CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA


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1 CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA ARMONICAS FENOMENO PERTURBADOR Alguna vez ha sido testigo de la presencia de distorsión armónica, cortes en el suministro de electricidad, oscilaciones de la tensión, caídas y picos de tensión y fenómenos transitorios Éstas son algunas de las manifestaciones de una mala Calidad de la Energía Eléctrica que se recibe y que originan molestias a los usuarios, disminución de la vida útil de los equipos e incrementos de los costos de producción industriales. ARMONICAS Los armónicos son el resultado de la electrónica moderna. Están presentes donde hay gran número de computadores personales, variadores de velocidad y todo tipo de equipos que usan corriente eléctrica en pulsos de corrientes. Estos equipos están diseñados para requerir corriente durante una porción controlada de tiempo de la onda de voltaje de entrada; mientras esta dramática mejora de eficiencia es causa de armónicos en la corriente de carga. Esto causa sobrecalentamiento de transformadores, neutros, y disparo de circuitos disyuntores (breakers). Si Ud. a prestado atención al sonido de una línea de 60 ciclos habrá escuchado un sonido monótono. Cuando los armónicos están presentes, Ud. escucha un tono diferente, rico en notas altas. Este problema es mucho más notorio cuando puede ver la forma de onda eléctrica. Un voltaje de línea normal de 60 ciclos aparece en el osciloscopio como una onda seno (fig. 1). 1

2 Cuando hay armónicos presentes, la forma de onda aparece distorsionada (fig. 2A y 2B). 2

3 Estas ondas son descritas como No-senosoidal. La forma de onda del voltaje y corriente no son fáciles de describir, se usa el termino "No- Lineal". Se denominan armónicas a las ondas de tensión o de corriente cuyas frecuencias son varias veces mayor que la frecuencia fundamental de la red 60 Hz. Generalmente se presentan simultáneamente varias ondas de diferentes frecuencias, que modifican o distorsionan la señal inicial. 3

4 CAUSAS DE LAS ARMONICAS La generación de armónicas proviene fundamentalmente de las cargas no lineales como por ejemplo los equipos de iluminación fluorescentes, las fuentes de poder que alimentan computadoras, los variadores electrónicos de velocidad de motores eléctricos, los rectificadores, y en general, los equipos de electrónica de potencia. Asimismo, generan armónicas las reactancias saturables, los equipos de soldadura y hornos de arco. ARMONICAS DE CORRIENTE Y TENSION ORIGINAN Efecto superficial en los conductores, pérdidas y calentamientos mayores a lo normal. Sobrecalentamiento de los conductores neutros. Mayores pérdidas por corrientes parásitas en los transformadores. Sobrecarga de los condensadores de corrección del factor de potencia. Disparos intempestivos de los interruptores automáticos. Mayores pérdidas y efectos de vibración en los motores de inducción. Mayor calentamiento en los Transformadores. Ruido en el instante que la Tensión Senoidal es cero 4

5 EJEMPLOS EFECTOS Efectos de las Armónicas Conductores Conductor Neutro Condensadores Transformadores Motores Tipo de Carga Soldadura Arco Armónicas generadas 3 (56%), 5 y 7 (9%) Hornos Arco Espectro Corriente Alterna inestable variable Cicloconvertidores Variables - Reguladores por Variables Ancho de Pulso Causas Comentarios Corriente con muchas Armónicas No asimétrico lineal Convertidor Continua - Alterna Consecuencias Las intensidades armónicas provocan el Disparos aumento del Valor Cuadrático Medio de la intempestivos de las Corriente. protecciones El Efecto Piel reduce la sección efectiva Sobre calentamiento de los conductores a medida que aumenta de los conductores la frecuencia. Aun cuando la carga trifásica esté equilibrada circula corriente por el conductor neutro, causada por la circulación de las armónicas impares múltiplos de 3. Calentamiento y sobreintensidades en el conductor neutro. Disminución de la impedancia Envejecimiento del prematuro, condensador con el aumento de la amplificación de los frecuencia. armónicos existentes. Aumento del Valor Cuadrático Medio de la Corriente. Las pérdidas por Foucault son proporcionales al cuadrado de la frecuencia, las pérdidas por histéresis son proporcionales a la frecuencia. Análogas a las de los transformadores y generación de un campo adicional al principal Aumento de los calentamientos por efecto Joule en los devanados. Aumento de las pérdidas en el hierro del transformador y disminución del rendimiento. Análogas a las de los transformadores más vibraciones mecánicas anormales. 5

6 CONDUCTORES COMO ENFRENTAR LOS PROBLEMAS La presencia de corriente armónicas incrementa el Valor Cuadrático Medio de la Corriente, lo que provoca más pérdidas y sobrecalentamiento. Además, la corriente alterna tiende a fluir hacia la superficie externa de un conductor ( Efecto Piel ), efecto que es más pronunciado a altas frecuencias, lo que ocasiona pérdidas adicionales y sobrecalentamiento. Los interruptores automáticos termo magnéticos comunes, los cuales usan un mecanismo de activación que responde al efecto de calentamiento de la corriente del circuito, podrían activarse debido al sobrecalentamiento causado por las armónicas. Solución: Use conductores eléctricos y barras bien dimensionadas para evitar las pérdidas y activaciones causadas por las armónicas, separe las cargas lineales de las no lineales (que causan armónicas) y reemplace los paneles e interruptores automáticos donde sea necesario. CONDUCTOR NEUTRO En el caso de los circuitos trifásicos con cargas no lineales, las armónicas de orden impar (3ª, 9ª, 15ª, etc.), no se cancelan sino que se suman en el conductor neutro (Fig. 3), por lo que la corriente por el conductor neutro puede ser mayor que la corriente de fase. El peligro consiste en un excesivo sobrecalentamiento del cable neutro, además de causar caídas de voltaje mayores de lo normal. 6

7 CONDENSADORES Se sobrecargan los condensadores de corrección del factor de potencia debido a que las corrientes armónicas fluyen a través de la ruta de baja impedancia de los condensadores en lugar de regresar al transformador de distribución. Además, cuando los condensadores y las inductancias del sistema de distribución de potencia forman un circuito paralelo resonante que tiene una frecuencia de resonancia cercana a una armónica de carga significativa presente, la corriente armónica resultante puede incrementarse sustancialmente sobrecargando los condensadores y haciendo volar los fusibles de los mismos. Solución: Se puede evitar la resonancia añadiendo una inductancia en serie con el condensador para desintonizar la frecuencia de resonancia del sistema o alternativamente instalar una red de corrección kvar diseñada especialmente. TRANSFORMADORES Y MOTORES 7

8 Un transformador alimentando cargas no lineales y un motor alimentado con un voltaje y corriente distorsionado se sobrecalientan debido a las corrientes parásitas y al Efecto Piel. Esto origina pérdidas adicionales en el transformador y el motor tiende a invertir su dirección, reduciendo el torque y ocasionando vibraciones. Solución: En el caso de los transformadores se debe limitar la carga que se les coloca de modo que suministren una potencia menor que la nominal. En el caso de los motores de inducción, separarlos de los circuitos que generan armónicas (mandos de velocidad variable, equipos electrónicos de gran tamaño, etc.). La práctica general es limitar la distorsión total del voltaje por armónicas a un valor menor a 5%. REDUCIR LAS ARMONICAS Las recomendaciones para controlar la magnitud de las corrientes armónicas generadas se pueden resumir en: Uso de filtros pasivos para establecer un camino de baja impedancia para las corrientes armónicas de forma que circulen por el filtro y no por la fuente de alimentación. Uso de filtros activos, que son compensadores activos de armónicos. Uso de transformadores de separación, que separan las armónicas múltiplos de 3 de la fuente de alimentación. Uso de reactores de línea para corriente alterna. Realizar una nueva distribución de cargas y balance eléctrico de la instalación. Mayor dimensionado de los transformadores y cables para disminuir las perturbaciones. Realizar un mantenimiento predictivo de la instalación eléctrica. Separar las cargas lineales de las no lineales. Realizar un monitoreo continuo del sistema. 8

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