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¿SABE
COMO SOLUCIONAR LOS PROBLEMAS ORIGINADOS POR LAS
ARMONICAS?
CONTENIDO
GUIA
DE CALIDAD DE ENERGIA ELECTRICA
¿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.
¿
QUE
SON LAS ARMONICAS?
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 en Lima).
Generalmente
se presentan simultáneamente varias ondas de diferentes
frecuencias, que modifican o distorsionan la señal
inicial.
¿CUALES
SON LAS 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.
LAS
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.
-
Ruído en el instante que la Tensión Senoidal es
cero
LAS
CORRIENTES ARMONICAS QUE AFECTAN A LA FUENTE DE
ALIMENTACION ORIGINAN
-
Una caída de tensión proporcional a la magnitud y
a la frecuencia de la corriente armónica inyectada
por los usuarios.
-
Una distorsión de tensión que es inversamente
proporcional al tamaño del transformador de
alimentación (en transformadores grandes se puede
permitir una mayor cantidad de corrientes armónicas
que en uno más pequeño)
EJEMPLOS
| Tipo
de Carga |
Armónicas
generadas |
Comentarios |
| Soldadura
Arco |
3
(56%), 5 y 7 (9%) |
Corriente
con muchas Armónicas |
| Hornos
Arco Corriente Alterna |
Espectro
variable inestable |
No
lineal asimétrico |
| Cicloconvertidores |
Variables |
- |
| Reguladores
por Ancho de Pulso |
Variables |
Convertidor
Continua - Alterna |
EFECTOS
| Efectos
de las Armónicas |
Causas |
Consecuencias |
| Conductores |
Las
intensidades armónicas provocan el aumento del
Valor Cuadrático Medio de la Corriente.
El
“Efecto Piel” reduce la sección efectiva de los
conductores a medida que aumenta la frecuencia. |
Disparos
intempestivos de las protecciones
Sobre-
calentamiento
de los conductores |
| Conductor
Neutro |
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. |
| Condensadores |
Disminución
de la impedancia del condensador con el aumento de
la frecuencia. |
Envejecimiento
prematuro, amplificación de los armónicos
existentes. |
| Transformadores |
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. |
Aumento
de los calentamientos por efecto Joule en los
devanados.
Aumento
de las pérdidas en el hierro del transformador y
disminución del rendimiento. |
| Motores |
Análogas
a las de los transformadores y generación de un
campo adicional al principal |
Análogas
a las de los transformadores más vibraciones mecánicas
anormales. |
¿COMO
ENFRENTAR LOS PROBLEMAS?
CONDUCTORES
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 sobre calentamiento.
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 de mayor dimensión
y tamaño 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, entre
el neutro y la tierra, mayores de lo normal.
Solución:
Se recomienda que el tamaño del conductor neutro sea
el doble que el del conductor de fase cuando los circuitos
alimentan cargas no lineales. Opcionalmente debe proveerse
un conductor neutro aparte para cada fase. Asimismo, otra
alternativa para bloquear el flujo de armónicas que
tienden a circular por el neutro es utilizar
transformadores con conexión delta - estrella.
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
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, en el motor, y tienden
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%.
OTRAS
RECOMENDACIONES PARA 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.
La
“Calidad de Energía” que se debe procurar en toda
instalación eléctrica, se logra con un diseño adecuado
en el cuál se debe contemplar la instalación de
conductores eléctricos de cobre de un calibre mayor al
especificado, con lo cuál, frente a un incremento de la
carga que soporta el sistema, se evitan los problemas que
resultan de la generación de armónicas.
Por todo
lo expuesto, queda claro que el uso de equipos
electrónicos modernos que nos ofrecen simplificación en
nuestras tareas, aumentan nuestra producción y mejoran
nuestra calidad de vida, también provocan deformaciones
de la onda de las instalaciones eléctricas llamadas armónicas
de tensión y corriente. Por lo que con el fin de
disminuir los gastos y pérdidas de operación de la
instalación eléctrica construida, debemos de seguir las
recomendaciones anteriores.
Fuente:
Copper Development Association - South East Asia
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