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PREPARADO POR Thomas DE A. Corto Energice Tecnologas, S.A. para el Consejo Elctrico de Nueva Inglaterra Septiembre 17, 1992 Traduccin: Ing. Jaime Vzquez Parada Marzo 1998 ------------------- -------------------- -------------------- ------------- Introduccin Importancia de Comprender los Armnicos en los Sistemas actuales Efectos de los Armnicos Fuentes de Armnicos Convertidores estticos de potencia IEEE 519 Gua para Clientes particulares Gua para compaas Lmites de duracin Guas de fabricacin Otras fuentes de Informacin ------------------- -------------------- -------------------- ------------- Introduccin En un sistema de potencia ideal, el voltaje que abastece a los equipos de los clientes, y la corriente de carga resultante son perfectas sinusoides. En la prctica, sin embargo, las condiciones nunca son ideales, tan as que estas formas de onda se encuentran frecuentemente muy deformadas. Esta diferencia con la perfecta sinusoide se expresa comnmente desde el punto de vista de la distorsin armnica de las formas de onda del voltaje y de la corriente. La distorsin armnica en los sistemas de potencia no es un fenmeno nuevo - esfuerzos para limitarlo a proporciones aceptables ha sido el inters de ingenieros de potencia desde los primeros das de los sistemas de distribucin. Entonces, la distorsin era ocasionada tpicamente por la saturacin magntica de transformadores o por ciertas cargas industriales, tales como hornos o soldadores de arco. El mayor inters eran los efectos de los armnicos sobre motores sincrnicos y de induccin, interferencia telefnica, y fallas en capacitores de potencia. En el pasado, los problemas de armnicas podan se tolerados porque los equipos tenan un diseo conservador y las conexiones Estrella aterrada - delta de los transformadores se usaron juiciosamente. La distorsin de la sinusoide fundamental, generalmente ocurre en mltiplos de la frecuencia fundamental. As sobre un sistema de potencia de 60 Hz, la onda armnica tiene una frecuencia expresada por:

donde n es un entero. La figura 1 ilustra la onda senoidal a la frecuencia fundamental (60 Hz) y su 2do, 3ro, 4to, y 5to armnicos.

Figura 1. La Onda Senoidal a la Frecuencia Fundamental (60 Hz) y Armnicos: 2do (120 Hz); 3ro (180 Hz); 4to (240 Hz); y 5to (300 Hz). La Figura 2 muestra como una onda deformada puede ser descompuesta en sus componentes armnicas. La onda deformada se compone de la fundamental combinada con las componentes armnicas de 3er y 5to orden.

Figura 2. La Onda Deformada Compuesta por la Superposicin de una Fundamental a 60 Hz y Menores Armnicos de Tercer y Quinto Orden. Los armnicos son caracterizados frecuentemente por un factor de distorsin armnica (DF) definido como:

El factor de distorsin puede usarse para caracterizar tanto la distorsin en las ondas de voltaje como de corriente. Los factores totales de distorsin armnica pueden especificarse para una gama de armnicos tal como el segundo a travs del undcimo armnico. El factor de distorsin tambin puede ser obtenido para armnicos sencillos o de pequea magnitud. La distorsin armnica total (THD) es el factor de distorsin que incluye a todos los armnicos relevantes (tpicamente tomado como el segundo a travs del quincuagsimo armnico). Pgina Siguiente Regresar

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La Importancia de Entender a los Armnicos, en los sistemas actuales. Como se mencion recientemente, los problemas por distorsin armnica no son nuevos ni para las compaas de distribucin elctrica ni para los sistemas industriales. De hecho, la distorsin fue observada por los operadores de las compaas de distribucin a principios de la primera dcada de este siglo. Tpicamente, la distorsin era ocasionada por cargas no lineales conectadas a la red de distribucin. Sin embargo, hoy da son necesarios ciertos mtodos para reducir los armnicos, debido a tres razones principales: 1. La proliferacin en el uso de los convertidores estticos de potencia. 2. Las resonancias de red han aumentado. 3. Las cargas del sistema de potencia son cada vez ms sensibles al armnico. La introduccin de convertidores de potencia confiables y eficientes ha ocasionado un aumento elevado en el nmero de dispositivos generadores de armnicas lo que ha resultado en su dispersin sobre todo el sistema de potencia. El trmino " convertidor esttico de potencia ", como se usa en este texto, se refiere al dispositivo semiconductor que convierte potencia de una frecuencia en potencia de otra frecuencia. Los tipos de convertidores mas comunes en la industria son el rectificador, convertidor de potencia ac en dc, y el inversor que convierte de potencia dc a ac. Adems, el problema de los armnicos es agravado frecuentemente por la tendencia actual de instalar condensadores para mejorar el factor de potencia o regular el voltaje. Debido a que los capacitores se instalan en paralelo con la inductancia de el sistema de potencia, como se muestra en la Figura 3, puede producirse una condicin resonante a la frecuencia dada por: donde L representa la inductancia del sistema de potencia, y la C representa la capacitancia del capacitor instalado.

Figura 3. Excitacin de un Circuito resonante en Paralelo Si una corriente armnica es inyectada (desde un convertidor esttico de potencia, por ejemplo) con una frecuencia cercana a la frecuencia resonante, puede entonces circular una alta corriente oscilante, la que podra quemar el fusible de los condensadores y producir voltajes armnicos altos. Adems del aumento en los generadores de armnicas y la resonancia de la red, las cargas y los sistemas elctricos no se han quedado atrs, y en algunos casos son aun ms sensibles a los armnicos. Hay un nmero de nuevas reas de inters continuo: 1. Computadoras, la computadora controla herramientas, mquinas, y los diversos tipos de controladores digitales los cuales son especialmente susceptibles al armnico, as como tambin a otros tipos de interferencia. 2. El armnicos puede ocasionar daos calentando el dialctico en cables subterrneos. 3. La medicin de reactivos puede ser adversamente afectada por los armnicos. 4. Las fallas en bancos de capacitores son frecuentemente ocasionadas por los armnicos. 5. Diseos menos conservadores para mquinas de rotacin y transformadores, agravan los problemas de calentamiento ocasionados por los armnicos. 6. Los armnicos puede ser especialmente problemticos para los sistemas de comunicacin. Los actuales problemas de armnicos pueden tener ms consecuencias serias y generalizadas que en el pasado. Los diseadores y los proyectistas de sistemas deberan ser capaces de reconocer y evitar o mitigar tales problemas. ------------------- -------------------- -------------------- ------------- Los efectos de los Armnicos Los efectos de los armnicos se dividen en tres categoras generales: 1. Efectos sobre el sistema de potencia mismo 2. Efectos sobre la carga del consumidor 3. Efectos sobre circuitos de comunicacin En el sistema de potencia, las corrientes armnicas son el problema principal, ocasionando recalentamiento y prdida de vida til. Esto refirindonos a motores o transformadores. El impacto es peor cuando la resonancia de la red amplifica las corrientes armnicas. Los armnicos pueden tambin interferir en la operacin de relees y mediciones. Los armnicos pueden ocasionar tambin errores de disparo a los tiristores en equipos convertidores y en instalaciones SVC, inexactitudes en las mediciones, y falsos disparos en los dispositivos de proteccin. El desempeo de los equipos de los consumidores, tales como controladores de velocidad de motores y fuentes de alimentacin de computadoras, pueden ser adversamente afectado por los armnicos. Adems, las corrientes armnicas que fluyen sobre las lneas de potencia pueden inducir ruido sobre lneas cercanas de comunicacin. La distorsin armnica de voltaje puede ocasionar esfuerzos en el aislamiento de equipos, particularmente en condensadores. Cuando los armnicos deforman el voltaje en el banco de condensadores, el voltaje pico puede ser lo suficientemente alto como para ocasionar una descarga parcial, o efecto corona, dentro de el dielctrico del condensador. Esto puede producir eventualmente un cortocircuito entre bornes y carcasa y hacer fallar al condensador. Las corrientes armnicas altas tambin ocasionan el disparo de fusibles en bancos de condensadores. Esto ocasiona la prdida de una fuente de alimentacin reactiva al sistema, lo que puede ocasionar otros problemas. ------------------- -------------------- -------------------- ------------- Las Fuentes de Armnicos Los armnicos son ocasionados por cargas no lineales conectadas al sistema de potencia. Las cargas no lineales producen corrientes no sinusoidales. Los resistores, inductores, y los condensadores son dispositivos lineales. Cuando se conecta una carga resistiva en el sistema de potencia AC, se obtiene una corriente sinusoidal. Cuando se conecta una carga inductiva, se observan corrientes sinusoidales aunque con fase diferente a la carga resistiva. Hay muchos tipos de cargas no lineales que producen armnicos. La fuente ms grande de armnicos son los convertidores. Los convertidores oscilan desde enormes subestaciones inversoras de 1000 MW para lneas HVDC (High Voltage DC) hasta rectificadores de 75 W encontrados en una televisin. Las otras fuentes no lineales de armnicos incluyen dispositivos de arco tales como hornos de arco, impedancia magnetizante de transformadores, y luces fluorescentes. La corriente armnica ocasionada por las fuentes no lineales pueden ocasionar la distorsin armnica en el voltaje del sistema, lo que puede ocasionar problemas para otros dispositivos. La Figura 4 muestra mediciones para formas de onda de corriente y espectros armnicas para varias fuentes armnicas comunes. Los Convertidores Estticos de Poder La mayor aplicacin de los convertidores estticos est en los dispositivos variadores de velocidad para el control de motores. Estos dispositivos (drive) estticos se usan ahora en todos los motores industriales, ofreciendo mayor eficiencia, mejor control de la velocidad, y mayor operacin libre de mantenimiento que otros dispositivos convencionales. Los convertidores usan dispositivos de switcheo de estado slido para convertir la potencia de una frecuencia a otra (comnmente entre CA y CC). Estos dispositivos de switcheo pueden ser diodos, tiristores, GTO, o muchos otros dispositivos de electrnica de potencia.

Figura 4. Ejemplo de las formas de onda desde varias fuentes comunes. Se muestra la salida de un rectificador monofsico de onda completa, para ilustrar como los dispositivos de switcheo producen armnicos. Los rectificadores de onda completa son muy comunes en pequeos equipos electrnicos (TVs, computadoras, stereos, etc). El rectificador monofsico para corriente DC se observa en la Figura 5. Los diodos actuan para cortar la mitad negativa de la onda sinusoidal. El condensador trata de retener el voltaje al pico. Dos veces por ciclo, el condensador se carga, y esta es la nica vez en que el rectificador dibuja la forma real de la corriente del sistema. Por lo tanto, la corriente de carga se obtiene como la suma de pulsos tal y como se observa en la Figura 6.

Figura 5. Rectificador monofsico de onda completa

Figura 6. Voltaje y Corriente AC a travs de la Carga en un rectificador de onda completa.

Figura 7. Corriente AC obtenida de un equipo comn. ARMNICOS IEEE 519 Pg 3 de 4

IEEE 519 Los problemas del sistema de potencia asociado con los armnicos comenzaron a ser de inters general en la dcada de los 70, cuando dos desarrollos independientes tuvieron lugar. El primero era el embargo de petrleo, que condujo a incrementos en la electricidad y al ahorro de la energa. Las compaas de distribucin de energa y los consumidores industriales comenzaron a instalar condensadores para el mejoramiento del factor de potencia. Los condensadores reducen la demanda de MVA que exige el sistema elctrico abasteciendo la porcin de reactivos necesarios de forma local (donde se requiere). Como resultado, se reducen las prdidas elctricas tanto en la planta industrial como en la red de distribucin. Para mejorar el factor de potencia fue necesario incrementar significativamente el nmero de capacitores conectados en el sistema de potencia. Como una consecuencia, ha habido un aumento igualmente importante en el nmero de circuitos sintonizados (resonantes)en redes de distribucin y plantas. El segundo desarrollo involucrado fue la llegada de la era tecnolgica de los tiristores en bajo voltaje. En los aos 60, los tiristores fueron desarrollados para motores en DC y luego durante la dcada de los 70, utilizados para controlar la velocidad de motores AC. Esto result en una proliferacin de pequeos convertidores operados independientemente sin tcnicas de mitigacin de armnicas. An con niveles de corriente de armnicas relativamente bajo, un circuito resonante puede ocasionar severos problemas de distorsin en el voltaje e interferencia telefnica. Un circuito resonante paralelo puede amplificar los niveles de corriente armnica a un punto tal que produzca falla en los equipos. Los circuitos resonantes serie pueden concentrar el flujo de corrientes armnicas en alimentadores o lneas especficas al punto de producir interferencia telefonica de gran magnitud. El aumento en el uso de convertidores estticos, tanto en equipos de control industrial como en aplicaciones domsticas, combinado con el aumento en el uso de los condensadores para el mejoramiento del factor de potencia, han creado problemas generalizados. Debido a lo extenso de estos problemas, ha sido necesario desarrollar tcnicas y lineamientos para la instalacin de equipos y control de armnicos. Este segmento discute esos lineamientos y su importancia en el diseo de sistemas. Las normas estadounidenses con respecto a los armnicos han sido agrupadas por la IEEE en la norma 519: IEEE Recomendciones Prcticas y Requerimientos para el Control de armnicas en Sistemas Elctricos de Potencia. Existe un efecto combinado de todas las cargas no lineals sobre el sistema de distribucin la cual tienen una capacidad limitada para absorber corrientes armnicas. Adicionalmente, las compaas de distribucin tienen la responsabilidad de proveer alta calidad de abastecimiento en lo que respecta al nivel del voltaje y su forma de onda. IEEE 519 hace referencia no solo al nivel absoluto de armnicos producido por una fuente individual sino tambin a su magnitud con respecto a la red de abastecimiento. Se debe tomar en cuenta que la IEEE 519 esta limitada por tratarse de una coleccin de recomendaciones prcticas que sirven como gua tanto a consumidores como a distribuidores de energa elctrica. Donde existan problemas, a causa de la inyeccin excesiva de corriente armnica o distorsin del voltaje, es obligatorio para el suministrador y el consumidor, resolver estos problemas. El propsito de la IEEE 519 es el de recomendar lmites en la distorsin armnica segn dos criterios distintos, especficamente: 1.Existe una limitacin sobre la cantidad de corriente armnica que un consumidor puede inyectar en la red de distribucin elctrica. 2.Se establece una limitacin en el nivel de voltaje armnico que una compaa de distribucin de electricidad puede suministrar al consumidor. Lineamientos para Clientes Individuales El lmite primario de los clientes individuales es la cantidad de corriente armnica que ellos pueden inyectar en la red de distribucin. Los lmites de corriente se basan en el tamao del consumidor con respecto al sistema de distribucin. Los clientes ms grandes se restringen ms que los clientes pequeos. El tamao relativo de la carga con el respecto a la fuente se define como la relacin de cortocircuito (SCR), al punto de acoplamiento comn (PCC), que es donde carga del consumidor conecta con otras cargas en el sistema de potencia. El tamao del consumidor es definido por la corriente total de frecuencia fundamental en la carga, IL, que incluye todas las cargas lineales y no lineals. El tamao del sistema de abastecimiento es definido por el nivel de la corriente de cortocircuito, ISC, al PCC. Estas dos corrientes definen el SCR: Una relacin alta significa que la carga es relativamente pequea y que los lmites aplicables no sern tan estrictos como los que corresponden cuando la relacin es mas baja. Esto se observa en la tabla 1, donde se recomiendan los niveles mximos de distorsin armnica en funcin del valor de SCR y el orden de la armnica. La tabla tambin identifica niveles totales de distorsin armnica. Todos los valores de distorsin de corriente se dan en base a la mxima corriente de carga (demanda). La distorsin total est en trminos de la distorsin total de la demanda (TDD) en vez del trmino ms comn THD. La tabla 1 muestra lmites de corriente para componentes de armnicas individuales as como tambin distorsin armnica total. Por ejemplo un consumidor con un SCR entre 50 y 100 tiene un lmite recomendado de 12.0% para TDD, mientras que para componentes armnicas impares individuales de ordenes menores a 11, el lmite es del 10%. Es importante notar que los componentes individuales de las corrientes armnicas no se suman directamente para que todo el armnicos caracterstico no pueda estar a su lmite mximo individual sin exceder el TDD. Tabla 1. IEEE 519 Lmites en la Distorsin de la Corriente. Para condiciones con duracin superior a una hora. Para perodos ms cortos el lmite aumenta un 50% Lmites de Corriente Armnica para Carga no lineal en el Punto Comn de acoplamiento con Otras Cargas, para voltajes entre 120 - 69,000 volts.

Maxima Distorsin Armnica Impar de la Corriente, en % del Armnico fundamental

ISC/IL