METODOLOGÍA PARA EL ANÁLISIS Y REDUCCIÓN DE

ARMÓNICOS EN SISTEMAS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES DE

MEDIA Y BAJA TENSIÓN

José M. Balcedo V.

Universidad de Oriente, Anzoátegui, Venezuela

jmiguel.b17@gmail.com

RESUMEN: En este artículo se presentan

los métodos más comunes de análisis y

modelado de las señales armónicas,

información general sobre la medición de

armónicos, además también se

mencionan los filtros armónicos como

una medida de control de la distorsión

armónica en los sistemas eléctricos

industriales, explicando brevemente su

funcionamiento y configuración de

acuerdo a lo establecido por las normas

internacionales. Se propone una

metodología aplicable para el análisis y

filtrado de señales armónicas

contaminantes en los sistemas eléctricos,

haciendo hincapié en el uso de las

normas establecidas para el control de la

distorsión armónica. Esta metodología se

realiza para la implementación de filtros

armónicos en sistemas eléctricos de

potencia de B.T. y M.T. tomando en

cuenta los límites del Factor de Distorsión

Armónica Total (THD) establecidos en la

norma IEEE-519-1992. Dentro de su

desarrollo, se considera la formulación de

una serie de pasos como herramienta

general cuyo fin es analizar el

comportamiento de los filtros sintonizados

en sistemas eléctricos. Finalmente, se

muestra un diagrama de flujo para

desarrollar la metodología propuesta.

Palabras Claves: No lineal, distorsión

armónica, distorsión de voltaje, distorsión

de corriente, resonancia , filtro armónico.

1. INTRODUCCIÓN

Bajo condiciones ideales de

operación, un sistema eléctrico de

potencia se espera que sea

completamente balanceado, de una

frecuencia única y constante, y las

formas de onda de voltaje y corriente en

el sistema senoidales, de amplitud

especificada y constante. La calidad de

la energía obtenida es entonces

perfecta. Desafortunadamente, esta

operación ideal no se presenta en

sistemas de potencia prácticos debido a

que todos los componentes de la red, en

menor o mayor grado, poseen la

indeseable característica de distorsionar

las formas de onda senoidales ideales.

La mayor contribución a este efecto

distorsionante, conocido como distorsión

armónica de la forma de onda, proviene

de cargas y componentes no lineales y

variantes en el tiempo. Las fuentes más

conocidas de distorsión armónica son el

convertidor de potencia, los variadores

de velocidad, los dispositivos de

conmutación, el fenómeno no lineal de

saturación en componentes de núcleo

magnético, entre otros. En cualquier

caso, las cargas no lineales consumen

corrientes no senoidales de los sistemas

AC, y estas corrientes reaccionan con

las impedancias del sistema para crear

tensiones armónicas y en algunos casos

resonancia.

Esto puede resultar en un

considerable efecto degradante en la

calidad de la energía ocasionando, entre

otros aspectos adversos, la presencia de

pérdidas adicionales en el sistema,

reducción en la vida útil del equipo e

interferencia en los equipos de

protección, control y comunicaciones.

Sagredo, J. (s/f) resalta algunos

casos donde hubo destrucción de

condensadores de compensación de

reactivos en distintos tipos de

instalaciones en presencia de: bancos de

baterías, máquinas y herramientas que

incorporan variadores de velocidad,

pequeñas y medianas industrias de

imprenta, vidrieras, textiles, entre otras.

Según Noroña (2011), es de suma

importancia diagnosticar mediante

medición, modelación y simulación, el

comportamiento del sistema en lo

referente a la presencia de armónicos.

Sobre la base de los resultados obtenidos

se podrán recomendar alternativas de

mitigación.

Ante la problemática descrita, este

trabajo se plantea describir las

características de las cargas no lineales y

los métodos para el análisis de los

armónicos en los sistemas eléctricos;

establecer la norma IEEE que regula los

límites permisibles de distorsión armónica

en los sistemas eléctricos; proponer una

solución general para la corrección,

reducción o eliminación del problema de

los armónicos y desarrollar un

procedimiento aplicable, basado en la

normativa, para el estudio de propagación

y reducción de distorsiones armónicas en

los sistemas eléctricos industriales de

media y baja tensión.

2. METODOLOGÍA DESARROLLADA

La descripción de las cargas no

lineales se realizó mediante estudios y

revisión bibliográfica, así como los

métodos de modelado, flujo y análisis de

señales armónicas. En esta etapa se

evaluaron los métodos de análisis, sus

ventajas, alcances y limitantes.

Para verificar los límites de distorsión

armónica en sistemas eléctricos se citó la

norma internacional IEEE – 519 - 1992

“Recommended practices and

requirements for harmonic control in

electrical power systems - Prácticas

recomendadas y requerimientos para el

control de armónicas en sistemas

eléctricos de potencia”. Dicha norma

establece los límites admisibles tanto en

voltaje como en corriente para el

intercambio de potencia entre la

compañía de servicio público y un

sistema industrial. Esta fue estudiada e

interpretada para incluirla en la

metodología.

De acuerdo a la teoría estudiada y a

los métodos de modelado de sistemas

con señales armónicas, se establecen y

estudian las soluciones generales para la

disminución de las señales armónicas,

pudiéndose citar los filtros pasivos, el

desplazamiento de fases, los

transformadores con diseño especial y los

filtros activos.

La implementación de filtros para

reducir la distorsión armónica resulta en

una buena elección debido a que estos

circuitos proveen una baja impedancia

para los armónicos y de esta forma

eliminarlos o reducir la distorsión a

valores establecidos, con lo que se

consigue mejorar los parámetros de

alimentación de energía eléctrica, los

cuales deben mantener la frecuencia y la

tensión eléctrica constantes para un buen

funcionamiento de los equipos instalados;

además el filtro actúa a la frecuencia

fundamental (60 Hz) como un capacitor y

produce energía reactiva, funcionando de

la misma forma que un banco de

capacitores convencional.

Una vez estudiados todos los

aspectos teóricos y las normas

internacionales, se procedió a la

elaboración de la metodología para la

reducción de armónicos en los sistemas

eléctricos industriales, describiéndose los

pasos a seguir para desarrollarla e

implementarla a través de un sencillo

diagrama de flujo.

3. MAPA MENTAL

La idea principal es proponer una

metodología, a través de un diagrama de

flujo, que permita analizar las señales

armónicas presentes en un sistema

eléctrico de potencia, verificar si los

niveles de distorsión en el sistema son

aceptables según las normas

internacionales, y en caso de que no lo

sean, ofrecer una solución aplicable para

reducir dichos niveles a valores

aceptables.

Inicialmente se deberán describir las

cargas lineales y los métodos para el

análisis y modelado de las corrientes

armónicas. Luego se determinará la

norma IEEE que establece los límites

permisibles de distorsión armónica y se

interpretará la misma.

Seguidamente, se hará un estudio de

las soluciones existentes para la

mitigación de señales armónicas, es

decir, los filtros pasivos, los filtros activos,

desplazamiento de fases, modificación de

la relación de cortocircuito, balanceo de

cargas, transformadores de diseño

especial, entre otras; con la finalidad de

seleccionar la solución más factible a

nivel general.

Finalmente se elaborará el diagrama

de flujo con los pasos a seguir para

desarrollar la metodología, así como

también las herramientas necesarias para

implementarla.

MAPA MENTAL

4. RESULTADOS OBTENIDOS Y

ANÁLISIS

Realizando el estudio de las cargas

no lineales y los métodos de análisis y

modelado de las señales armónicas,

entre los cuales destacan el análisis en el

dominio de la frecuencia, análisis en el

dominio del tiempo y análisis hibrido

(frecuencia-tiempo) se obtuvo que el

análisis en el dominio de la frecuencia es

el más práctico para analizar sistemas

eléctricos simples y, a pesar de ser

menos exacto que el análisis en el

dominio hibrido, es un marco de

referencia en que se han desarrollado

modelos polifásicos rigurosos de

componentes no lineales y lineales de

sistemas de potencia. Sin embargo, aún

cuando es robusto, su aplicación para la

obtención de la solución periódica no

senoidal de sistemas de potencia puede

requerir de muchas iteraciones y ser de

enormes dimensiones. Resulta entonces

más práctico realizar los cálculos y

análisis mediante programas

computacionales que permitan determinar

la característica de respuesta a la

frecuencia del sistema, así como también

un flujo de potencia convencional y los

niveles de armónicos en el sistema.

También que cuenten con capacidades

gráficas que permitan presentar por

pantalla o imprimir cualquier tipo de

gráfica de impedancia contra frecuencia o

señales en el dominio del tiempo.

Se estableció la norma IEEE Std

519-1996 como referencia para los límites

de armónicas. Esta recomienda límites de

distorsión armónica tanto en voltaje

como en corriente, a diferencia de los

límites establecidos por algunos países,

donde el factor principal a controlar es la

distorsión de la forma de onda de voltaje.

La norma IEEE-519, prácticamente

establece una corresponsabilidad entre

las dos partes involucradas en el sistema

eléctrico: la compañía eléctrica y el

usuario (un sistema industrial). En la tabla

4.1 se muestra el nivel de distorsión

permitido por la IEEE.

IEEE Recommended practiques and requeriments for harmonic

control in electrical

power systems

Nivel recomendado de distorsión armónica en

voltaje

5% para 69 KV y valores menores

2.5% desde 69.001 KV hasta 161 KV

1.5% para 161.001 KV y valores mayores

Tabla 4.1. Límites de distorsión armónica

permitidos por la IEEE.

Mediante el estudio de las fuentes de

distorsión armónica y el uso de los

conceptos básicos de circuitos RLC, se

establece como solución más genérica,

para los armónicos en sistemas eléctricos

de la industria en general, a los filtros

armónicos. Estos pueden clasificarse

como filtros pasivos y activos. Para

efectos de la metodología a ser

implementada, el filtro sintonizado es el

que más se adecua a las exigencias de la

industria, es decir, tiene un bajo costo y

proveen compensación reactiva

determinada por la capacidad y la tensión

usada en el banco de capacitores; de

hecho pueden ser diseñados para el

doble objetivo de provisión de acción

filtradora y compensación del factor de

potencia al nivel deseado. En la figura 4.1

se ilustra la configuración del filtro

sintonizado.

Fig. 4.1. Filtro sintonizado (circuito RLC)

La determinación de las

características nominales de los

componentes del filtro es un proceso

iterativo, que parte de los requerimientos

de reactivos para el dimensionamiento

inicial del capacitor. Con un primer valor

de éste se seleccionan la inductancia y la

resistencia de acuerdo al factor de

calidad del filtro apropiado para el

sistema. Utilizando el flujo de armónicos

se calculan los niveles de distorsión

armónica y se verifica que no excedan

los límites recomendados. En caso de ser

ellos excedidos, se calculan nuevamente

los parámetros y se hacen nuevas

simulaciones o corridas.

Finalmente, se elaboró el

diagrama de flujo con los pasos

resumidos para el filtrado de señales

armónicas en sistemas eléctricos

industriales, mediante el uso de filtros

sintonizados. Éste se muestra en la figura

4.2.

Nótese que algunos los procesos

de la metodología puede derivarse en

otro diagrama de flujo, por ejemplo, el

cálculo de los parámetros del filtro.

Las herramientas o programas

computacionales que pueden utilizarse

para los cálculos y simulaciones deben

incluir las siguientes características:

Cálculo de flujos armónicos de potencia,

Soportar la representación completa de

cualquier sistema de potencia, incluyendo

desbalances en cargas, dispositivos con

características dependientes de la

frecuencia y fuentes múltiples de

armónicos, dependiendo de la situación,

deben poder seleccionarse modelos

trifásicos o monofásicos para los

componentes del sistema, y por último

incluir modelos para todos los

componentes de un sistema de potencia

tales como: líneas, cables,

transformadores, motores, capacitores y

cargas.

5. CONCLUSIONES

El cálculo de los niveles de distorsión

armónica puede no ser fácil y para

obtener resultados precisos dichos

cálculos deben ser actualizados por

medio de iteraciones. Es por ello que

se hace imprescindible el uso de

herramientas computacionales para

simular los sistemas eléctricos y

analizar su respuesta ante las

perturbaciones armónicas. Este

esfuerzo computacional se incrementa

en proporción directa al tamaño del

sistema analizado y al número de

armónicos representados

explícitamente.

El filtrado es un método para la

reducción de armónicos muy útil a

nivel industrial cuando se ha

aumentado gradualmente la distorsión

por armónicos o como una solución

total en una nueva planta.

El uso de filtros armónicos pasivos

sintonizados resulta ser una buena

Fig. 4.2. Diagrama de flujo de la metodología para filtrado de señales armónicas

elección para reducir la distorsión

armónica total, debido a que el

arreglo conformado por la

reactancia inductiva, capacitiva y

la resistencia ofrecen un camino

de baja impedancia a la

frecuencia para la cual es

sintonizado el filtro.

6. RECOMENDACIONES

Implementar un programa, a través de

algún software de cálculo matemático o

mediante un lenguaje de programación,

que realice de forma automática los

cálculos de los parámetros del filtro

sintonizado, es decir, C, XL y R; así

como la potencia reactiva del capacitor

para lograr la corrección del factor de

potencia.

Desarrollar un diagrama de flujo para la

obtención de distintas alternativas de

filtros sintonizados o activos, de manera

que se pueda seleccionar la solución

más económica y adecuada a las

necesidades del sistema en cuestión.

Evaluar la metodología en algún

sistema eléctrico o caso de estudio de

gran dimensión para verificar la

aplicabilidad de la misma en circuitos

complejos.

Evaluar la metodología utilizando la

norma IEEE-18-2002, referida a los

niveles aceptables de calentamiento del

dieléctrico del capacitor del filtro y sus

valores permisibles de corriente.

7. BIBLIOGRAFÍA

- Alvarado, H. y Ramírez, J. M. (2010).

“Metodología para el análisis de

propagación de armónicos en

instalaciones eléctricas”. Instituto

Politécnico Nacional, México.

- Fink, D. y Wayne, B. (1996). “Manual

de ingeniería eléctrica”, tomo III.

Editorial McGraw-Hill Interamericana

de México, S.A. México.

- Gil, R. (2005). “Realizar un estudio

de los armónicos que afectan una

planta de fabricación de vidrio

flotado”. Universidad de Oriente.

Venezuela.

- Medina, A. (2001). “Metodologías

avanzadas para el modelado y

análisis de armónicos y su impacto

en la calidad de la energía”.

Universidad Michoacana de San

Nicolás de Hidalgo. México.

- Noroña L., N. (2011). “Diagnóstico

de perturbaciones armónicas en el

sistema nacional interconectado”.

Escuela Politécnica Nacional. Quito,

Ecuador.

- Sagredo, J. (s/f). “Guía de aplicación

para la detección de armónicos y su

eliminación. Cumplimiento de UNE

61000”. Universidad de Burgos.

España.

- Villasana S., R. (2011). “Breve

introducción al fenómeno de la

distorsión armónica”. I Congreso

Oriental de Ingeniería Eléctrica,

Puerto la cruz, Venezuela. Julio,

(paper).