Efectos de los armónicos en motores y generadores, transformadores, condensadores, etc.

La distorsión en la forma de onda en la corriente de carga de cualquier dispositivo no lineal causa cambios similares en la forma de onda de tensión con relación a la impedancia armónica de la red.

Esta distorsión de voltaje afecta tanto la corriente como la tensión para todas las otras cargas conectadas a ese sistema.

1. Efecto de los armónicos en motores y generadores:

Los generadores y los motores se ven afectados negativamente por los armónicos en las redes a las que están conectados.

Los efectos típicos son:

• Mayor calentamiento debido a pérdidas de hierro y cobre en las frecuencias armónicas.
• Mayor emisión de ruido audible en comparación con la excitación sinusoidal.
• Corrientes armónicas en el rotor.

Las armónicas indicadas anteriormente son causadas por armónicos en el bobinado del estator, que producirán corrientes armónicas en el rotor, por ejemplo, los armónicos del estator de orden 5 y 7 producirán armónicos de rotor de 6º orden, mientras que los armónicos del estator de orden 11º y 13º producirá armónicos de rotor de 12º orden.

Estas corrientes armónicas del rotor darán como resultado un aumento del calentamiento del rotor y un par pulsante o reducido .

También se debe tener en cuenta que el desequilibrio del sistema (desequilibrio permanente o fallas a tierra) , expresado como corrientes de secuencia negativa, también puede reflejarse en el rotor como corrientes armónicas, que se suman a las indicadas anteriormente.

Los generadores también pueden producir armónicos y, en particular, triples armónicos que pueden circular a través de transformadores adyacentes con conexión a tierra cuando los generadores están conectados directamente a un bus de carga. El uso de los transformadores conectados en Delta puede controlar esto.

2. Efecto de los armónicos en Transformadores:

El factor de pérdida de dispersión para conductores de cobre varía como el cuadrado de la corriente de carga y el cuadrado de la frecuencia, por lo tanto variará con la mezcla de armónicos en la fuente de alimentación.

Aunque el porcentaje de contribución a la distorsión por armónicos superiores disminuye a medida que aumenta la frecuencia armónica, su efecto de calentamiento, incluso si los porcentajes armónicos son bajos, podría aumentar sustancialmente.

Los armónicos generados por cargas no lineales, como los variadores de frecuencia variable (VFD), imponen una corriente no sinusoidal en los transformadores de potencia que suministran dichas cargas, lo que da como resultado un aumento sustancial de las pérdidas y el aumento de la temperatura .

Con la adición de corrientes armónicas, los transformadores de diseño estándar deben reducirse para limitar el aumento de temperatura dentro de la clasificación de aumento de temperatura de aislamiento o el transformador debe reemplazarse con un transformador especial «K» .

El factor «K» ha sido establecido por Underwriter Laboratories (UL) para definir la capacidad de un transformador para servir varios grados de corriente de carga no lineal sin exceder el aumento de temperatura nominal.

El factor «K» se basa en las pérdidas previstas como se especifica en ANSI / IEEE C57.110 [S14].

3. Efecto de los armonios en Condensadores:

Cualquier capacitancia en una red de AC puede producir un riesgo de resonancia con las partes inductivas de la red . Aunque las redes eléctricas están diseñadas para no tener resonancias en frecuencias fundamentales, cuando se consideran los múltiples efectos de frecuencia de las distorsiones armónicas, siempre existe el posible riesgo de resonancia del sistema.

Estos y otros efectos de los armónicos en los condensadores y bancos de condensadores son los siguientes:

• La resonancia impone tensiones y corrientes considerablemente mayores en los condensadores.
• El banco de capacitores actúa como sumidero para mayores corrientes armónicas, lo que aumenta el calentamiento y las tensiones dieléctricas .
• Las pérdidas en un condensador son proporcionales a la salida reactiva (kVAR), que, a su vez, es proporcional a la frecuencia. Estas pérdidas aumentan y la duración total del condensador se acorta al aumentar los armónicos.

Para evitar o minimizar dichos problemas, los bancos de condensadores se pueden sintonizar para rechazar ciertos armónicos agregando reactancia.

En la mayoría de los sistemas de potencia de armónicos industriales, el objetivo principal de la instalación de condensadores es cumplir los requisitos del factor de potencia de la red pública expresados ​​en sus tarifas. Beneficios adicionales son una mejor regulación de voltaje y menores pérdidas .

Cualquier banco de condensadores puede ser una fuente de resonancia paralela con la inductancia del sistema .

Evitando problemas de resonancia:

El mejor enfoque para evitar problemas de resonancia es instalar grandes bancos de condensadores en el bus principal . Esta solución ofrece las siguientes ventajas:

• Más potencia reactiva disponible para el sistema como un todo.
• Control más fácil de tensiones y corrientes armónicas.
• Menores costos de capital, ya que los grandes bancos son más económicos en términos de costo de compra.

Se pueden agregar reactores para cambiar la frecuencia de resonancia de la frecuencia armónica característica de la planta.

Los condensadores también pueden combinarse con reactores para desarrollar filtros de armónicos a las molestas frecuencias armónicas de resonancia. La frecuencia de resonancia en el bus del condensador se puede calcular de la siguiente manera:

Dónde:

• f _r es frecuencia resonante
• f _s es la frecuencia del sistema, 60 Hz
• kVA _sc es el nivel de falla del sistema trifásico en kVA
• kVA _c es la calificación trifásica del condensador-banco en kVA

4. Armónicos en Cables eléctricos (Acometidas):

Los cables de alimentación son intrínsecamente capacitivos y, como se indicó anteriormente para los bancos de condensadores, su capacitancia puede producir un riesgo de resonancia con las partes inductivas de la red.

Estos riesgos de resonancia y los mismos armónicos pueden producir los siguientes problemas para los sistemas de cable:

• Los cables implicados en la resonancia del sistema pueden estar sujetos a tensión y corona.
• Aumento del calentamiento debido a una mayor corriente rms, efecto de la piel y efecto de proximidad. El efecto de piel variará con la frecuencia y el tamaño del conductor.

Los conductores de los cables de alimentación suelen estar muy cerca unos de otros y, por lo tanto, las corrientes de alta frecuencia en el revestimiento exterior de un conductor influyen en la propagación y el comportamiento de las corrientes de alta frecuencia en la piel de los conductores contiguos, dando lugar a un «efecto de proximidad». «

El efecto de la piel y el efecto de proximidad son proporcionales al cuadrado de una frecuencia. Por lo tanto, los cables deben reducirse si existe una distorsión armónica significativa, particularmente si I THD es mayor que 10%.

Cable de alimentación de variadores de velocidad.

El cable de alimentación de cualquier variador de frecuencia (VFD) transporta 60 Hz de corriente fundamental o sinusoidal más las corrientes armónicas producidas por el variador. El tamaño del alimentador seleccionado debe basarse en el calentamiento de la corriente rms total (fundamental más armónicos) y el efecto de piel de los armónicos de orden superior.

Por lo tanto, el cable debe reducirse para compensar el calor adicional causado por las corrientes armónicas y el efecto piel asociado.

El efecto piel también depende del tamaño del conductor y, por lo tanto, se deben evitar los tamaños grandes de los conductores.

La Figura anterior muestra los factores de reducción del cable graficados contra el porcentaje de corriente armónica con la mezcla de armónicos asociada con un VFD típico de 6 pulsos. Debido al efecto piel, se requiere más reducción de potencia para los conductores grandes.

Un documento de Hiranandani ha cubierto el método de realizar cálculos de ampacidad del cable para incluir los efectos de los armónicos. Algunos fabricantes de cable tienen un software de computadora interno y pueden ayudar a los usuarios si los datos de armónicos específicos están disponibles para las unidades en cuestión.

En términos de la aplicación de cables para variadores de velocidad u otras fuentes armónicas significativas, se pueden hacer las siguientes recomendaciones:

• Use cables de tres conductores y no de un solo conductor.
• Evite los conductores grandes para minimizar las pérdidas debidas al efecto de la piel. El tamaño del conductor no debe exceder 350 kcmil.
• Use cables blindados para equipos con capacidad superior a 600 V.

5. Efecto de los armónicos en equipos electrónicos:

Los equipos electrónicos de potencia son susceptibles de mal funcionamiento si hay niveles significativos de distorsión armónica . Algunos de los sistemas de control para dispositivos electrónicos de potencia usan detección de cruce por cero para controlar la conmutación como algunas luminarias o sensores LED.

La distorsión armónica puede provocar el desplazamiento de los puntos de cruce de voltaje cero , y estos cambios pueden ser críticos para muchos tipos de circuitos de control electrónico. Además, si se produce una conmutación incorrecta, se pueden producir más armónicos, agravando el problema.

6. Problemas de los armónicos en Interruptores y relés:

Las corrientes armónicas en el dispositivo de distribución aumentarán el calentamiento y las pérdidas en el dispositivo de distribución de la misma manera que se ha discutido anteriormente para los cables de alimentación. Del mismo modo, las distorsiones de tensión pueden causar problemas para los transformadores de tensión (VT) y los relés conectados, mientras que la distorsión de corriente puede hacer lo mismo para los transformadores de corriente (CT) y los relés accionados por corriente.

En particular, los relés de sobrecorriente electromecánicos exhiben una tendencia a operar más lentamente, mientras que los relés de subfrecuencia estáticos que usan cruce por cero para la medición de frecuencia son susceptibles a cambios sustanciales en las características de operación de la misma manera que se indicó anteriormente para los circuitos de control electrónico.

Los armónicos también pueden afectar la velocidad de operación de los relés diferenciales de tipo electromagnético.

Los relés digitales modernos usan técnicas de filtrado para producir la frecuencia fundamental únicamente, de modo que los circuitos de medición de corriente de falla y voltaje no se vean significativamente afectados por los armónicos.

El filtrado correcto requiere que el algoritmo de transmisión rastree la frecuencia del sistema , y la mayoría de los relevadores tienen un rango de frecuencia limitado para el cual están diseñados para operar.

Aunque la capacidad de medición de fallas no se vea comprometida, su capacidad para medir y detectar correctamente las condiciones de sobrecarga depende de su capacidad para medir el efecto de calentamiento con precisión, es decir, los valores rms completos.

Aunque se pueden hacer correcciones en los ajustes cuando se conoce la mezcla armónica, es importante conocer la frecuencia de corte del relé para poder compensar y proteger completamente los dispositivos , como los filtros de alta frecuencia.

Problemas de los Fusibles cuando existen armónicos:

Los fusibles sufren un factor de reducción debido al calor generado por los armónicos . Por lo tanto, los fusibles pueden funcionar mal bajo la influencia de los armónicos. Estos efectos se deben considerar para que los fusibles se puedan diseñar correctamente.

Además, el soplado de fusibles injustificado y frecuente es una indicación de la presencia de armónicos inesperados o cambios en la mezcla de armónicos en ese sistema.

8. Interferencia de sistemas de comunicación:

Los sistemas de comunicación son susceptibles a la interferencia de los armónicos, particularmente aquellos que resultan en frecuencias en el rango audible. Cualquier aumento en la interferencia audible del teléfono necesita ser investigada, ya que esta es a menudo la primera advertencia de que los armónicos están presentes o están aumentando.

Al calcular la influencia de los armónicos y sus frecuencias asociadas en los circuitos de comunicación adyacentes, se utilizan dos factores, el factor de ponderación, W, y el factor de interfaz telefónica, TIF .

La ponderación en el factor W se basa en la sensibilidad del oído humano. La interferencia de comunicación debida al acoplamiento inductivo entre los circuitos de potencia y comunicación se calcula utilizando el TIF, que se define como:

Dónde:

W _f  = 5 × P _f × f

Dónde:

• V _f es el voltaje rms a la frecuencia f
• W _f es el factor de ponderación TIF a la frecuencia f
• V _t es rms fundamental
• P _f  es la ponderación del mensaje C
• 5 es constante para simular el acoplamiento cautivo
• f es frecuencia

Impacto de cargas no lineales:

Los armónicos son una forma conveniente de expresar la distorsión de forma de onda causada por cargas no lineales en sistemas de energía eléctrica. Antes de la introducción de la electrónica de potencia, la mayoría de las cargas no lineales eran el resultado de sistemas rectificadores estáticos o la operación de transformadores de reactores en derivación a tensiones más allá de su punto de inflexión, es decir, más allá de su región lineal.

Desde la introducción de la electrónica de potencia en los sistemas industriales, la distorsión de la forma de onda se ha vuelto más común, y la necesidad de análisis de los armónicos resultantes ha aumentado.

Se producen otras distorsiones de forma de onda cuando los transformadores se energizan, pero estos armónicos son transitorios por naturaleza . Los armónicos también pueden causar resonancia y sobrecargar los dispositivos diseñados para operar a frecuencias fundamentales solamente.

Para controlar el nivel de armónicos en cualquier sistema, es importante conocer tanto la fuente de armónicos como los dispositivos que son sensibles a dichos armónicos para limitar su efecto en cualquier red.

Corriente armónica generada por cargas no lineales (% de Fundamental)