La Importancia de Entender a los Armónicos, en los sistemas actuales.

 Como se mencionó recientemente, los problemas por distorsión armónica no son nuevos ni para las compañías de distribución eléctrica ni para los sistemas industriales. De hecho, la distorsión fue observada por los operadores de las compañías de distribución a principios de la primera década de este siglo. Típicamente, la distorsión era ocasionada por cargas no lineales conectadas a la red de distribución. 

 Sin embargo, hoy día son necesarios ciertos métodos para reducir los armónicos, debido a tres razones principales:

 1. La proliferación en el uso de los convertidores estáticos de potencia.

2. Las resonancias de red han aumentado.

3. Las cargas del sistema de potencia son cada vez más sensibles al armónico. 

 La introducción de convertidores de potencia confiables y eficientes ha ocasionado un aumento elevado en el número de dispositivos generadores de armónicas  lo que ha resultado en su dispersión sobre todo el sistema de potencia. El término " convertidor estático de potencia ", como se usa en este texto, se refiere al dispositivo semiconductor que convierte potencia de una frecuencia en potencia de otra frecuencia. Los tipos de convertidores mas comunes en la industria son el rectificador, convertidor de potencia ac en dc, y el inversor que convierte de potencia dc a ac.

 Además, el problema de los armónicos es agravado frecuentemente por la tendencia actual de instalar condensadores para mejorar el factor de potencia o regular el voltaje. Debido a que los capacitores se instalan en paralelo con la inductancia de el sistema de potencia, como se muestra en la Figura 3, puede producirse una condición resonante a la frecuencia dada por: 

 

donde L representa la inductancia del sistema de potencia, y la C representa la capacitancia del capacitor instalado. 

Figura 3. Excitación de un Circuito resonante en Paralelo

Si una corriente armónica es inyectada (desde un convertidor estático de potencia, por ejemplo) con una frecuencia cercana a la frecuencia resonante, puede entonces circular una alta corriente oscilante, la que podría quemar el fusible de los condensadores y producir voltajes armónicos altos.

Además del aumento en los generadores de armónicas y la resonancia de la red, las cargas y los sistemas eléctricos no se han quedado atrás, y en algunos casos son aun más sensibles a los armónicos. Hay un número de nuevas áreas de interés continuo:  

1. Computadoras, la computadora controla herramientas, máquinas, y los diversos tipos de controladores digitales los cuales son especialmente susceptibles al armónico, así como también a otros tipos de interferencia.

2. El armónicos puede ocasionar daños calentando el dialéctico en cables subterráneos.

3. La medición de reactivos puede ser adversamente afectada por los armónicos.

4. Las fallas en bancos de capacitores son frecuentemente ocasionadas por los armónicos.

5. Diseños menos conservadores para máquinas de rotación y transformadores, agravan los problemas de calentamiento ocasionados por los armónicos.

6. Los armónicos puede ser especialmente problemáticos para los sistemas de comunicación. 

 Los actuales problemas de armónicos pueden tener más consecuencias serias y generalizadas que en el pasado. Los diseñadores y los proyectistas de sistemas deberían ser capaces de reconocer y evitar o mitigar tales problemas. 

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 Los efectos de los Armónicos

 Los efectos de los armónicos se dividen en tres categorías generales: 

1. Efectos sobre el sistema de potencia mismo

2. Efectos sobre la carga del consumidor

3. Efectos sobre circuitos de comunicación

 En el sistema de potencia, las corrientes armónicas son el problema principal, ocasionando recalentamiento y pérdida de vida útil. Esto refiriéndonos a motores o transformadores. El impacto es peor cuando la resonancia de la red amplifica las corrientes armónicas. Los armónicos pueden también interferir en la operación de relees y mediciones. 

 Los armónicos pueden ocasionar también errores de disparo a los tiristores en equipos convertidores y en instalaciones SVC, inexactitudes en las mediciones, y falsos disparos en los dispositivos de protección. El desempeño de los equipos de los consumidores, tales  como controladores de velocidad de motores y fuentes de alimentación de computadoras, pueden ser adversamente afectado por los armónicos. Además, las corrientes armónicas que fluyen sobre las líneas de potencia pueden inducir ruido sobre líneas cercanas de comunicación. 

 La distorsión armónica de voltaje puede ocasionar esfuerzos en el aislamiento de equipos, particularmente en condensadores. Cuando los armónicos deforman el voltaje en el banco de condensadores, el voltaje pico puede ser lo suficientemente alto como para ocasionar una descarga parcial, o efecto corona, dentro de el dieléctrico del condensador. Esto puede producir eventualmente un cortocircuito entre bornes y carcasa y hacer fallar al condensador.

 Las corrientes armónicas altas también ocasionan el disparo de fusibles en bancos de condensadores. Esto ocasiona la pérdida de una fuente de alimentación reactiva al sistema, lo que puede ocasionar otros problemas. 

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 Las Fuentes de Armónicos

 Los armónicos son ocasionados por cargas no lineales conectadas al sistema de potencia. Las cargas no lineales producen corrientes no sinusoidales. Los resistores, inductores, y los condensadores son dispositivos lineales. Cuando se conecta una carga resistiva en el sistema de potencia AC, se obtiene una corriente sinusoidal. Cuando se conecta una carga inductiva, se observan corrientes sinusoidales aunque con fase diferente a la carga resistiva. Hay muchos tipos de cargas no lineales que producen armónicos. La fuente más grande de armónicos son los convertidores. Los convertidores oscilan desde enormes subestaciones inversoras de 1000 MW para líneas HVDC (High Voltage DC) hasta rectificadores de 75 W encontrados en una televisión. Las otras fuentes no lineales de armónicos incluyen dispositivos de arco tales como hornos de arco, impedancia magnetizante de transformadores, y luces fluorescentes. La corriente armónica ocasionada por las fuentes no lineales pueden ocasionar la distorsión armónica en el voltaje del sistema, lo que puede ocasionar problemas para otros dispositivos. La Figura 4 muestra mediciones para formas de onda de corriente y espectros armónicas para varias fuentes armónicas comunes.   

Los Convertidores Estáticos de Poder

 La mayor aplicación de los convertidores estáticos está en los dispositivos variadores de velocidad para el control de motores. Estos dispositivos (drive) estáticos se usan ahora en todos los motores industriales, ofreciendo mayor eficiencia, mejor control de la velocidad, y mayor operación libre de mantenimiento que otros dispositivos convencionales.

Los convertidores usan dispositivos de “switcheo” de estado sólido para convertir la potencia de una frecuencia a otra (comúnmente entre CA y CC). Estos dispositivos de “switcheo” pueden ser diodos, tiristores, GTO, o muchos otros dispositivos de electrónica de potencia. 

 

                 

       Figura 4. Ejemplo de las formas de onda desde varias fuentes comunes. 

 

Se muestra la salida de un rectificador monofásico de onda completa, para ilustrar como los dispositivos de “switcheo” producen armónicos. Los rectificadores de onda completa son muy comunes en pequeños equipos electrónicos (TVs, computadoras, stereos, etc). El rectificador monofásico para corriente DC se observa en la Figura 5. Los diodos actuan para cortar la mitad negativa de la onda sinusoidal. El condensador trata de retener el voltaje al pico. Dos veces por ciclo, el condensador se carga, y esta es la única vez en que el rectificador dibuja la forma real de la corriente del sistema. Por lo tanto, la corriente de carga se obtiene como la  suma de pulsos tal y como se observa en la Figura 6. 

 

Figura 5. Rectificador monofásico de onda completa

 

Figura 6. Voltaje y Corriente AC a través de la Carga en un rectificador de onda completa.

   

Figura 7. Corriente AC obtenida de un equipo común.