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