Artículo - Metodología para el Análisis y Reducción de Armónicos en Sistemas Eléctricos...
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METODOLOGÍA PARA EL ANÁLISIS Y REDUCCIÓN DE
ARMÓNICOS EN SISTEMAS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES DE
MEDIA Y BAJA TENSIÓN
José M. Balcedo V.
Universidad de Oriente, Anzoátegui, Venezuela
RESUMEN: En este artículo se presentan
los métodos más comunes de análisis y
modelado de las señales armónicas,
información general sobre la medición de
armónicos, además también se
mencionan los filtros armónicos como
una medida de control de la distorsión
armónica en los sistemas eléctricos
industriales, explicando brevemente su
funcionamiento y configuración de
acuerdo a lo establecido por las normas
internacionales. Se propone una
metodología aplicable para el análisis y
filtrado de señales armónicas
contaminantes en los sistemas eléctricos,
haciendo hincapié en el uso de las
normas establecidas para el control de la
distorsión armónica. Esta metodología se
realiza para la implementación de filtros
armónicos en sistemas eléctricos de
potencia de B.T. y M.T. tomando en
cuenta los límites del Factor de Distorsión
Armónica Total (THD) establecidos en la
norma IEEE-519-1992. Dentro de su
desarrollo, se considera la formulación de
una serie de pasos como herramienta
general cuyo fin es analizar el
comportamiento de los filtros sintonizados
en sistemas eléctricos. Finalmente, se
muestra un diagrama de flujo para
desarrollar la metodología propuesta.
Palabras Claves: No lineal, distorsión
armónica, distorsión de voltaje, distorsión
de corriente, resonancia , filtro armónico.
1. INTRODUCCIÓN
Bajo condiciones ideales de
operación, un sistema eléctrico de
potencia se espera que sea
completamente balanceado, de una
frecuencia única y constante, y las
formas de onda de voltaje y corriente en
el sistema senoidales, de amplitud
especificada y constante. La calidad de
la energía obtenida es entonces
perfecta. Desafortunadamente, esta
operación ideal no se presenta en
sistemas de potencia prácticos debido a
que todos los componentes de la red, en
menor o mayor grado, poseen la
indeseable característica de distorsionar
las formas de onda senoidales ideales.
La mayor contribución a este efecto
distorsionante, conocido como distorsión
armónica de la forma de onda, proviene
de cargas y componentes no lineales y
variantes en el tiempo. Las fuentes más
conocidas de distorsión armónica son el
convertidor de potencia, los variadores
de velocidad, los dispositivos de
conmutación, el fenómeno no lineal de
saturación en componentes de núcleo
magnético, entre otros. En cualquier
caso, las cargas no lineales consumen
corrientes no senoidales de los sistemas
AC, y estas corrientes reaccionan con
las impedancias del sistema para crear
tensiones armónicas y en algunos casos
resonancia.
Esto puede resultar en un
considerable efecto degradante en la
calidad de la energía ocasionando, entre
otros aspectos adversos, la presencia de
pérdidas adicionales en el sistema,
reducción en la vida útil del equipo e
interferencia en los equipos de
protección, control y comunicaciones.
Sagredo, J. (s/f) resalta algunos
casos donde hubo destrucción de
condensadores de compensación de
reactivos en distintos tipos de
instalaciones en presencia de: bancos de
baterías, máquinas y herramientas que
incorporan variadores de velocidad,
pequeñas y medianas industrias de
imprenta, vidrieras, textiles, entre otras.
Según Noroña (2011), es de suma
importancia diagnosticar mediante
medición, modelación y simulación, el
comportamiento del sistema en lo
referente a la presencia de armónicos.
Sobre la base de los resultados obtenidos
se podrán recomendar alternativas de
mitigación.
Ante la problemática descrita, este
trabajo se plantea describir las
características de las cargas no lineales y
los métodos para el análisis de los
armónicos en los sistemas eléctricos;
establecer la norma IEEE que regula los
límites permisibles de distorsión armónica
en los sistemas eléctricos; proponer una
solución general para la corrección,
reducción o eliminación del problema de
los armónicos y desarrollar un
procedimiento aplicable, basado en la
normativa, para el estudio de propagación
y reducción de distorsiones armónicas en
los sistemas eléctricos industriales de
media y baja tensión.
2. METODOLOGÍA DESARROLLADA
La descripción de las cargas no
lineales se realizó mediante estudios y
revisión bibliográfica, así como los
métodos de modelado, flujo y análisis de
señales armónicas. En esta etapa se
evaluaron los métodos de análisis, sus
ventajas, alcances y limitantes.
Para verificar los límites de distorsión
armónica en sistemas eléctricos se citó la
norma internacional IEEE – 519 - 1992
“Recommended practices and
requirements for harmonic control in
electrical power systems - Prácticas
recomendadas y requerimientos para el
control de armónicas en sistemas
eléctricos de potencia”. Dicha norma
establece los límites admisibles tanto en
voltaje como en corriente para el
intercambio de potencia entre la
compañía de servicio público y un
sistema industrial. Esta fue estudiada e
interpretada para incluirla en la
metodología.
De acuerdo a la teoría estudiada y a
los métodos de modelado de sistemas
con señales armónicas, se establecen y
estudian las soluciones generales para la
disminución de las señales armónicas,
pudiéndose citar los filtros pasivos, el
desplazamiento de fases, los
transformadores con diseño especial y los
filtros activos.
La implementación de filtros para
reducir la distorsión armónica resulta en
una buena elección debido a que estos
circuitos proveen una baja impedancia
para los armónicos y de esta forma
eliminarlos o reducir la distorsión a
valores establecidos, con lo que se
consigue mejorar los parámetros de
alimentación de energía eléctrica, los
cuales deben mantener la frecuencia y la
tensión eléctrica constantes para un buen
funcionamiento de los equipos instalados;
además el filtro actúa a la frecuencia
fundamental (60 Hz) como un capacitor y
produce energía reactiva, funcionando de
la misma forma que un banco de
capacitores convencional.
Una vez estudiados todos los
aspectos teóricos y las normas
internacionales, se procedió a la
elaboración de la metodología para la
reducción de armónicos en los sistemas
eléctricos industriales, describiéndose los
pasos a seguir para desarrollarla e
implementarla a través de un sencillo
diagrama de flujo.
3. MAPA MENTAL
La idea principal es proponer una
metodología, a través de un diagrama de
flujo, que permita analizar las señales
armónicas presentes en un sistema
eléctrico de potencia, verificar si los
niveles de distorsión en el sistema son
aceptables según las normas
internacionales, y en caso de que no lo
sean, ofrecer una solución aplicable para
reducir dichos niveles a valores
aceptables.
Inicialmente se deberán describir las
cargas lineales y los métodos para el
análisis y modelado de las corrientes
armónicas. Luego se determinará la
norma IEEE que establece los límites
permisibles de distorsión armónica y se
interpretará la misma.
Seguidamente, se hará un estudio de
las soluciones existentes para la
mitigación de señales armónicas, es
decir, los filtros pasivos, los filtros activos,
desplazamiento de fases, modificación de
la relación de cortocircuito, balanceo de
cargas, transformadores de diseño
especial, entre otras; con la finalidad de
seleccionar la solución más factible a
nivel general.
Finalmente se elaborará el diagrama
de flujo con los pasos a seguir para
desarrollar la metodología, así como
también las herramientas necesarias para
implementarla.
MAPA MENTAL
4. RESULTADOS OBTENIDOS Y
ANÁLISIS
Realizando el estudio de las cargas
no lineales y los métodos de análisis y
modelado de las señales armónicas,
entre los cuales destacan el análisis en el
dominio de la frecuencia, análisis en el
dominio del tiempo y análisis hibrido
(frecuencia-tiempo) se obtuvo que el
análisis en el dominio de la frecuencia es
el más práctico para analizar sistemas
eléctricos simples y, a pesar de ser
menos exacto que el análisis en el
dominio hibrido, es un marco de
referencia en que se han desarrollado
modelos polifásicos rigurosos de
componentes no lineales y lineales de
sistemas de potencia. Sin embargo, aún
cuando es robusto, su aplicación para la
obtención de la solución periódica no
senoidal de sistemas de potencia puede
requerir de muchas iteraciones y ser de
enormes dimensiones. Resulta entonces
más práctico realizar los cálculos y
análisis mediante programas
computacionales que permitan determinar
la característica de respuesta a la
frecuencia del sistema, así como también
un flujo de potencia convencional y los
niveles de armónicos en el sistema.
También que cuenten con capacidades
gráficas que permitan presentar por
pantalla o imprimir cualquier tipo de
gráfica de impedancia contra frecuencia o
señales en el dominio del tiempo.
Se estableció la norma IEEE Std
519-1996 como referencia para los límites
de armónicas. Esta recomienda límites de
distorsión armónica tanto en voltaje
como en corriente, a diferencia de los
límites establecidos por algunos países,
donde el factor principal a controlar es la
distorsión de la forma de onda de voltaje.
La norma IEEE-519, prácticamente
establece una corresponsabilidad entre
las dos partes involucradas en el sistema
eléctrico: la compañía eléctrica y el
usuario (un sistema industrial). En la tabla
4.1 se muestra el nivel de distorsión
permitido por la IEEE.
IEEE Recommended practiques and requeriments for harmonic
control in electrical
power systems
Nivel recomendado de distorsión armónica en
voltaje
5% para 69 KV y valores menores
2.5% desde 69.001 KV hasta 161 KV
1.5% para 161.001 KV y valores mayores
Tabla 4.1. Límites de distorsión armónica
permitidos por la IEEE.
Mediante el estudio de las fuentes de
distorsión armónica y el uso de los
conceptos básicos de circuitos RLC, se
establece como solución más genérica,
para los armónicos en sistemas eléctricos
de la industria en general, a los filtros
armónicos. Estos pueden clasificarse
como filtros pasivos y activos. Para
efectos de la metodología a ser
implementada, el filtro sintonizado es el
que más se adecua a las exigencias de la
industria, es decir, tiene un bajo costo y
proveen compensación reactiva
determinada por la capacidad y la tensión
usada en el banco de capacitores; de
hecho pueden ser diseñados para el
doble objetivo de provisión de acción
filtradora y compensación del factor de
potencia al nivel deseado. En la figura 4.1
se ilustra la configuración del filtro
sintonizado.
Fig. 4.1. Filtro sintonizado (circuito RLC)
La determinación de las
características nominales de los
componentes del filtro es un proceso
iterativo, que parte de los requerimientos
de reactivos para el dimensionamiento
inicial del capacitor. Con un primer valor
de éste se seleccionan la inductancia y la
resistencia de acuerdo al factor de
calidad del filtro apropiado para el
sistema. Utilizando el flujo de armónicos
se calculan los niveles de distorsión
armónica y se verifica que no excedan
los límites recomendados. En caso de ser
ellos excedidos, se calculan nuevamente
los parámetros y se hacen nuevas
simulaciones o corridas.
Finalmente, se elaboró el
diagrama de flujo con los pasos
resumidos para el filtrado de señales
armónicas en sistemas eléctricos
industriales, mediante el uso de filtros
sintonizados. Éste se muestra en la figura
4.2.
Nótese que algunos los procesos
de la metodología puede derivarse en
otro diagrama de flujo, por ejemplo, el
cálculo de los parámetros del filtro.
Las herramientas o programas
computacionales que pueden utilizarse
para los cálculos y simulaciones deben
incluir las siguientes características:
Cálculo de flujos armónicos de potencia,
Soportar la representación completa de
cualquier sistema de potencia, incluyendo
desbalances en cargas, dispositivos con
características dependientes de la
frecuencia y fuentes múltiples de
armónicos, dependiendo de la situación,
deben poder seleccionarse modelos
trifásicos o monofásicos para los
componentes del sistema, y por último
incluir modelos para todos los
componentes de un sistema de potencia
tales como: líneas, cables,
transformadores, motores, capacitores y
cargas.
5. CONCLUSIONES
El cálculo de los niveles de distorsión
armónica puede no ser fácil y para
obtener resultados precisos dichos
cálculos deben ser actualizados por
medio de iteraciones. Es por ello que
se hace imprescindible el uso de
herramientas computacionales para
simular los sistemas eléctricos y
analizar su respuesta ante las
perturbaciones armónicas. Este
esfuerzo computacional se incrementa
en proporción directa al tamaño del
sistema analizado y al número de
armónicos representados
explícitamente.
El filtrado es un método para la
reducción de armónicos muy útil a
nivel industrial cuando se ha
aumentado gradualmente la distorsión
por armónicos o como una solución
total en una nueva planta.
El uso de filtros armónicos pasivos
sintonizados resulta ser una buena
Fig. 4.2. Diagrama de flujo de la metodología para filtrado de señales armónicas
elección para reducir la distorsión
armónica total, debido a que el
arreglo conformado por la
reactancia inductiva, capacitiva y
la resistencia ofrecen un camino
de baja impedancia a la
frecuencia para la cual es
sintonizado el filtro.
6. RECOMENDACIONES
Implementar un programa, a través de
algún software de cálculo matemático o
mediante un lenguaje de programación,
que realice de forma automática los
cálculos de los parámetros del filtro
sintonizado, es decir, C, XL y R; así
como la potencia reactiva del capacitor
para lograr la corrección del factor de
potencia.
Desarrollar un diagrama de flujo para la
obtención de distintas alternativas de
filtros sintonizados o activos, de manera
que se pueda seleccionar la solución
más económica y adecuada a las
necesidades del sistema en cuestión.
Evaluar la metodología en algún
sistema eléctrico o caso de estudio de
gran dimensión para verificar la
aplicabilidad de la misma en circuitos
complejos.
Evaluar la metodología utilizando la
norma IEEE-18-2002, referida a los
niveles aceptables de calentamiento del
dieléctrico del capacitor del filtro y sus
valores permisibles de corriente.
7. BIBLIOGRAFÍA
- Alvarado, H. y Ramírez, J. M. (2010).
“Metodología para el análisis de
propagación de armónicos en
instalaciones eléctricas”. Instituto
Politécnico Nacional, México.
- Fink, D. y Wayne, B. (1996). “Manual
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Editorial McGraw-Hill Interamericana
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- Gil, R. (2005). “Realizar un estudio
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- Noroña L., N. (2011). “Diagnóstico
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- Villasana S., R. (2011). “Breve
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(paper).