Introducción a los armónicos:efecto de los armónicos en el sistema de potencia

Qué son los armónicos y cómo filtrarlos y eliminarlos.

(Manuel Bolotinha)

Introducción a los armónicos

La calidad del suministro de energía eléctrica es un tema importante tanto para las empresas de servicios públicos como para los usuarios, pero esa calidad puede verse afectada por perturbaciones electromagnéticas .

Entre estas perturbaciones hay que destacar armónicos eso sucede en todos los niveles de voltaje y cuyo estudio, cálculo de valores aceptables y métodos de corrección se definen en IEC ^[1] Norma 61000-2-4: Compatibilidad electromagnética (CEM) ^[2] – Medio ambiente – Niveles de compatibilidad en industrial plantas para perturbaciones conducidas de baja frecuencia .

¿Qué son los armónicos?

Los alternadores producen voltajes alternos (V ) y corrientes (yo ) con una forma de onda sinusoidal y una frecuencia (f ) de 50 Hz o 60 Hz (esta frecuencia, el primer armónico , generalmente se designa por frecuencia industrial o fundamental ), lo que se puede observar en la Figura 1.

Figura 1:voltaje alterno sinusoidal

Sin embargo, debido a algunas características de los equipos , que se instalan en la red, tensiones y/o corrientes con diferentes frecuencias , múltiplos enteros impares de frecuencia industrial , pueden ser inducidos en la red, los armónicos , i. ej.:3er armónico – 150 Hz o 180 Hz; quinto armónico – 250 Hz o 300 Hz; 7º armónico – 350 Hz o 420 Hz; etc.

Podemos decir entonces que armónicos son perturbaciones continuas (de estado estacionario) o distorsiones en la red eléctrica y son un tema o problema completamente diferente de picos de línea, sobretensiones, caídas, impulsos, etc., que se clasifican como perturbaciones transitorias .

La figura 2 muestra ejemplos de 1.er armónico, 3.er armónico y 5.º armónico.

Figura 2:Ondas fundamentales, 3.º armónico y 5.º armónico

La presencia de armónicos da origen a una onda distorsionada de voltaje (o actual ) que se puede observar en la Figura 3, teniendo en cuenta que todas las formas de onda complejas se puede resolver en una serie de ondas sinusoidales de varias frecuencias , por lo tanto, cualquier forma de onda compleja es la suma de una serie de armónicos de menor o mayor valor .

Serie de Fourier ^[3] expresa el valor instantáneo de esa suma – u(t) – por la ecuación:Dónde :

• t es el momento [s ]
• ω =2πf [s ^-1 ]
• T es el punto [s]
• f₀ es la frecuencia fundamental [Hz ]
• s(t) es una función periódica integrable en el intervalo [0, T]

Figura 3 – Distorsión armónica

Por lo general, 3er armónico es el más dañino , pero en ciertas condiciones, 5° y 7° armónicos no se puede pasar por alto .

Distorsión Armónica

Según Estándar IEC 61000-2-4 distorsión armónica se caracteriza por el parámetro THD – Distorsión armónica total – calculado por la ecuación:

Donde Q₁ representa el valor rms del voltaje o de la actual a frecuencia industrial y Q_i la onda armónica de orden “ yo ” (2do armónico – i=2; 3er armónico i=3; etc.) de la tensión o de la corriente.

La misma norma IEC define también los siguientes parámetros:

• TDC (Contenido armónico total ), cuyo valor rms se calcula por la ecuación:

Donde Q₁ representa el valor rms del voltaje o de la actual a frecuencia industrial y P el valor rms del voltaje o de la actual .

• TDR (Relación armónica total ) – relación entre el valor rms de TDC y el valor rms del voltaje o de la actual a frecuencia industrial (P₁ ), que se calcula mediante la ecuación:

Por lo general, los cálculos se realizan para el voltaje , considerando la potencia mínima trifásica de cortocircuito (S”_K ) de la red y valores máximos (en Ω ) de impedancia de cortocircuito en los puntos donde THD se calcula (Z_K; R_K; X_K ^[4] ); un software específico se requiere para hacer estos cálculos.

El estándar IEC mencionado anteriormente define 3 clases para entorno electromagnético ^[5] :

1. Clase 1 :esta clase se aplica a los suministros protegidos y tiene niveles de compatibilidad inferiores a los de las redes públicas. Se relaciona con el uso de equipos muy sensibles a las perturbaciones en el suministro de energía, por ejemplo, instrumentación eléctrica en laboratorios, algunos equipos de automatización y protección, algunas computadoras, etc.
2. Clase 2 :esta clase se aplica generalmente a PCC ^[6] y al IPC ^[7] en los entornos de suministros de energía industriales y otros no públicos. Los niveles de compatibilidad de esta clase son generalmente idénticos a los de las redes públicas. Por lo tanto, los componentes diseñados para el suministro de redes públicas pueden utilizarse en esta clase de entorno industrial.
3. Clase 3 :Esta clase se aplica solo a IPC en entornos industriales. Tiene niveles de compatibilidad superiores a los de clase 2 para algunos fenómenos de perturbación. Por ejemplo, esta clase debe considerarse cuando se cumple cualquiera de las siguientes condiciones:una parte importante de la carga se alimenta a través de convertidores; las máquinas de soldar están presentes; los motores grandes se ponen en marcha con frecuencia; las cargas varían rápidamente.

Armónico compatibilidad niveles ^[8] (U_h [%] ) para frecuencias impares múltiplos de 3 se indican en la Tabla 1 y para frecuencias impares no múltiplos de 3 se indican en la Tabla 2.

Tabla 1:niveles de compatibilidad armónica para frecuencias impares múltiplos de 3

Tabla 2 – Niveles de compatibilidad armónica para frecuencias impares múltiplos de 3

Niveles de compatibilidad de THD para cada una de las clases son:

• Clase 1:5 % .
• Clase 2:8 % .
• Clase 3:10 % .

Fuentes y efectos de los armónicos

Los armónicos son una fuente permanente de problemas en los equipos y sistemas eléctricos.

Los siguientes tipos de cargas (cargas no lineales ^[9] ) son las principales fuentes de armónicos:

• Equipos electrónicos de potencia (ejemplo:rectificadores, es decir, los que se utilizan en sistemas de tracción eléctrica – y convertidores estáticos).
• Equipo de arco (ejemplo:hornos de arco, AC o CC, máquinas de soldadura por arco ).
• Dispositivos saturables (ejemplo:onda de corriente sin carga absorbida por un transformador con una potencia nominal insuficiente).

Para minimizar la generación de armónicos unidades rectificadoras son preferentemente de seis pulsos y este tipo de unidades para sistemas de tracción eléctrica normalmente genera armónicos de corriente de 5°, 7°, 17° y 19° orden , resultante del desequilibrio de los diodos y de impedancia de red .

Aunque de menor magnitud , en condiciones normales de trabajo de los equipos y de la red , hay que tener en cuenta el riesgo de resonancia para esas frecuencias .

Operaciones de cambio de bancos de condensadores y transformadores de potencia con una sobrecarga permanente también son una fuente importante de armónicos .

Transformadores de potencia para voltajes por encima de 60 kV con conexión estrella-estrella (Yy ) son igualmente una fuente armónica . Para compensar esos armónicos, los referidos transformadores de potencia debe tener un devanado terciario, conectado en triángulo .

Aparte de la distorsión de la onda de voltaje , armónicos son origen de operación errónea de sistemas de control y protección, debido a interferencias electromagnéticas , aumentar el efecto piel ^[10] , causar oscilación mecánica y vibraciones de máquinas eléctricas, a saber, transformadores de potencia y máquinas rotativas, disminuir el factor de potencia (cos Φ ), conducen al envejecimiento prematuro de los materiales de aislamiento , provocando la pérdida de sus características dieléctricas , origen sobrecalentamiento y aumento de pérdidas , a saber, transformadores de potencia y cables, y disminución de la vida útil de los equipos .

Armónicos , que son la causa de la distorsión de la onda de tensión , circulando en cargas no lineales , como motores , cuando se somete a un flujo magnético variable , inducir corrientes circulantes (Corrientes de Foucault ) en materiales conductores, lo que disminuye el par .

En sistemas desequilibrados , armónicos puede causar una corriente neutra más alto que la suma vectorial de corrientes de fase a frecuencia fundamental , provocando una sobrecarga en el conductor neutro .

Efecto piel aumenta resistencia de los conductores y por tanto caída de tensión y pérdidas por efecto Joule . Este problema es particularmente sensible en líneas aéreas con un voltaje por encima de 150 kV y una longitud de 800 km y más . La solución común para resolver este problema es usar DC líneas aéreas , en el que efecto piel no existe .

Oscilación mecánica y vibraciones de las máquinas eléctricas rotativas puede originar desalineación del eje y destrucción de estator, rotor y cojinetes .

Aumento de pérdidas en transformadores de potencia, ocurre en pérdidas de hierro , debido a las corrientes de Foucault e histéresis ^[11] , que son proporcionales a la frecuencia y en pérdidas de cobre , debido al efecto piel .

Compensación de armónicos y tipos de filtros

Cuando bancos de capacitores se utilizan para la corrección del factor de potencia , un componente de armónicos significativo fluye hacia el banco de condensadores; en estas situaciones es necesario apagar temporalmente el banco de condensadores para permitir una ubicación precisa de las fuentes de armónicos .

En tal instalación es crucial para verificar si existe algún riesgo de resonancia armónica causado por los armónicos específicos del banco de capacitores . Este es el primer paso para definir la solución correcta para compensación armónica .

Una vez confirmada la existencia de armónicos y ese valor THD excede el límite definido por el estándar IEC 61000-2-4 y/o establecido por la empresa de servicios públicos es obligatorio proceder a la compensación armónica; la solución a implementar depende de las características de la instalación .

La solución más sencilla, utilizada en baja tensión (V ≤ 1 kV ) instalaciones, es el uso de bobinas de cobre (ver Figura 4) que actúan como filtro de alta frecuencia , limitar la corriente de arranque de los rectificadores y restringir la interferencia mutua .

Figura 4:Reactancia para compensación armónica

La inductancia (L ) de cada fase se calcula mediante la ecuación:Dónde:

• ΔV_L yo s la caída de tensión interna de la reactancia [% ]
• V_n es la tensión fase a fase de la red [V ]
• f_n es la frecuencia industrial de la red [Hz ]
• Yo_n es el actual [A ]

En redes e instalaciones con una fuerte contaminación eléctrica (nivel de armónicos más alto ), donde G_h /S_n> 60% (G_h es la potencia aparente de todas las cargas no lineales responsable de la producción de armónicos y S_n es la potencia aparente de todos los transformadores aguas arriba conectado a la misma barra colectora donde se conectan las cargas ) se recomienda instalar filtros de armónicos , como el que se muestra en la Figura 5).

Figura 5:filtro de armónicos

Compensación de armónicos puede ser centralizado , con filtros armónicos conectado en el cuadro principal de entrada , o descentralizado o local , instalando los filtros de armónicos cerca de los equipos que son las principales fuentes de armónicos . Ambas soluciones se muestran en la Figura 6.

Figura 6:Ubicación de los filtros de armónicos

Los filtros de armónicos se clasifican en tres categorías:

Filtros pasivos

Están constituidos por circuitos de asociación en serie LC , sintonizado para cada una de las frecuencias que están diseñados para compensar , normalmente 5.°, 7.° y 11.° armónicos . Sus principales características son:

• No hay límite de armónicos a la corriente a eliminar.
• Realizan la corrección del factor de potencia.
• Corren el riesgo de amplificar armónicos cuando hay modificaciones en la red.
• Existe un riesgo de sobrecarga, causado por la contaminación electromagnética externa.

Filtros activos

Están constituidos por unidades electrónicas y microprocesadas , controlando armónicos dentro de un rango entre 2° y 50° orden; para cada rango de frecuencia se genera una actual , que tiene un cambio de fase de 180° y el mismo valor de la corriente armónica a compensar .

Este tipo de filtros se adapta bien a modificaciones de la red, de las cargas y del rango armónico , siendo particularmente adecuado para compensación descentralizada o local .

Filtros híbridos

Estos son una combinación de filtros activos y pasivos , controlando armónicos dentro de un rango entre 2° y 25° orden , haciendo también corrección del factor de potencia .

Bueno saber:

Es bueno saberlo:

^[1] IEC :International Electrotechnical Comission.

^[2] Electromagnetic compatibility is defined as the capability of electrical equipments to worker properly in a “electromagnetic environment” without introducing any type of electromagnetic disturbances in other equipments and systems that may exist in that environment.

^[3] Fourier series are converging trigonometric series used to represent the sum of sinusoidal functions .

^[4] If the values of R_K e X_K of the network it is usual to consider, as an approximation, R_K /X_K =0.1 and the equation

Z_K =√(R_K ² +X_K ² ).

^[5] The definition of the classes is a transcription of IEC Standard 61000-2-4 .

^[6] PCC :Point on a public power supply network, electrically nearest to a particular load, at which other loads are, or could be, connected.

^[7] IPC :Point on a network inside a system or an installation, electrically nearest to a particular load, at which other loads are, or could be, connected.

^[8] Compatibility level defines the specified electromagnetic disturbance level used as a reference level in a specified environment for coordination in the setting of emission and immunity limits.

^[9] A load is said non-linear if its impedance vary with applied voltage .

^[10] Skin effect is a phenomenon that can be characterized by the repulsion of electromagnetic current lines, which consequence is a tendency for AC current to flow only at the surface of conductors.

^[11] Hysteresis is the by which, when magnetic field is applied to a ferromagnetic material , as the core of the transformers , the material stays permanently magnetized , even if the magnetic field is not present.

About the Author:Manuel Bolotinha

-Licentiate Degree in Electrical Engineering – Energy and Power Systems (1974 – Instituto Superior Técnico/University of Lisbon)
– Master Degree in Electrical and Computers Engineering (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova University of Lisbon)
– Senior Consultant in Substations and Power Systems; Professional Instructor