Normativa de los ArmonicosHenry Javier Arias Armijos

Universidad Politecnica Salesianahariasa@est.ups.edu.ec

Abstract—Este informe trata sobre las normativas de la ieeeque definen que son los armonicos, como se producen, que dañosocaciones y que medidas se deben tomar para evitar al maximoeste problema tan grave como son los armonicos en la red.

I. PALABRAS CLAVES

Armonicos, Factor de Potencia, distorcion Armonica, Ener-gia electrica, Cargas no Lineales

II. OBJETIVOS

1.- Conocer que son los armonicos.2.- Conocer como se originan los armonicos3.- Definir como se puede solucionar este problema

III. INTRODUCCION

Uno de los problemas más comunes que afectan a la Calidadde la Energía en sistemas eléctricos de baja tensión es ladeformacion de la onda, producida en gran medida por unfenomeno denominado "Distorcion Armonica", problema queafecta tanto a las redes electricas de distribución como a losconsumidores finales. [1]

Como se mencionó recientemente, los problemas por dis-torsión armónica no son nuevos ni para las compañías dedistribución eléctrica ni para los sistemas industriales. Dehecho, la distorsión fue observada por los operadores de lascompañías de distribución a principios de la primera décadade este siglo. Típicamente, la distorsión era ocasionada porcargas no lineales conectadas a la red de distribución. Sinembargo, hoy día son necesarios ciertos métodos para reducirlos armónicos, debido a tres razones principales: [2]

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

2. Las resonancias de red han aumentado.

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

IV. MARCO TEORICO

Los sistemas eléctricos cuentan actualmente con una grancantidad de elementos llamados no lineales, los cuales generana partir de formas de ondas sinusoidales a la frecuencia dela red, otras ondas de diferentes frecuencias ocacionando elfenómeno conocido como generacíon de armónicos. [1]

Los Armónicos son tensiones o corrientes sinusoidales queposeen frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuenciaa la cual el sistema de alimentacion esta diseñado a operar.Las formas de onda distorcionadas pueden ser descompuestasen una suma de la señal de frecuencia fundamental y lasarmónicas. La distorción armónica se origina debido a lascaracteristicas no lineales de los equipos y cargas de unsistema de potencia. [1]

Figure 1. grafica de la frecuencia fundamental con diferentes armonicos dandouna resultante [1]

La introducción de convertidores de potencia confiable yeficiente ha ocasionado un aumento elevado en el número dedispositivos generadores de armónicas lo que ha resultado ensu dispersión sobre todo el sistema de potencia. El término" convertidor estático de potencia ", se refiere al dispositivosemiconductor que convierte potencia de una frecuencia enpotencia de otra frecuencia. Los tipos de convertidores mascomunes en la industria son el rectificador, convertidor depotencia ac en dc, y el inversor que convierte de potenciadc a ac. [2]

Además, el problema de los armónicos es agravado fre-cuentemente por la tendencia actual de instalar condensadorespara mejorar el factor de potencia o regular el voltaje. Debido aque los capacitores se instalan en paralelo con la inductanciade el sistema de potencia, puede producirse una condiciónresonante a la frecuencia dada por: [2]

f resonante = 12π

√1LC (1)

Si una corriente armónica es inyectada (desde un conver-tidor estático de potencia, por ejemplo) con una frecuenciacercana a la frecuencia resonante, puede entonces circular unaalta corriente oscilante, la que podría quemar el fusible de loscondensadores y producir voltajes armónicos altos. [2]

LOS EFECTOS DE LOS ARMONICOS

Los efectos de los armónicos se dividen en tres categoríasgenerales:

1. Efectos sobre el sistema de potencia mismo2. Efectos sobre la carga del consumidor3. Efectos sobre circuitos de comunicación.

En el sistema de potencia, las corrientes armónicas son elproblema principal, ocasionando recalentamiento y pérdida devida útil. Esto refiriéndonos a motores o transformadores. Elimpacto es peor cuando la resonancia de la red amplifica lascorrientes armónicas. Los armónicos pueden también interferiren la operación de relees y mediciones. [2]

La distorsión armónica de voltaje puede ocasionar esfuerzosen el aislamiento de equipos, particularmente en conden-sadores. Cuando los armónicos deforman el voltaje en el bancode condensadores, el voltaje pico puede ser lo suficientementealto como para ocasionar una descarga parcial, o efecto corona,dentro de el dieléctrico del condensador. Esto puede producireventualmente un cortocircuito entre bornes y carcasa y hacerfallar al condensador. [2]

Las corrientes armónicas altas también ocasionan el disparode fusibles en bancos de condensadores. Esto ocasiona lapérdida de una fuente de alimentación reactiva al sistema, loque puede ocasionar otros problemas. [2]

En la actualidad, los problemas de armónicos son comunesen aplicaciones comerciales e industriales, debido principal-mente a equipos como fuentes switching, variadores de fre-cuencia, entre otras cargas no lineales. [3]

Una carga es no lineal cuando su impedancia cambia alaplicar voltaje. Estas corrientes no sinusoidales contienenarmónicas que interactúan con la impedancia del sistemacreando distorsión de voltaje que puede afectar a los equiposdel sistema de distribución y cargas conectadas. La mayoríade los sistemas de potencia tolera ciertos niveles de armónicas,pero tiene problemas cuando son parte significativa de la cargatotal. Asimismo, la distorsión de voltaje, no de corriente,afectará los equipamientos conectados al sistema. [3]

NORMAS IEEE SOBRE LOS ARMONICOS

La IEEE 519 trata principalmente con armónicos intro-ducidos por cargas no lineales, con la finalidad de que losproblemas de calidad de potencia puedan ser prevenidos. Sucumplimiento está siendo solicitado cada día más debido alcrecimiento de las cargas no lineales. [3]

Un armónico, según la norma IEEE–519, está definido comoel contenido de la señal, cuya frecuencia es un múltiplo enterode la frecuencia de repetición base o frecuencia fundamental.Su presencia puede ocasionar una gran variedad de problemas,tanto al suministro eléctrico como a los usuarios; por ejemplo:calentamiento excesivo de los transformadores y de cablesconductores (principalmente del neutro), mal funcionamientode las plantas eléctricas así como en sistemas circundantesa los que producen la contaminación armónica, resonancias,interferencia electromagnética con equipos de comunicación,etc. A través de normas y estándares como la mencionadaIEEE–519, se han marcado tolerancias permisibles para losniveles de contaminación armónica producida por cargas nolineales, a fin de mantener la calidad en la energía eléctrica.[2]

Debido a que la gestion de los armonicos en un sistemade energia se considera una responsabilidad conjunta queinvolucra tanto a los usuarios finales y a los propietarios delsistema o los operadores se recomiendan limites armonicospara ambas tensiones y corrientes. Los valores recomendadosen esta clausula se basan en el hecho de que cierto nivel dedistorcion de la tension es aceptable en general y tanto elsistema, los operarios y los usuarios deben trabajar en conjuntopara mantner la distorcion de la tension por debajo de losniveles inaceptables. [4]

El supuesto subyacente de estos limites recomendados esque, al limitar las inyecciones de corriente armonica por losusuarios, la distorsion de la tension puede mantenerce pordebajo de los niveles. En el caso de que la limitacion decorrientes armonicas solo no da como resultado de nivelesaceptables de voltaje. [4]

Los límites recomendados en esta cláusula se aplican sóloen el punto de acoplamiento común y no deben ser aplicarsea las piezas individuales de equipo o en ubicaciones dentro delas instalaciones de un usuario. En la mayoría de los casos,voltajes y corrientes armónicas en estos lugares podrían serencontrados a ser significativamente mayor que los límitesrecomendado en el PCC debido a la falta de diversidad, can-celación, y otros fenómenos que tienden a reducir los efectoscombinados de múltiples fuentes de armónicos a niveles pordebajo de su suma algebraica. [4]

La norma de la IEEE-519, recomienda que los diseñosde sistemas de electricidad sean realizados pensando en la

utilizacion de cargas no lineales. Los limites son establecidospara operaciones en estado estable, y se recomienda paracondiciones de ” peor caso ” transitorio, en condiciones queexedan los limites que se pueden encontrar. en cualquiercaso, los valores limites que figuran en este documento sonrecomendaciones y no debe ser considerado vinculante entodos los casos. [4]

FILTROS DE ARMONICOS

El rendimiento de los componentes que forman un bancode filtro de armónicos está relacionada con las temperaturasde operación de los diversos componentes y para los nivelesde estrés de tensión, especialmente en el dieléctrico del con-densador. excesivo las temperaturas de funcionamiento puedenconducir a daños dieléctrico, corrosión de las partes expuestasal aire, el recocido de conexiones, etc. fusibles sobrecalentadospueden eventualmente fallar con cualquiera operación molestiao mal funcionamiento. por Un conductores grandes, calefac-ción de corrientes parásitas provoca un aparente aumento de laresistencia a los armónicos más altos, por lo tanto el aumentode la temperatura de funcionamiento en estos conductores.Tensiones excesivas pueden causar la ruptura dieléctrica, dañoscorona, etc. [5]

Especificaciones previstas para el fabricante del equipodeben indicar las condiciones de operación de tal maneraque las temperaturas pueden predecirse en los diversos com-ponentes y que el rendimiento de estrés y corona dieléc-trico se puede predecir adecuadamente para fines de diseño.Las especificaciones de rendimiento tienen que dar cuentade funcionamiento continuo normal, armónicos fondo (deotros generadores de armónicas en la vecindad), temporalsobrecarga de armónicos, transitorios energizantes regulares,diversas contingencias a medida que ocurren (por ejemplo, untransformador energización, fallos del sistema, de reenganche)y una estimación de los futuros aumentos en la carga armónicade la adición de cargas generadoras de armónicos en lasproximidades. [5]

Los filtros armónicos son generalmente diseñados paraproporcionar una frecuencia fundamental de compensación depotencia reactiva para cargas inductivas y para controlar lascorrientes y tensiones armónicas. Por lo general es deseableconstruir el filtro armónico con mayor capacidad que serequiere para el servicio continuo de las cargas armónicasidentificados. otros armónicos en el sistema se extraerán desistema y puede conducir a una sobrecarga. Además, comoson las cargas añadido al sistema de potencia, armónicospueden aumentar. Los armónicos adicionales pueden aumentarla corriente a través del filtro y causar una condición desobrecarga en el filtro de armónicos. El costo incremental deañadir capacidad de un filtro de armónicos para la absorciónde armónicos no anticipada es mucho menor que el costopromedio de el filtro de armónicos. Un generoso margen al

especificar el deber armónico es deseable. Un mínimo de 10%Se sugiere margen por encima del deber máxima anticipadade todas las fuentes. [5]

Los principales componentes de el banco de filtros de ar-mónicos generalmente incluyen los condensadores, reactores,resistencias (si los hay), relés de protección, y el tableroprincipal. Al especificar este tipo de equipo, las calificacionesnormales se debe especificar los requisitos adicionales deespectro corriente armónica y tolerancias más estrictas sobreparámetros de los componentes, específicamente capacitancia,inductancia y resistencia. Las corrientes armónicas provocanmayor tensión de pico, el aumento de la generación de calor, yuna mayor generación de ruido que la mayoría otro sistema deenergía aplicaciones. Las normas aplicables se indican a con-tinuación para cada componente con comentarios adicionalesrelacionada con la aplicación del filtro de armónicos según seanecesario. [5]

El condensador debería estar diseñado de manera que elfuncionamiento en condiciones normales no debe dar lugara tensiones o potencia reactiva que exceda el 100% delcondensador de filtro calificación placa de la unidad. IEEEStd 1036-1992 da límites de funcionamiento continuo porencima del 100% valor de placa. Sin embargo, estos límitesson resistente a la sobrecarga y debe reservarse sólo paraoperación de contingencia. [5]

V. CONCLUSIONES

El avance tecnologio que se vive hoy en dia respecto alos dispositivos electronicos y electrodomenesticos, variadoresde frecuencia y demas elementors utilizados en la industria,nos ah facilitado la vida y el trabajo pero ah causado ungrave problema en el suministro de electricidad que alimentaal sistema, nuestra mision como futuros profesionales es decorregir al maximo este problema, empezando en proyectarlos diseños electricos pensando en que van a ver armonicosen cada hogar por los electrodomenticos y pensando en lasindustrias y los equipos que se van a instalar.

VI. BIBLIOGRAFIA

1.- Armonicos en la Red Electrica, Universidad PolitecnicaSalesiana

2.- Armonicos, IEEE 519

3.- Ignacio Contreras. (2006, Septiembre). Armónicos y lanorma IEEE 519 1992. [Online].http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc?xid=570

4.-Recommended Practice and Requirements for HarmonicControl in Electric Power Systems,IEEE 519-2014

5.-Guide for Application and Specification of HarmonicFilters, IEEE STD 1531 2003