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ARMÓNICOS Y AHORRO DE ENERGÍA |
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¿Qué son los armónicos? |
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Los armónicos son
distorsiones de las ondas senosoidales de tensión y/o
corriente de los sistemas eléctricos, debido al uso de cargas
con impedancia no lineal, a materiales ferromagnéticos, y en
general al uso de equipos que necesiten realizar
conmutaciones en su operación normal. La aparición de
corrientes y/o tensiones armónicas en el sistema eléctrico
crea problemas tales como, el aumento de pérdidas de potencia
activa, sobretensiones en los condensadores, errores de
medición, mal funcionamiento de protecciones, daño en los
aislamientos, deterioro de dieléctricos, disminución de la
vida útil de los equipos, entre otros.
En un sistema de potencia eléctrica, los aparatos y equipos
que se conectan a él, tanto por la propia empresa como por
los clientes, están diseñados para operar a 50 ó 60 ciclos,
con una tensión y corriente sinusoidal. Por diferentes
razones, se puede presentar un flujo eléctrico a otras
frecuencias de 50 ó 60 ciclos sobre algunas partes del
sistema de potencia o dentro de la instalación de un usuario.
La forma de onda existente esta compuesta por un número de
ondas sinusoidales de diferentes frecuencias, incluyendo una
referida a la frecuencia fundamental. En la figura se observa
la descomposición de una onda distorsionada en una onda
sinusoidal a la frecuencia fundamental (60 Hz) más una onda
de frecuencia distinta. El término componente armónico o
simplemente armónico, se refiere a cualquiera de las
componentes sinusoidales mencionadas previamente, la cual es
múltiplo de la fundamental. La amplitud de los armónicos es
generalmente expresada en por ciento de la fundamental. |
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Los armónicos se
definen habitualmente con los dos datos más importantes que
les caracterizan, que son: • su amplitud: hace referencia
al valor de la tensión o intensidad del armónico,
• su orden: hace referencia al valor de su frecuencia
referido a la fundamental (60 Hz). Así, un armónico de orden
3 tiene una frecuencia 3 veces superior a la fundamental, es
decir 3 * 60 Hz = 180 Hz.
El orden el armónico, también referido como el rango del
armónico, es la razón entre la frecuencia de un armónico fn y
la frecuencia del fundamental (60 Hz).
(Por principio, la fundamental f1 tiene rango 1). |
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Origen de los Armónicos |
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Los armónicos son
producidos por cargas no lineales, por lo que su impedancia
no es constante (está en función de la tensión). Estas cargas
no lineales a pesar de ser alimentadas con una tensión
sinusoidal adsorben una intensidad no sinusoidal, pudiendo
estar la corriente desfasada un ángulo, respecto a la
tensión.
Existen dos categorías generadoras de armónicos. La primera
es simplemente las cargas no lineales en las que la corriente
que fluye por ellas no es proporcional a la tensión. Como
resultado de esto, cuando se aplica una onda sinusoidal de
una sola frecuencia, la corriente resultante no es de una
sola frecuencia. Transformadores, reguladores y otros equipos
conectados al sistema pueden presentar un comportamiento de
carga no lineal y ciertos tipos de bancos de transformadores
multifase conectados en estrella-estrella con cargas
desbalanceadas o con problemas en su puesta a tierra. Diodos,
elementos semiconductores y transformadores que se saturan
son ejemplos de equipos generadores de armónicos, estos
elementos se encuentran en muchos aparatos eléctricos
modernos. Invariablemente esta categoría de elementos
generadores de armónicos, lo harán siempre que estén
energizados con una tensión alterna. Estas son las fuentes
originales de armónicos que se generan sobre el sistema de
potencia. El segundo tipo de elementos que pueden generar
armónicos son aquellos que tienen una impedancia dependiente
de la frecuencia. |
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Contenido normal de Armónicos |
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Los armónicos
crean problemas sólo cuando interfieren con la operación
propia del equipo, incrementando los niveles de corriente a
un valor de saturación o sobrecalentamiento del equipo o
cuando causan otros problemas similares. También incrementan
las pérdidas eléctricas y los esfuerzos térmicos y eléctricos
sobre los equipos. Los armónicos lo que generalmente originan
son daños al equipo por sobrecalentamiento de devanados y en
los circuitos eléctricos, esta es una acción que destruye los
equipos por una pérdida de vida acelerada, los daños se
pueden presentar pero no son reconocidos que fueron
originados por armónicos. El nivel de armónicos presente
puede estar justamente abajo del nivel que pueden causar
problemas, incrementar este valor límite puede presentarse en
cualquier momento y pasar a un valor donde no se pueden
tolerar. |
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Equipos que producen Armónicos |
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Convertidores
Electrónicos de Potencia:
Equipos de Computación, Control de Luminarias, UPS,
Variadores Estáticos de Velocidad, PLC´s, Control de Motores,
Televisores, Microondas, Fax, Fotocopiadoras, Impresoras,
etc.Equipos con Arqueo de Electricidad:
Hornos de Fundición, Balastros Electrónicos, Equipos de
Soldadura Eléctrica, Sistemas de Tracción Eléctrica.
Equipos Ferromagnéticos:
Transformadores Operando Cerca del Nivel de Saturación,
Balastos Magnético. |
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Influencia de los Armónicos en el sistema |
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La Figura b
ilustra la respuesta obtenida en el nodo 4, al final de la
línea de transmisión. Las formas de onda distorsionadas de
voltaje y su contenido armónico mostrado en la Figura (c)
ilustran el efecto combinado del desbalance intrínseco del
sistema, saturación e interacción de armónicos entre
estator-rotor en el generador, saturación del transformador,
núcleo magnético (3 columnas), configuración eléctrica
(estrella aterrizada-delta) y efecto de la línea de
transmisión. |
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Voltaje y contenido armónico |
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Voltaje y contenido armónico en capacitor |
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Armónicos de corriente |
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Una onda no
sinusoidal pura está formada por una onda fundamental a la
que superponen ondas de frecuencia múltiplos de la frecuencia
fundamental. Estas ondas superpuestas reciben el nombre de
armónicos de orden superior. |
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Las distorsiones
armónicas de corriente distorsionan la onda de tensión al
interactuar con la impedancia del sistema originando la
reducción de la vida util en motores y causando la operación
errática de equipos electrónicos. |
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