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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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