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FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE ARMONICAS

Tema relacionado con la calidad de la potencia eléctrica.

Francisco González
Ciudad de Guatemala
Guatemala, C.A.

formacionsiglo21@sistemasrlc.com



PREFACIO

Este libro se ofrece como un texto para estudios a nivel de licenciatura o para actualización de profesionales en esta era moderna de amplio desarrollo de la informática, la automatización y la electrónica, en general. Se relaciona con un tema de importancia vital para los ingenieros que se desempeñan en los campos de generación, transmisión, distribución y utilización de la energía eléctrica.
El incremento permanente y acelerado del uso de equipos electrónicos en los ámbitos comercial, industrial, institucional y residencial ha dado lugar, y continuará en ascenso, a eventos de los cuales hace no muchos años no se escuchaba hablar, al menos en nuestro medio. Son los mismos equipos electrónicos principalmente los que, junto a otros equipos de potencia y eventos de la propia naturaleza, modifican las características de régimen estable de la corriente o del voltaje originando, entre otros, problemas de sobrecalentamiento, mal funcionamiento, aumento en la incertidumbre de las mediciones con instrumentos convencionales, autoapagado de instrumentos o equipos digitales y, eventualmente, deterioro o falla total de los equipos; siendo, paradójicamente, los electrónicos los más sensibles a los eventos presentes.
La interacción de los equipos de potencia con los de electrónica hace que se produzcan efectos no esperados de unos sobre otros, que a la postre pueden hacer que se detengan los procesos de producción ocasionando cuantiosas pérdidas indeseables. Esto, indudablemente, lleva a una relación entre ingenieros que laboran en la industria o en empresas de telecomunicaciones con ingenieros que laboran en las empresas de distribución de energía eléctrica, que no se limita simplemente a la compraventa de energía en condiciones cuasi estables, sin más perturbaciones que las debidas a causas naturales o a las que tradicionalmente aparecían hasta hace algunos años en las estadísticas. Algunas perturbaciones como, por ejemplo, las disminuciones momentáneas del voltaje o sobrevoltajes momentáneos producidos en forma esporádica, puede que no causen daños severos inmediatos en un motor de inducción; pero sí pueden causar un daño acumulativo en el tiempo al aislamiento de equipos cuya vida útil depende de él o, bien, pueden modificar el funcionamiento de equipos electrónicos como los variadores de velocidad de los mismos motores de inducción, haciéndolos autodeternerse o destruyendo alguna de sus partes vitales. Los convertidores que se encuentran en la industria generan armónicas y puede ser que éstas sean elementos de su propia naturaleza, pero en los cables, en los tableros o en los transformadores pueden provocar inadmisibles incrementos de la temperatura y, es más, pueden trasladar sus efectos hacia el mismo sistema de distribución afectando otras cargas conectadas a la misma red. La sencilla tarea de antaño de calcular capacitores para mejorar el factor de potencia o elevar el voltaje; en la actualidad no resulta tan simple, dado que la reactancia capacitiva decrece con la frecuencia y puede constituir una trayectoria de mínima oposición para las armónicas desviándolas hacia puntos no deseados y tampoco puede descartarse la posibilidad de que interactúe con reactancias inductivas del sistema dando lugar al fenómeno de resonancia. Es decir, el diseño de una instalación eléctrica de la actualidad debe hacerse con una forma de pensar diferente. Dentro de este esquema están también involucrados los vendedores de equipos, la mayoría de las veces también ingenieros. Lo cierto es que en general en nuestro medio, no existe aún una cultura desarrollada de manera generalizada en relación a las armónicas, mucho menos en lo que respecta al tema global de la calidad de la potencia eléctrica.
Este libro pretende llenar un vacío educacional, con el objeto de difundir la cultura de la calidad de la potencia eléctrica para lograr una mejor comunicación entre agentes del gobierno, empresas distribuidoras de energía eléctrica, los usuarios y los vendedores, manejando un mismo lenguaje y concibiendo los mismos fenómenos de la misma manera, para conocer la nueva dinámica de las instalaciones eléctricas y para desarrollar el criterio necesario a efecto de resolver problemas o evitarlos.

 

CONTENIDO

 

1. ANALISIS BASICO DE REDES QUE CONTIENEN ARMONICAS 

Introducción.

La serie trigonométrica de Fourier.
Tipos de armónicas y denominaciones.
Espectros discretos de amplitud y de fase.
Síntesis de formas de onda.
Aplicación de la serie de Fourier al análisis de circuitos.
Valores medio y eficaz.
Valor medio.
Valor Eficaz.
Factores de distorsión, THD
Factor de distorsión armónica total de voltaje, THDv
Factor de distorsión armónica total de corriente, THDi

Potencia

Carga lineal alimentada convoltaje senoidal.
Carga lineal alimentada con voltaje no senoidal.
Carga conectada a una red de potencia infinita.
Arnónicas en Sistemas trifásicos

Armónicas en sistemas trifásicos balanceados.
Generador de armónicas y carga conectados en estrella.
Generador de armónicas en estrella y carga en delta.
Generador de armónicas y carga conectados en delta
.
Inductancia mutua

Voltajes inducidos en un circuito externo, armónicas no triples.
voltajes inducidos...armónicas triples.
Neutral no aterrizado (neutral metálico).
Neutral aterrizado.

 

2. GENERADORES DE ARMONICAS


Introducción.
Hornos de arco eléctrica.
Generalidades.
Armónicas en las instalaciones de hornos de arco.
Iluminación con lámparas de descarga.
Generalidades de sobre lámparas fluorescentes.
Armónicas en los sistemas de iluminación fluorescente.
Convertidores.
Generalidades.
Rectificadores.
Inversores.
Armónicas en el lado de CA generadas por convertidores.
Influencia de la relación de cortocircuito en la distorsión de voltaje.
Cicloconvertidores.
Transformadores.
Armónicas en transformadores monofásicas.
Armónicas en transformadores trifásicos.
Transformadores conectados en estrella-estrella.
Estrella-estrella con neutros aislados.
Estrella-estrella con neutro del primario conectado y neutro del secundario aislado.
Estrella-estrella con neutro del primario ailado y neutro del secundario conectado.
Transformadores conectados en estrella-delta.
Estrella-delta con neutro del primario ailado.
Estrella-delta con neutro del primario conectado.
Transformadores conectados en delta-estrella.
Delta-estrella con neutro del secundario no conectado.
Transformadores conectados en delta-delta.
Flujos magnéticos armónicas.
Máquinas Eléctricas rotativas.
Calentadores de Inducción.
PC´s, impresoras, faxes.
UPS´s.
Cargadores de baterías de vehículos eléctricos.
Otros equipos electrónicos.


3. EFECTOS DE LAS ARMONICAS

Introducción.
Estudio de los efectos en diferentes elementos.
Lo que ocurre en el sistema de distribución.
Efecto sobre el factor de potencia.
Efectos en motores de inducción.
Análisis de los circuitos armónicos equivalentes.
Pares armónicos.
Pares debidos a armónicos internos.
Pérdidas en el motor de inducción.
Efectos en transformadores.
Efectos en los capacitores.
Efectos en lámparas incandescentes.
Efectos en el sistema (instalación eléctrica) de iluminación fluorescente.
Resonancia armónica.
Interferencia inductiva.
Efectos en sistemas de control o comunicación.
Relevadores de protección.
Fusibles e interruptores (breakers).
Medición.
Efectos en los conductores.


4. CONTROL DE ARMONICAS

Introducción.
Técnicas de control.
Reducción del tamaño relativo del convertidor.
Multiplicación del número de pulsos de los convertidores.
Operación de transformadores y motores sobreexcitados.
Conexiones apropiadas de transformadores trifásicos.
Uso de terciario conectado en delta.
Uso de la conexión zeta.
Núcleo acorazado de columnas en transformadores trifásicos.
Bancos de cpacitores no aterrizados.
Localización de los bancos de capacitores.
Cambio del número de bancos de capacitores en servicio.
Tableros de distribución.
Interruptores automáticos.
Barra del neutral del tablero de distribución.
Ampacidad del conductor neutral y los conductores de fase.
Transformadores con factor K.
Transformadores de aislamiento.
Reactores de línea.
Reactancia preconectada o filtro de rechazo.
Reactancia entre el centro del banco de capacitores y el
conductor neutral.
Filtros pasivos en paralelo o filtros de absorción.
Filtros activos.