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FUNDAMENTOS TEORICOS SOBRE ARMONICAS.
Tema relacionado con la calidad de la potencia eléctrica.


Francisco González
Ciudad de Guatemala, 2009
Guatemala, C.A.

 
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Costo: US$30.00 + envío, según el país.

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 DE REDES CON ARMONICAS 

Introducción.

La serie trigonométrica de Fourier.
Tipos de armónicas y denominaciones.
Espectros discretos de amplitud y de fase.
Síntesis de formas de onda.
Definiciones
La serie de Fourier y las redes eléctricas.
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
Forma exponencial de la Serie de Fourier

2. Flujo de Potencia Armónica

Introducción

Potencia: Voltaje y corriente sinusoidales. 
Potencias acitva, reactiva y aparente en régimen sinuosoidal

Factor de potencia e importancia de su mejoramiento. 
Flujo de Potencia en régimen sinusoidal. 
Potencia: Voltaje y corriente no sinusoidales.

               Corriente no sinusoidal-voltaje sinusoidal. 

3. Armónicas en Sistemas trifásicos


Introducción.
Sistemas trifásicos equilibrados: análisis en régimen sinusoidal.

    Conexión estrella. 
    Conexión delta. 
Potencia en régimen sinusoidal.

Sistemas trifásicos desequilibrados: análisis en régimen sinusoidal. 
    Método de Mallas.

    Componentes simétricas. 
Sistemas trifásicos equilibrados: análisis en régimen no sinusoidal. 
Flujo armónico en sistemas trifásicos equilibrados.

    Carga en estrella-generador en estrella. 
    Carga en delta-generador en estrella. 
    Carga en delta-generador en delta. 
    Carga en estrella-generador en estrella. 
Flujo armónico en sistemas trifásicos desequilibrados. 

Inductancia mutua entre redes trifásicas equilibradas y circuitos cercanos.

4. GENERADORES DE ARMONICAS


Introducción.
Hornos de arco eléctrico.
Lámparas de descarga.
Convertidores (rectificadores, inversores, variadores, etc).
Transformadores.
    Armónicas en transformadores monofásicos.
    Armónicas en transformadores trifásicos.
Máquinas eléctricas rotativas
Calentadores de inducción.
Equipos electrónicos de oficina. 
Cargadores de baterías de vehículos eléctricos.
Otros equipos electrónicos.


5. IMPACTO DE LAS ARMONICAS

Introducción.
Impacto en el sistema de distribución de potencia eléctrica.
Resonancia Armónica.
Efecto sobre la potencia y el factor de potencia.
Impacto en equipo de suminsitro y conversión de la energía eléctrica. 
    Motores de Inducción.
        Torques debidos a armónicas externas.
        Torques debidos a armónicas internas.
        Eficiencia.
    Transformadores.
    Máquinas síncronas. 
    Conductores eléctricos.
    Fusibles e interruptores.
    Capacitores.
Impacto en control, protección, medición y comunicaciones.

6. MITIGACION DE ARMONICAS

Introducción.
Técnicas de control.
    Reducción del tamaño relativo del convertidor.
    Multiplicación del número de pulsos de los convertidores.
    Operación de máquinas sin sobreexcitarlas.
    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.
    Desintonización con 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.

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