- ----- ---------------- = -------- ----- ------ 1
----- ----- --------- ----- ---- 1 -------- ----- ------
n =
También a de tenerse en cuenta que la tensión aplicada al condensador se vera
incrementada por la circulación de las corrientes armónicas y su valor de
cresta viene dado por la siguiente expresión según normas CEI:
U =
C = Capacidad del condensador f = Frecuencia fundamental ( 50 Hz )
SOLUCIONES
Condensadores con aislamiento reforzado tipo FMR Estos condensadores se emplean
cuando el nivel de armónicos presente, aun siendo reducido, es suficiente para
provocar sobretensiones y sobreintensidades en los condensadores que superen lo
indicado en las normas. Estos condensadores están fabricados con
dieléctricoreforzado especialmente seleccionado para trabajar en condiciones
adversas presentan gran resistencia a las sobrecargas
permanentes. Sus principales características son: U trabajo max = 2 UN I
trabajo max = 2,2 IN
Filtros de protección de condensador Los filtros de protección de condensadores
se emplean cuando el objetivo final es la compensación de energía reactiva, a
la frecuencia fundamental, en redes con un alto contenido en armónicos. Su
misión consiste en evitar que las corrientes armónicas sobrecarguen
el condensador desviándolas hacia la red. Los filtros de protección de
condensadores se realizan conectando una reactancia en serie con los
condensadores de forma que la frecuencia de resonancia del
conjunto se situé en un valor entre la fundamental y la del armónico inferior que es generalmente el
de 5.s orden. De esta manera el
conjunto presenta una elevada impedancia inductiva para todos los armónicos.
La conexión provoca que el condensador trabaje a una tensión superior a la de
la red. Por este motivo los condensadores que se
instalen con reactancias de protección deberán ser diseñados para soportar las
sobre tensiones que estas provocan. A una instalación de condensadores diseñada
para trabajar a tensión de red no se le puede instalar reactancias de
protección standard, ya que se haría trabajar a los condensadores a una tensión
superior a la del
diseño. La elección del
punto de resonancia del
conjunto LC es un compromiso entre la cantidad de armónicos rechazados por el
filtro y el incremento de tensión que la frecuencia fundamental seproduce en el
condensador. Las corrientes
armónicas también provocan sobre tensiones que afectan a la tensión total
aplicada al condensador. Además se ha de tener en cuenta que la potencia
reactiva que a 50Hz absorbe el conjunto es diferente a la que absorbería sin la
reactancia. Atendiendo a todo esto la reactancia de filtro se elige de manera
que su impedancia a 50Hz sea del orden de 6 o 7 % de la impedancia del
condensador que protege.
Ejemplo
La necesidad del
empleo de los filtros de protección de condensadores puede verse en el
siguiente caso.
Supongamos que la corriente eficaz que consume el convertidor de la figura son
550 A con la siguiente distribución de armónicos:
I5 = 20 % I = 110 A I7 = 14 % I = 77 A I11 = 9 % I = 50 A I13 = 8 % I = 44 A
Para una batería instalada de 250 Kvar 400 V 361 A, las corrientes que debidas
a cada armónico, atravesaran el condensador se pueden calcular a partir de las
formulas anteriores: IC5 = 79 A IC7 = 343 A IC11 = 99 A IC13 = 68 A Entonces el
valor eficaz de la corriente que absorberá la batería será:
Ic =
= 518 A
muy superior a los 361 A que señala la placa de características, lo que hace
imposible su utilización sin filtro de protección de condensadores.
Reactancias tipo INR para filtros de protección Diseñadas para esta clase de
trabajo, se dispone de una gama normalizada para proteger condensadores desde
10 hasta 100 Kvar, 230 V y 400 V. Baterías automáticas con filtros de
protección de condensadores Diseñada para esta clase de trabajo , se dispone de
una gama normalizada para protegercondensadores desde 10 hasta 100 Kvar, 230 V
y 400 V. Baterías automáticas con filtros de protección de condensadores UNDER
FIRE ELECTRIC dispone de una gama normalizada de baterías automáticas para la
mejora del factor de potencia diseñadas para trabajar en redes eléctricas con
presencia de armónicos de manera que permitan una operación fiable y segura de
los condensadores. Las baterías automáticas de condensadores equipadas con
filtros de protección contra armónico se componen de
•
Condensadores FILMETAL de aislamiento reforzado y tensión superior a la red.
•
Reactancias de filtro trifásicas con núcleo de chapa magnética de alta calidad.
•
Protección contra sobrecarga mediante control de la temperatura de la
reactancia.
•
Regulador de energía reactiva de la serie MCR con filtro de armónicos en las
entradas de señal de tensión e intensidad.
•
Fusible de alta capacidad de ruptura tipo NH.
Filtros de eliminación de armónicos Estos filtros se emplean
cuando el objetivo perseguido no es la compensación de la reactiva a la
frecuencia fundamental sino la reducción de los armónicos presentes en la red.
La total eliminación no es posible, puesto que los filtros siempre presentan
una pequeña impedancia. Los filtros de eliminación de armónicos están
constituidos por filtros serie de reactancia condensador para la frecuencias
inferiores a 500 Hz o filtros de banda ancha para frecuencias superiores a 500
Hz, sintonizados a la frecuencia del armónico que se desea
eliminar. En la practica, los filtros se sintonizan a una frecuencialigeramente
inferior a la del
armónico correspondiente. Los rectificadores son los generadores de armónicos mas comunes que se encuentran en la industria.
Como un primer valor de
calculo se puede considerar que los rectificadores presentan una distribución
de corrientes armónicas tal como se muestra en la tabla. También se
pueden hallar mediante las siguientes fórmulas: In = n = kq ± 1 donde: n =
orden del
armónico k = 1,2,3,4. q = numero de pulsos del rectificador l1 = corriente a
la frecuencia fundamental PORCENTAJE DE CORRIENTE ARMONICA RESPECTO A LA
FUNDAMENTAL ( In/I1 ) %
Número de pulsos
Orden
6 pulsos
12 pulsos
5
20,0%
----
7
14,3
----
11
9,1
9,1%
13
7,7
7,7
17
5,9
----
19
5,3
----
23
4,3
4,3
25
4,0
4,0
una solución típica para la reducción del nivel de inyección de armónicos de un
rectificador de 6 pulsos podría consistir en dos circuitos serie sintonizados
para el 5.s y 7.s y un filtro de banda ancha para la eliminación de 11.s , 3.s
y superiores.
Hay que destacar que la impedancia de cada una de las ramas del filtro es
capacitiva por debajo de la frecuencia de resonancia, por lo que también
contribuyen siempre, aunque limitadamente, a la compensación de energía
reactiva a la frecuencia fundamental. La instalación de filtros supone un cambio en la topología del sistema eléctrico con la aparición de
puntos indeseados de resonancia paralelo. Esto puede provocar que se
amplifiquen algunos armónicos presentes en el espectro,
disminuyendoconsiderablemente la eficacia del filtro. Tanto
la selección de equipos de compensación de energía reactiva en redes
industriales con presencia de armónicos, como el diseño de filtros para la
eliminación de éstos, requieren en cada caso un estudio específico
Los filtros armónicas 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.
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 beneficioso combinación de
filtro armónico y estabilizador de voltaje puede resultar
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. prevención
activa. Una de manera para reducir problemas armónicas está con la 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. vendido en
Este es el curso de acción adoptado por países Europeos.
El equipo
Europa debe reducir armónicos y controlar el factor de potencia.
Resistencias para filtrado de armónicos Muchos de los modernos
componentes industriales que incorporan convertidores estáticos generan
armónicos en lasredes de alimentación. El fuerte incremento que en los
últimos años ha experimentado la utilización de este tipo de componentes y las
modernas técnicas de transmisión en corriente continua para largas distancias,
han obligado a las compañías distribuidoras de energía eléctrica al control y
limitación de la tasa de armónicos presentes en las redes de distribución
siguiendo las recomendaciones de diversos organismos nacionales e
internacionales: CEI, CENELEC, IEEE, CIGRE, etc., para evitar los daños que
estas alteraciones de la forma de onda producen. En las redes de filtrado de
armónicos se introducen resistencias con objeto de ampliar el espectro de
frecuencias atenuadas y que su eficacia no se vea afectada por las variaciones
de las condiciones de funcionamiento, incrementando así su eficacia. Las
características básicas a conocer para el diseño de una resistencia para
filtrado de armónicos son: · Valor óhmico. · Potencia a disipar. · Ciclo de
trabajo. · Nivel de aislamiento. · Grado de protección de la envolvente.
CONCLUSIONES A pesar de que la compañía suministradora proporcione un voltaje puramente senoidal (sin distorsión alguna), la
alimentación de sistemas que contienen cargas no lineales o inyectan corrientes no senoidales, produce una propagación de las
armónicas hacia toda la red del sistema si no
se mitigan dentro del
sistema que los genera. Estos armónicos perturban cada vez más todo tipo de actividades : fabricación de componentes, estaciones de
bombeo, sistemas informáticos, estaciones de telecomunicaciones, estudios de
televisión… ya queestas representan una parte significativa de la corriente
consumida. Las consecuencias para el usuario son de 3 tipos :
Impacto sobre las instalaciones eléctricas con calentamientos importantes
engendrados en los alternadores, transformadores, condensadores, cables Los costes debidos al envejecimiento acelerado de estos equipos
pueden ser muy elevados. Impacto sobre el funcionamiento de las
aplicaciones como
por ejemplo, el disparo intempestivo de disyuntores o la imposibilidad de
alimentar receptores muy sensibles a la calidad de la energía. Los costes económicos que siguen a tales disfunciones son a menudo
inaceptables para una empresa.
Impacto sobre la potencia eléctrica disponible ya que los armónicos consumen en
puras perdidas una parte de la corriente (sobreconsumo hasta del 30%). El usuario paga entonces más caro, una potencia disponible
reducida.
En la mayor parte de países del
mundo,no existe actualmente ningún concepto en la
tarifa para penalizar el consumo de armónicos de corriente.
No obstante, dada la magnitud del problema, son muchos los
países que están en vías de estudio de algún tipo de recargo en caso de que se
sobrepasen los límites de la norma. A las compañías de distribución, la
existencia de armónicos de corriente les supone un
coste significativo en pérdidas y en pérdida de aprovechamiento de sus
instalaciones, por lo que este tema merece una especial atención y debe entrar
en consideración a la hora de hacer estudios referentes a las protecciones a
ser implementadas en los diseños de las instalaciones.
