ARMÓNICOS CAUSAS Y EFECTOS

ARMÓNICOS

CAUSAS Y EFECTOS

CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS

Saturación de Núcleos MagnéticosCargas Electrónicas

Corrientes No Senoidales : IH

IH.Z VH

VRes = VBuena + VH = Vh

CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS:

Tradicionales (Clásicos)

Transformadores

Máquinas rotantes

Hornos de arco

Modernos (Electrónica de Potencia)

Lámparas fluorescentes

Controles electrónicos, fuentes conmutadas, equipamientos electrónicos modernos de oficina

Dispositivos controlados (tiristores):

Rectificadores

Inversores

Compensadores estáticos

Cicloconversores

Transmisión HVDC

CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: TransformadoresCorriente de excitación:

CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS:TransformadoresCorriente de excitación:

0 0.005 0.01 0.015 0.02-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

t [ms]

Im [p

u]

CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Transformadores

CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Hornos de Arco

CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Lámparas fluorescentes o de arcoLámpara de mercurio

0 5 10 15 20 250

5

10

15

% d

e la

I F

und

0 5 10 15 20 250

1

2

3

4%

de

la V

Fun

d

CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Microondas

0 5 10 15 20 250

2

4

6

8

% d

e la

I F

und

0 5 10 15 20 250

1

2

3%

de

la V

Fun

d

CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Equipos electrónicosFuentes monofásicas

220 VAC

Switchery

Control 6 VDC

CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Equipos electrónicosPC

0 0.005 0.01 0.015 0.02

-2

0

2

ms

A

0 5 10 15 20 25 30 35 400

50

100

Orden armónico

% F

un

CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Equipos electrónicosTV

0 0.005 0.01 0.015 0.02-2

0

2

ms

A

0 5 10 15 20 25 30 35 400

50

100

Orden armónico

% F

un

CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Conversores trifásicos de potenciaAccionamientos de DC

CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Conversores trifásicos de potenciaAccionamientos de AC

Diodos rectificadores Transistores inversores


October 05, 1999 at 11:16:19 LocalALFA120Phase A CurrentSS Wave

0 5 10 15 20 25 30 35 40

-15-10

-505

1015

Time (mSeconds)

Am

ps

0 5 10 15 20 25 30

00.5

11.5

22.5

3

Harmonic

Am

ps

Fund3.598RMS5.027CF 2.516Min -12.65Max11.19THD95.22HRMS3.426TIF/IT1892

Uncalibrated Data


October 05, 1999 at 16:17:01 LocalANG90Phase A CurrentSS Wave

0 5 10 15 20 25 30 35 40

-30-20-10

0102030

Time (mSeconds)

Am

ps

0 5 10 15 20 25 30

0123456

Harmonic

Am

ps


Uncalibrated Data


October 05, 1999 at 18:29:49 LocalA30Phase A CurrentSS Wave

0 5 10 15 20 25 30 35 40

-60-40-20

0204060

Time (mSeconds)

Am

ps

0 5 10 15 20 25 30

0123456

Harmonic

Am

ps


Uncalibrated Data


October 15, 1998 at 11:33:40 LocalEXP6_3Phase B CurrentCold Load

0 50 100 150 200 250

-1500-1000

-5000

50010001500

Time (mSeconds)

Am

ps

0 2 4 6 8 10 12

0250500750

10001250150017502000

Time (Seconds)

Am

ps

Min3.628Ave694.2Max1891

Uncalibrated Data

CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Conversores trifásicos de potenciaNotches

October 15, 1998 at 11:49:33 LocalEXP5_1ANPhase A-B VoltageSS Wave

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20

-600-400-200

0200400600

Time (mSeconds)

Vo

lts

0 5 10 15 20 25 30

00.5

11.5

22.5

Harmonic

% F

un

d

Fund395.1RMS398.0CF 1.425Min -567.3Max567.0THD3.665HRMS14.48TIF/IT186.7

Uncalibrated Data

CAUSAS Y EFECTOS CAUSAS: Cargadores de baterías

CAUSAS Y EFECTOS EFECTOS:

1.- Amplificación de los niveles de armónicos resultante de resonancias serie o paralelo

2.- Reducción en la eficiencia de la generación, transmisión y utilización de la energía

3.- Envejecimiento prematuro del aislamiento de los componentes eléctricos de una planta y acortamiento de su vida útil

4.- Problemas de mala operación en una planta


Resonancia paralelo

f es la frecuencia fundamental

fp es la frecuencia resonante paralelo

SS es la potencia de cortocircuito

SC es la potencia del banco de condensadores.

Carga Fuente armónica Carga

A B C

InCL

CS

LS

Punto de acoplamiento común

Sistema

C

Sp S

Sff


Resonancia Serie

f es la frecuencia fundamental,

fs es la frecuencia resonante serie,

St es la potencia del transformador

Zt es la impedancia del transformador en por unidad,

Sl es la potencia activa.

ST, VA

SC, VAr SL, VA

2

2

c

l

tc

ts S

S

ZS

Sff

CAUSAS Y EFECTOS EFECTOS: Máquinas rotantes

1.- Calentamiento: perdidas en el hierro y en el cobre

Factor de pérdidas en el cobre (comparativo):

2.- Torque pulsante

3.- Resonancia mecánica

4.- Ruidos

5.- Puntos calientes

2

h

h

f

VL

CAUSAS Y EFECTOS EFECTOS: Cables y Conductores

1.-Incremento de las pérdidas por valor rms de la corriente

2.- Efecto Skin:

3.- Caídas de tensión armónicas

4.- Incremento de los valores crestas de tensión:

Sobrecarga del aislamiento

Corona

5.- Corriente de neutro

hh RI 2

dcf RKR .dcR

fX

.06359,0

CAUSAS Y EFECTOS EFECTOS: Condensadores

CALENTAMIENTO

Una tensión distorsionada a sus bornes produce una pérdida en los mismos expresada por:

Donde tanδ=R/(1/ωC) es el factor de pérdidas, ωn=2πfn, Vn valor rms de la componente nth de tensión

SOBRECARGA SOBRE EL AISLAMIENTO

1

2)(tann

nnVC


Algunas reglas básicas para evitar, en principio, condiciones resonantes en la instalación de bancos paralelo en baja tensión:

1.- Si los kVA de carga con producción armónica se encuentran por debajo del 10 % de la potencia nominal del transformador, no existirán posibles condiciones resonantes.

2.- Si los kVA de carga con producción armónica se encuentran por debajo de un 30 % de la potencia nominal del transformador y los kVAr del banco resultan menos del 20 % de la potencia nominal del transformador, no existirán posibles condiciones resonantes.

3.- Si los kVA de carga con producción armónica se encuentran por encima del 30 % de la potencia nominal del Trasformador, deben aplicarse condensadores como filtros.

Estas recomendaciones son aplicables para transformadores con tensiones de cortocircuito entre el 5 % y 6 % y la impedancia del sistema menos de un 1 % de la del transformador


En la IEEE Standard 18-2002 se establece que los condensadores deberán ser capaces de operar de manera continua sin excederse ninguna de las siguientes condiciones

1.- 110 % del valor rms de la tensión nominal

2.- 120 % del valor pico de tensión nominal (o sea, el pico de tensión no debe exceder ; esto incluye armónicos pero excluye transitorios)

3.- 135 % del valor rms de la corriente nominal basada en los kVAr y tensión nominal

4.- 135 % de los kVAr nominales


IEC 60871-1-1997

1,3 veces la corriente nominal

No se fijan restricciones respecto de los kVA

Factor de tensión x Vnom

Duración Máxima

1,00 Continua

1,10 12 hs cada 24 hs

1,15 30 minutos cada 24 hs

1,20 5 minutos

1,30 1minuto


Si se exceden las magnitudes de corriente que aquí se han establecido puede tomarse alguna o algunas de las siguientes medidas:

1.- Relocalizar el banco a alguna parte del circuito donde puedan reducirse los valores de sobrecorriente. La carga contaminante y el banco podrían no compartir el mismo transformador.

2.- Para bancos conectados en estrella con conexión de neutro, el neutro puede ser desconectado a los fines de eliminar la circulación de tercer armónico (Debe luego analizarse lo que sucederá con esta nueva situación desde el punto de vista de el aislamiento del banco y la protección contra sobrecorrientes).

3.- Si ninguna de las anteriores resulta ser la solución se deberá recurrir a la incorporación de un reactor sintonizado. Este reactor se ajustará a las frecuencias resonantes. Esta acción modificará los parámetros de diseño del banco.

CAUSAS Y EFECTOS EFECTOS: Elementos de protección

FUSIBLES y TERMÓMAGNÉTICAS: adelanto en la respuesta (efecto térmico)

INTERRUPTORES: Alguno problemas en sobrecarga

RELÉS

- Digitales

- Electromecánicos y analógicos

* Problemas durante una falta

* Problemas en condiciones normales

CAUSAS Y EFECTOS EFECTOS: Equipamientos electrónicos

1.- Elementos que usan el cruce por cero de la tensión

2.- Fuentes electrónicas:

El pico de tensión mantiene los condensadores a plena carga

Reducción en la capacidad de soportar huecos

Algunos fabricante de PC limitan el factor de cresta 1,41±1, o un 5%de THDV y un 3% para un armónico.

3.- Notchs

Pueden “simular” un pasaje por cero

Interferencia en señales lógicas o de comunicación

Disparos intempestivos de tiristores

CAUSAS Y EFECTOS EFECTOS: Lámparas

1.- Lámparas incandescentes: acortamiento de vida útil por rms de tensión en exceso (+5% un 50% de reducción de vida útil)

2.- Lámparas de arco: podría existir problemas de resonancia entre lámpara/condensador corrector de FP, pero no con el sistema (la f de resonancia suele hallarse alrededor de los 80Hz)

CAUSAS Y EFECTOS EFECTOS: Transformadores

1.- Calentamiento adicional generado por las pérdidas de la corriente de carga

2.- Problemas de resonancia entre la inductancia del transformador y los condensadores del sistema

3.- Sobrecarga del aislamiento

4.- Vibraciones y ruidos

CAUSAS Y EFECTOS EFECTOS: Transformadores

CAUSAS Y EFECTOS EFECTOS: TransformadoresDERATING DE TRANSFORMADORES: IEEE C57.110-1998

Las perdidas en transformadores se categorizan como:

1.- Pérdidas en vacío

2.- Pérdidas en carga = I2R + pérdidas dispersas = I2R+ PEC +POSL =P+ PEC+ POSL

• R es el valor medido

• En los bobinados, pérdidas por corrientes parásitas (PEC), PEC

I2 y a f2

• Fuera de los bobinados, otras Pérdidas adicionales (POSL),

3.- Pérdidas totales = Pérdidas en vacío + Pérdidas en carga


Se trata de prevenir de calentamientos por encima de los de diseño, especialmente en los bobinados, cuando la corriente de carga contiene distorsión (las pérdidas en estas condiciones no deberían exceder las pérdidas nominales).

Los mayores calentamientos se producen en el bobinado interno y en los extremos, superior e inferior.

El método propuesto se basa en el cálculo de una “capacidad equivalente del transformador” el cual establece un factor de desclasificación de corriente para corrientes de carga que tengan una composición armónica dada.

Las formas de onda distorsionada de la tensión también produce pérdidas extras en el núcleo. Sín embargo la experiencia práctica ha mostrado que este es un parámetro poco significativo.


con h : 1, 2, 3, 4,….

PEC = pérdidas por corrientes parásitas en los bobinados (en por unidad de las pérdidas nominales I2R)

PEC-R = pérdidas por corrientes parásitas en los bobinados a carga y frecuencia nominal (en por unidad de las pérdidas nominales I2R)

Ih = valor rms de la corriente de orden armónico h (en por unidad respecto de la corriente nominal de carga)

h = orden del armónico

22hIPP hRECEC


Método simplificado para determinar el derating:

PLL= pérdidas en carga

PEC = pérdidas por corrientes parásitas

PEC-R= factor de pérdidas por corrientes parásitas en condiciones nominales de operación

ECLL PRIP 2

22 .. hIKP ECEC

REChhLL PhIIP 222 .

2

22 .

h

h

I

hIK REC

RECh PK

PI

.1

12


Método simplificado para determinar el derating:

Tipo MVA Tensión % PCE-R

≤1 3-8

Seco ≥1,5 5kV(AT) 12-20

≤1,5 15kV(AT) 9-15

≤2,5 480 V 1

En aceite 2,5 a 5 480 V 1-5

>5 480 V 9-15


Método simplificado para determinar el derating: EJEMPLO

Orden Corriente % Frecuencia Corriente pu I2 I2xh

1 100,0 50 1,000 1,000 1,000

3 1,6 150 0,016 0,000 0,002

5 26,1 250 0,261 0,068 1,703

7 5,0 350 0,050 0,003 0,123

9 0,3 450 0,003 0,000 0,001

11 8,9 550 0,089 0,008 0,958

13 3,1 650 0,031 0,001 0,162

15 0,2 750 0,002 0,000 0,001

17 4,8 850 0,048 0,002 0,666

19 2,6 950 0,026 0,001 0,244

21 0,1 1050 0,001 0,000 0,000

23 3,3 1150 0,033 0,001 0,576

25 2,1 1250 0,021 0,000 0,276

1,084 5,712


Método simplificado para determinar el derating: EJEMPLO

Tomando PEC-R= 8%

28,5084,1

712,5K

87,0)08,0.28,5(1

08,01

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