Introducción a los armónicos:Parte 1

Colin Hargis, ingeniero jefe de Control Techniques, ofrece una introducción a los armónicos en este blog de dos partes. La segunda parte está disponible aquí.

Este blog es una introducción al tema de los armónicos de potencia eléctrica, con especial referencia a los convertidores de frecuencia de velocidad variable. Su objetivo es explicar qué son y qué hacen en términos sencillos, y distinguirlos de otros efectos de compatibilidad electromagnética (EMC), como la interferencia de radiofrecuencia y el "ruido" eléctrico.

Para simplificar, los ejemplos en su mayoría asumen una frecuencia de suministro de 50 Hz. Si trabaja en un área que utiliza 60 Hz, deberá escalar las frecuencias adecuadamente.

¿Introducción a los armónicos?

Un armónico de una función periódica tiene una frecuencia que es múltiplo entero de la de la función (que es la fundamental). En ingeniería de energía eléctrica, esta idea se utiliza principalmente para ayudar a comprender el efecto de las cargas de potencia no lineales, donde la fuente de voltaje es sinusoidal pero la corriente está distorsionada, aunque aún con el mismo período. Utilizando el concepto de la Serie de Fourier, podemos representar una forma de onda periódica distorsionada como la suma de varios armónicos.

Por ejemplo, un puente rectificador monofásico simple consume una corriente que es una serie de pulsos cortos en los picos de voltaje, como se muestra en la Figura 1;

Figura 1:Forma de onda actual para puente rectificador monofásico simple

La corriente se puede analizar en sus frecuencias constituyentes. Comprende una serie de armónicos de orden impar como se muestra en la Figura 2;

Figura 2:Análisis de frecuencia de la corriente en la Figura 1

El beneficio de este análisis es que el comportamiento de los componentes eléctricos es más fácil de entender y definir en términos de frecuencias sinusoidales específicas.

En este caso, con una frecuencia de red de 50 Hz se puede observar que las corrientes armónicas hasta órdenes de unos 30, es decir 1500 Hz, son bastante importantes. Más allá de eso, disminuyen rápidamente. Los armónicos de orden inferior de los órdenes 3, 5, 7 y 9 tienen una amplitud realmente alta y no son mucho menores que la fundamental (50 Hz).

Si los semiciclos negativos y positivos tienen la misma forma, solo están presentes los armónicos impares. En los circuitos de potencia trifásicos, los armónicos triple-n (3, 6, 9, 12, etc.) también están ausentes, porque son cofasales, y las corrientes cofasales están bloqueadas en un circuito de tres hilos.

Definición estricta y definición de trabajo para armónicos. Interarmónicos.

Un armónico verdadero solo puede tener una frecuencia que sea un múltiplo entero exacto de la fundamental. La mayoría de los dispositivos no lineales simples, como los rectificadores y los componentes magnéticos con núcleo de hierro, generan corrientes armónicas verdaderas.

En los circuitos electrónicos de potencia modernos que usan conmutación activa, que pueden no estar sincronizados con la frecuencia de suministro, pueden estar presentes nuevas frecuencias que no son verdaderos armónicos. Por ejemplo, como ilustró en los Blogs número 4 y 5 sobre variadores regenerativos, un inversor que opera con una frecuencia de conmutación de 4 kHz con un suministro de 60 Hz genera corrientes a frecuencias de 3880 Hz y 4120 Hz, así como muchas otras, que son no son múltiplos enteros de 60 Hz y por lo tanto no son verdaderos armónicos. El término correcto para estos es Interarmónicos . Siguen siendo frecuencias no deseadas y algunos de sus efectos son los mismos que para los armónicos, por lo que, en general, pueden denominarse simplemente "armónicos". Esto puede causar confusión, por lo que es mejor dejar claro si estamos hablando de armónicos verdaderos o de todo tipo de distorsión.

¿Qué efecto tienen?

Volviendo a las Figuras 1 y 2, tenemos un rectificador conectado a la red eléctrica. La alimentación es sinusoidal y tiene una única frecuencia de 50 Hz. El rectificador genera corrientes armónicas que fluyen en el suministro. El rectificador es una fuente de corriente en las frecuencias armónicas, que se devuelven al suministro y se distribuyen por todo el sistema de energía. La figura 3 ilustra esto. La corriente armónica es emitida por la carga y provoca un voltaje armónico en la impedancia de fuente del suministro. El voltaje lo experimentan otros usuarios de energía conectados al mismo punto de acoplamiento común (PCC).

Figura 3:Propagación de armónicos en la red eléctrica

Los armónicos tienen frecuencias que van desde 100 Hz hasta aproximadamente 2500 Hz (generalmente nos detenemos en el orden 50, pero algunas autoridades miran 100 o incluso 200. El estándar para las mediciones de armónicos se detiene en 9 kHz). El primer punto interesante es que se trata de frecuencias muy bajas en el espectro electromagnético. Esto se ilustra en el espectro que se muestra en la Figura 4;

Figura 4:Espectro electromagnético simplificado que muestra la posición de los armónicos de potencia

Generalmente se considera que la "frecuencia de radio" comienza en 9 kHz y, de hecho, hay muy pocas aplicaciones de radio por debajo de los 100 kHz debido a la dificultad de generar una onda electromagnética útil. Esto significa que los armónicos no se propagan como ondas y solo viajan por conducción alrededor del cableado del sistema de potencia. No causan interferencia por acoplamiento perdido, solo al ser conducidos a otros equipos a través de los cables de alimentación. La razón por la que deben tenerse en cuenta es que son acumulativos, por lo que un rectificador en un televisor tiene un efecto minúsculo, pero cuando millones de televisores funcionan al mismo tiempo, sus armónicos tienen la misma frecuencia y fase, por lo que se suman. el sistema de poder El efecto general es distorsionar la forma de onda de voltaje sinusoidal. La Figura 5 ilustra el tipo de distorsión de "parte superior plana" causada por los rectificadores;

Figura 5:Distorsión de voltaje causada por armónicos del rectificador

Un nivel moderado de corriente armónica en el sistema de energía no es motivo de preocupación, pero si se vuelve excesivo, pueden surgir problemas. A continuación se enumeran algunos de los posibles efectos de un exceso de armónicos en el sistema de potencia. Todos estos son bastante inusuales, pero si ocurren, pueden ser difíciles y costosos de corregir.

• Aumento del calentamiento de algunos equipos eléctricos sensibles a la frecuencia, especialmente:
  • Condensadores para corrección del factor de potencia
  • Motores de inducción
  • Transformadores
  • Generadores (por ejemplo, pequeños generadores locales, como fuentes de alimentación de respaldo)
• Ruido acústico en transformadores, barras colectoras, etc.
• Errores en el equipo que usa la frecuencia de la red para la temporización (ahora se vuelve poco común)
• Activación no deseada de sistemas UPS que responden a la distorsión de la forma de onda
• Captación de ruido en sistemas de sonido analógicos, p. teatro o iglesia
• Disparo no deseado de los relés de protección del sistema de energía, lo que resulta en la pérdida del suministro público

Las dificultades serias con los armónicos son inusuales, excepto en casos bastante especiales. Un ejemplo es un barco que tiene su propio generador con capacidad de energía limitada y una gran cantidad de unidades u otros rectificadores. Sin embargo, las empresas eléctricas experimentan una acumulación de armónicos de los millones de pequeños electrodomésticos en funcionamiento, y hay lugares donde el quinto armónico en el suministro público está en su valor límite.

“Ruido”

Tenga en cuenta que el efecto de los armónicos no incluye el tipo de perturbación de los circuitos electrónicos generalmente denominado "ruido eléctrico", que tiende a generar ruido y vibraciones en los sistemas de accionamiento analógico y/o errores de datos en los enlaces de datos digitales. Las razones de esto son:

• La frecuencia de los armónicos es demasiado baja para un acoplamiento perdido significativo por inducción entre circuitos eléctricos adyacentes. La mayoría de las interferencias eléctricas son causadas por frecuencias mucho más altas que pueden acoplarse electromagnéticamente o a través de la inductancia parásita de las conexiones a tierra.

Los armónicos se propagan como corrientes en modo serie solo en el circuito de alimentación, es decir, viajan en los conductores de alimentación del sistema de alimentación y no en las conexiones a tierra. El “ruido” de alta frecuencia suele estar en el modo común, es decir, viaja en conductores y el circuito se completa con la tierra. Consulte la Figura 6 para obtener una explicación más detallada;

Figura 6:Modo serie (a) y modo común (b) en un circuito de potencia monofásico

Datos armónicos:entrada y salida, tensión y corriente

Los usuarios de variadores a veces solicitan datos armónicos para un variador. Existe cierta posibilidad de confusión porque pueden referirse a la entrada oa la salida, ya la corriente oa la tensión. La siguiente tabla resume los datos que son relevantes para cada lugar.

A veces, una solicitud de datos de armónicos de salida surge de la experiencia previa de un usuario con variadores de frecuencia de generaciones anteriores que usaban la técnica cuasi-cuadrada y contenían los armónicos no triple-n de la frecuencia de trabajo. Con PWM los armónicos son despreciables.

Para resumir la tabla, los únicos datos de armónicos que son una característica de un modelo de variador en particular son los datos de corriente de entrada. Eso debería estar disponible del proveedor a pedido.

En la parte 2 del blog de armónicos, veremos cómo se miden y evalúan los armónicos, cómo varían con la carga del variador y qué se puede hacer si es necesario reducirlos.