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Armónicos en SEP

•Origen de las armónicas

•Efecto de las armónicas

•Medición de las armónicas

•Solución al problema

SI BIEN LAS CORRIENTES Y TENSIONES EN LASREDES ELÉCTRICAS NUNCA HAN SIDOEXACTAMENTE SENOIDALES ,HASTA HACEUNOS AÑOS NO ERA FRECUENTEENCONTRARSE EN LA PRÁCTICA CONALGÚN PROBLEMA ORIGINADO POR LADEFORMACIÓN DE DICHAS ONDAS O LO QUEES LO MISMO, POR LA PRESENCIA DEARMÓNICOS .

INTRODUCCIÓN

2

EL RESPONSABLE PRINCIPAL DE ESTADEFORMACIÓN ES EL DESARROLLOESPECTACULAR DE LA ELECTRÓNICA ,QUE HA GENERALIZADO EL USO DERECTIFICADORES, TANTO ENAPARATOS DE POTENCIA(ACCIONAMIENTO DE CORRIENTECONTINUA , VARIADORES DEFRECUENCIA) COMO EN OTROSPEQUEÑOS, PERO MUY NUMEROSOS(ORDENADORES,TV)

INTRODUCCIÓN

Definiciones

DEFINICIÓN:ARMÓNICOS DE POTENCIA SONONDAS DE CORRIENTE O TENSIÓN CUYA FRECUENCIASON MULTIPLOS ENTEROS DE LA FRECUENCIAFUNDAMENTAL

Ejemplo:

Si la F= 60Hz el armónico de segundoorden tendrá una frecuencia de 120Hz.El tercer armónico 180Hz etc..

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Algunos conceptos

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11/12/2014 6

Algunos conceptos

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1º(onda fundamental)

3º 5º

7º

9º

Onda resultante deformada

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Onda resultante deformada

5

Onda asimetrica

11/12/2014 9

11/12/2014 10

Joseph FOURIER demostró que toda función periódica nosenoidal puede representarse por una suma de términossenoidales donde el primer termino es la fundamental y losotros, a la frecuencia múltiplo de la fundamental son losarmónicos.

Yo : Valor de la componente continua, generalmente nula para sistemas de distribución.

Yn : Valor eficaz del armónico de orden n, : Pulsación de la frecuencia fundamental,n : Desfasaje de la componente armónica n.

) tsen(n2Y)( n1

n

n

n

Yoty

Teoría de Armónicos

6

11/12/2014 11

Adecuando para la tensión se tiene:

).(2)(1

0 nn

n tnsenuutu

).(2)(1

0 nn

n tnseniiti

para la corriente:

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Valor eficaz de una magnitud alterna no senoidal

T

0

2rms

2 dtRiT1

RIP

T

0

2rms

T

0

2rms

dtvT1

V

ó

.....(a) dtiT1

I

7

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Valor eficaz de una magnitud alterna senoidal

2

VV

2

II

2

I

wπ

2πIw

I

φ)dt(wtcos2π

w.II

w2π

T

wπ

φwtcos dtφwtcosIT1

I

senoidal corriente φ)cos(wt Ii Si

mrms

mrms

m

2

mrms

02π

0

2

2

mrms

w2π

0

2T

0

22

mrms

m

11/12/2014 14

Como es el Valor eficaz de una magnitud diferente a la alterna senoidal ??

Onda cuadrada, rectangular???

8

11/12/2014 15

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Tasa de distorsión total de armónicos(TDA) o (THD)

Define globalmente la deformación de la magnitud alterna.

1

2

2

2

100(%)

n

n

Y

YDF

THD V Vi Ni

( ( / ))

..

2 2

2 40

100%

CIGRE:Factor de distorsión total

IEC 555-1:Factor de distorsión: 0<DF<1

NTCSE:Factor de distorsión total de armónicos

9

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Tasa de distorsión total de armónicos(TDA) o (THD)

%1002/1

2

2

xI

ITHD

H

h Ldemanda

h

Estándar IEEE-519

De la comparación se deduce que el THD según la NTCSE es similar al empleado por CIGRE

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Tasa individual de armónicos (An o Ih,Vh)

Esta magnitud representa larazón del valor eficaz de unarmónico (Yn), respecto al valoreficaz de la fundamental (Y1)

Espectro( de frecuencia)

Es la representación de la amplitudde los armónicos en función de suorden o rango; el valor de losarmónicos se suele expresar enporcentaje de la fundamental

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Factor de potencia y cos

Cuando hay armónicos es importante no confundir estos dostérminos, que son iguales solamente cuando la corriente ytensión son perfectamente senoidales.

Factor de potencia Es la razón entre la potencia activa y aparente

El factor de Desfasaje (cos Se refiere a las magnitudes fundamentalesEl cos o DFP (Desplazamiento del F.P. )

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Factor de deformación

Según la IEC 146-1-1, es la razón entre el factor de potenciay el cos , siempre es menor o igual a uno.

Factor de cresta (Fc)

Es la razón del valor pico respecto al valor eficaz de una magnitud periódica:

11

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Triangulo de potencias

Debido a que hay cargasdenominadas no lineales que tomanla corriente en forma de impulsosbruscos en vez hacer en formasinusoidal,éstos impulsos creanondas de corriente o tensióndistorsionadas que retornan a la redsumándose a la onda fundamental.

ORIGEN DE LAS ARMÓNICAS

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TIPO DE CARGAS

• Cargas lineales

• Cargas no lineales

1. CARGAS LINEALES

TIPO DE CARGAS

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CARGAS LINEALES

2. CARGAS NO LINEALES

La electrónica de potencia puso adisposición de los hogares y las empresasproductivas diversos equipos capaces decontrolar el producto final: Iluminaciónvariable, velocidad ajustable, etc.. Asíaproximadamente un 90% de la energíaeléctrica pasa por un dispositivo deelectrónica de potencia antes de seraprovechada .

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2. CARGAS NO LINEALES

La electrónica de potencia hace uso dediodos , transistores, tiristores etc; estosdispositivos trabajan en el modo deinterrupción (swtching) que significa en dosestados: CONDUCCIÓN Y BLOQUEO.

Modos de operación de las Cargas No Lineales

ESTADO DE CONDUCCIÓN: (interruptor cerrado), la corriente puede alcanzar valores elevados , pero la tensión es nulo y, por tanto, la disipación de potencia es muy pequeña.

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ESTADO DE BLOQUEO: (interruptor abierto). La corriente es muy pequeña y la tensión es muy elevado; así, la disipación de potencia es también pequeña en este estado.

Modos de operación de las Cargas No Lineales

CARGAS NO LINEALES

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Tipos De Cargas No Lineales

Circuitos magnéticos: Transformadores,motores.

Elementos de plasma: Lámparas de descarga,soldadura de arco, hornos de inducción.

Semiconductores : Las grandes fuentesarmónicas son los rectificadores conconmutación natural; accionamiento decorriente continua, convertidores de frecuenciacon circuito intermedio de continua, sistemasde alimentación permanente(UPS), etc..

Cargas No Lineales

Rectificadores

h

II

nph

h

1 Donde:

h: orden de armónico generado

p: numero de pulsos del rectificador

n: numero entero positivo ( 1,2,3,4,5…)

Ih: magnitud de la corriente armónica.

Ejemplo:

Rectificadores de dos pulsos:

P=2 , h=3,5,7,9,11,13,15,17,19..

Computadoras, equipos de telecomunicación, equipos de radiodifusión en general.

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1: Regulador de luz o de temperatura

Ejemplo del espectro de armónicos de las corrientes absorbidas por las cargas no lineales

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h B y N, Tubo B y N, Transistor COLOR puente dediodos

COLOR tiristor

3 0,53 0,32 0,73 0,825 0,31 0,25 0,59 0,667 0,13 0,15 0,43 0,349 0,055 0,08 0,27 0,1411 0,045 0,04 0,15 0,0915 0,03 0,03 0,045 0,04

Armónico De Corriente En Función Al Tipo De Televisor

(Amperio)

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11/12/2014 37

11/12/2014 38

20

Contenido de armónicos de la corriente de magnetización para el acero al silicio

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Cargas No Lineales

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Sistemas monofásicos

* La 1º armónica o fundamental ( 60 Hz ) * La componente de 3º armónica ( 180 Hz ) .

•* La 1º armonica (fundamental)

3° Armonico

• Sumando las dos señales sinusoidales , se llega a una“ semionda No sinusoidal” que se representa en la fig..

Pulso

3°Arm.

1°Arm.


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• Observese que La resultante se asemeja a los pulsosproducidos por las fuentes de conmutación .

• Adjuntando otras componentes armónicas, podemos modelarcualquier semionda periódica distorsionada, como las ondascuadradas generadas por las UPS y los controladores deFrecuencia.

• Los pulsos de corriente , también influyen en la distorsión delvoltaje,debido a las pérdidas de tensión originadas por laresistencia de los conductores.

• Esta distorsión de voltaje puede producir en los equipos massensibles, fallas prematuras o problemas de operación.


En un sistema trifásico :

Las tensiones por fase se encuentran desfasadas en 120º.Se demuestra matemáticamente que con cargastrifasicas Lineales, equilibradas en una conexión estrellala corriente por el neutro es cero.

Luego la protección de sobrecarga de los conductores defase , también protegerá al conductor neutro.

I j I j I j

I

R S T

1 0 0 5 0 8 6 0 5 0 8 6

0

; . . ; . .

SISTEMAS TRIFASICOS

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CA B

SISTEMAS TRIFASICOS

* Cuando aparece una componente de tercer armónico en cada una de las fases, podemos observar que esta, se encuentra en fase en cada una de las líneas.

3° Arm.

En fase

SISTEMAS TRIFASICOS

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Las corrientes armónicas se Suman en el neutro y envez de anularse, pueden originar, corrientes a travésdel neutro, de mayor magnitud a la fases.

IN

SISTEMAS TRIFASICOS

SISTEMAS TRIFASICOS * Las protecciones de sobrecarga de las fases, no

resultan ser efectivas para el neutro.

* Estas corrientes armónicas producirán disipación decalor a través de los conductores neutros.

* Incrementaran las pérdidas de energía , caídas detensión y sobrecargas en los equipos de potencias(Tableros, Protecciones, Transformadores, etc..)

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DISTORSIÓN EN LA FORMA DELA SEÑAL DE TENSIÓN

* Efecto de la caída de tensión, sobre V Carga

CONSUMO LINEAL

Se asume un 10%de caída de tensión en los conductores de la instalación

Sin Armónicas de 3º y 5º orden, presentes en la señal de corriente.

CONSUMO LINEAL

V F

V C

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* Efecto de la caída de tensión, sobre V Carga

COSUMO NO LINEAL

Se asume un 10% de caída de tensión en los conductores de la instalación

Consumo No lineal

Armónicas de 3º y 5º orden, presentes en la señal de corriente.

CONSUMO NO LINEAL

VF

VC

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* Efecto de la caída de tensión , sobre V Carga

COSUMO NO LINEAL

Se asume un 2% de caída de tensión en los conductores de la instalación

Consumo No lineal

Armónicas de 3º y 5º orden, presentes en la señal de corriente.


CONSUMO NO LINEAL

VF

VC

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CLASIFICACIÓN DE LOS ARMONICOS

En conclusión TIENEN:Nombre,Frecuencia y secuencia

NOMBRE F 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º 9ºFRECUENCIA 60 120 180 240 300 360 420 480 540SECUENCIA + - 0 + - 0 + - 0

*Los Armónicos desaparecen cuando son simétricos

Secuencia Rotación Efecto En Motores Efectos En El SistemaPositiva Directa(RST) Crea un CM de rot directa CalentamientoNegativa Inversa(RTS) Crea un CM de rot. Inversa CalentamientoCero Ninguna Ninguno Calentamiento

Crea una corriente en el neutro (TRIPLENS)

Efecto de los armónicos en la instalación eléctrica

Las instalaciones eléctricas industriales se ven afectados por las corrientes y tensiones

armónicas así como existe influencia en equipos de medición control y protección.

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11/12/2014 57



Efecto en motores :

Funcionamiento irregular enMáquinas Eléctricasincrementándose las pérdidas porcalentamiento en el núcleo(histéresis y corrientes parásitas).

Bajo torque de partida, enMotores de gran potencia.

El flujo de las corrientesarmónicas de secuencia negativa:5th,11th etc, producen frenado enlos motores AC creando vibracióne inestabilidad mecánica.

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Efecto en grupos electrógenos :

Los generadores al serdimensionados para la cargason muy susceptibles decalentamientos por lapresencia de armónicos porlo que debensobredimensionados.

Efecto en tableros

Éstos son diseñados parala frecuencia fundamental, ypueden presentarresonancia mecánicadebido a camposmagnéticos producidos porlas corrientes armónicas.

y empieza a vibrar afrecuencias superiores ,frecuencia de losarmónicos.

Efecto en conductores

Las corrientes armónicas producen perdidas en los conductores debido a:

• Perdidas por efecto joule.• Perdidas por efecto pelicular.• Perdidas por efecto de proximidadentre cables, debido alas corrientes parásitas entrecables próximos entre si.

Efecto de los armónicos

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Sin Armónicos la corriente por el neutro es aproximadamente igual a cero.Con Armónicos,en redes de cuatro hilos en el neutro se suman los Armónicos TRIPLENSEl neutro al no tener protección por sobre corriente puede originar incendio.La CBEMA recomienda que el neutro sea el doble de sección de los conductores de fase, para alimentadores de cargas no lineales.

ARMÓNICOS TRIPLENS: Extraños múltiplos impares de la tercera Armónica.( 9º,15º,21º etc.. )

Efecto de los armónicosEfecto en conductores

11/12/2014 62

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• Los elementos térmicos queestán diseñados para sobrecargaactúan debido al incremento de lacorriente armónica.

• Los interruptores electrónicosdetectores de picos reaccionanante los picos de la onda decorriente armónica.

Efecto en interruptores automáticos

• Las corrientes armónicas causaninterferencia en equipostelefónicos, por estar las armónicascercanas a las frecuencias detelefonía.

Efecto en telecomunicaciones

Efecto en equipos de medición

• Las lecturas erróneas de los contadoresde energía calibrados para potenciasenoidal pura• En contadores de inducción presentanmayor consumo, por ejemplo un contadorclase 2 dará un error suplementario de0,3% con una tasa del 5% para el 5toarmónico de I y U.

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Efecto en transformadores

• Los transformadores estándares estándiseñados para operar a frecuencia 60HZ. Por lo que no trabajan en lapresencia de armónicos.•Las terceras armónicas crean perdidasen el hierro del núcleo, debido a lascorrientes parásitas y causan saturacióndel núcleo.•Todo ello conlleva a temperaturas altas,degradación del aislamiento ydisminución de la vida util.•Por lo que es necesario ante lapresencia de armónicos descalificarlo.

Se refleja la corriente Armónica TRIPLENS en el primario del transformador y origina calentamiento en el núcleo.

PRIMARIO 10kV SECUNDARIO 220 V

IR

IS

IN

IT

IN

Efecto en transformadores

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11/12/2014 67

Efectos térmicos

Transformador normal

Cargados al 100 %Con armónicas

Transformador especial para armónicas

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Factor K para transformadores

Este factor “K” se define como aquel valornumérico que representa losposibles efectos de calentamiento de unacarga no lineal sobre el transformador.

La potencia asignada del transformadorque se use debe ser igual o mayor que lapotencia equivalente. En el caso en que untransformador en servicio se desee cargarposteriormente con corrientes armónicasun factor reductor de 1/K debe seraplicado a la potencia asignada.

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Efecto en capacitores

• Se origina incremento de lacorriente en los capacitores por lapresencia de armónicos , debido aque la corriente y la frecuencia en uncondensador son directamenteproporcionales.•Estas corrientes altas destruyenfusibles, interruptores y al mismocapacitor y erróneamente los fusiblesson reemplazados por uno de mayorcapacidad, sin revisar el problema defondo.

CfX

CfUX

UI

c

cc

...2

1

...2.


• La presencia de distorsión de laonda de tensión, origina perdidasadicionales en los condensadores

n. armonica tensión la de eficaz valor

2W

perdidas defactor el es tan

.tan.perdidas

n

1

2

n

n

n nn

V

f

WRC

VWC

37


• La potencia reactiva de diseñoincluyendo la fundamental y la de losarmónicos no debe exceder lapotencia reactiva nominal, se calculasegún:

1n nQQ


• La existencia de resonanciaserie o paralelo, pueden causarsobre tensiones y sobreintensidades que aumentaconsiderablemente las perdidasy sobrecalentamiento de loscondensadores.

• En el diseño del condensadorhay que tener en cuenta toda lasposibilidades de resonancia enla red.

Z

Z

Zth

UthZinst Xc

redores

co

cc

fhf

Sb

Sh

0

38


Los condensadores se fabrican de acuerdoa normas que limitan la sobre intensidadlos valores típicos son:

1. 15% en el Reino Unido.2. 30% en Europa.3. 80% en USA.

• En muchas ocasiones se ha observadofallos de condensadores que trabajanpor encima de estos valores.

Flujo normal de corriente a frecuencia fundamental

39

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Flujo normal de corriente a frecuencia armónica

Flujo normal de corriente a frecuencia armónica

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Condición de resonancia paralelo

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Sec. do trafo BancoCapacitivo

OutrasCargas

0,25 I h.

0,75 IhPCC .

I : fonteh

.

decorrente

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Resultado del banco de capacitores en la resonancia serie

Capacitores y efectos de las resonancias

42

Característica típica de un sistema de distribución

Instalación eléctrica típica de utilización

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Corriente de quinta armónica fluyendo en la red de transmisión

1

2 3 4

5

6

7 8

9

10

11

345 KV

0.07 -161.7 0.07 -161.7

4.56 -22.6

5.25 21.01 2.92 125.5 4.25 -29.9

10 AMP INYECCIÓN A CERO GRADOS

230 KV

3.91 173.1 3.91 -6.9

2.91 -47

8.45 153.7 8.71 153.4

5.11 -21.4 1.68 126.1 1.68 -53.9 4.82 162.1 4.82 -18

5.36 -21.8 3.60 -2.0

Flujo de Corriente de Quinto Armónico en una Red de Transmisión debido a la Inyección de 10 A en la Barra 7

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Efecto en equipos de Protección

Los armónicos pueden afectar elfuncionamiento de los relees deprotección, dependiendo de su diseño yprincipio de funcionamiento. Lapresencia de armónicos afecta,especialmente, a sistemas de proteccióndigitales basados en muestreo deinformación y en los cruces por cero delas señales de tensión o corriente.

EC

REL 561

TX

Efecto en equipos de Protección

En la actualidad no existen normas conindicación de los niveles de armónicosque deben soportar los relees, fusibles ydisyuntores.

La respuesta de relees a señalesdistorsionadas varia, incluso, entreunidades de idénticas característicasnominales de distintos fabricantes o dedistintos lotes de fabricación.

armónicos en sep - osinergminorienta.gob.pe4.pdf · frecuencia) como en otros pequeÑos, pero muy...

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