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DISTORSION ARMONICA

El uso de equipo electrnico moderno ha cambiado nuestras vidas, proporcionndonos mayor comodidad y dependencia elctrica, pero este hecho ha cambiado tambin la caracterstica de la carga en las instalaciones modernas. Los equipos electrnicos han ganado el nombre de "Carga no lineal"; debido a su particular caracterstica de consumir corriente no seniodal al aplicrsele alimentacin senoidal. Con lo cual se produce una distorsin de las seales de tensin y corriente a lo largo del sistema de distribucin elctrica. Produciendo algunos efectos adversos, como lo son: Corrientes excedentes por el neutro. Altos niveles voltaje de neutro a tierra. Recalentamiento en transformadores . Reduccin en la capacidad de distribucin Penalizacin por bajo factor de potencia El problema con cargas no lineales, es la forma no sinusiodal que la corriente adopta, producto de las diferentes ondas (mltiplos enteros de la fundamental), que a ella se suman y que son originadas por las cargas no lineales. Esta deformacin de las seales de tensin y corriente se expresa usualmente en trminos de "Distorsin Armnica".

La distorsin armnica describe la variacin en estado estacionario o contnuo en la forma de onda de la frecuencia fundamental. Para esta condicin de estado estacionario las frecuencias son mltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Los sntomas tpicos de problemas de armnicas incluyen disparo en falso de fusibles, disparos inexplicables de interruptores, sobrecalentamiento de transformadores y de motores, funcionamiento defectuoso de impulsores, relevadores, computadoras, etc. La siguiente resea proporciona un breve resumen de las tcnicas y lineamientos con respecto a consideraciones de armnicas. Sistemas de Edificios pequeos (Comerciales y de Oficinas). Los sistemas elctricos de estos edificios, estn compuestos en gran parte de cargas monofsicas que son alimentadas frecuentemente con una fuente de 4 hilos en estrella aterrada. Con la llegada de la computadora personal y la fuente de alimentacin conmutada a principios de los 80's un porcentaje cada vez mayor de estos tipos de cargas son no lineales por naturaleza, es decir producen armnicas. Los dispositivos monofsicos generalmente exhiben las siguientes armnicas de la fundamental en la forma de onda de corriente: 3, 5, 7, 9, 11, 13, etc. (esto incluye todas las armnicas impares) En estos tipos de aplicaciones debe tomarse en cuenta los siguientes puntos: An en condiciones de carga balanceada las armnicas mltiplos de tres se

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sumarn en el conductor neutro. La tercera armnica es generalmente mucho mayor que el resto y es habitualmente la ms significativa. Los transformadores alimentadores conectados en delta-estrella aterrada bloquearn la mayora de las corrientes de tercera armnica y sus mltiplos, evitando que fluyan hacia el sistema de alta tensin. Consecuentemente, esta conexin es preferida en esta aplicacin. Debido a las corrientes de neutro potencialmente altas en esta aplicacin, un conductor neutro comn puede dimensionarse tanto como al doble de los conductores de fase o llevar neutros separados por fase. Los transformadores necesitan ser dimensionados o corregidos para manejar las altas corrientes armnicas. Esta es la aplicacin principal de los transformadores clasificados con factor K. Se recomiendan interruptores de operacin con rms real . Pueden aplicarse filtros a las cargas para reducir las armnicas a lo largo del sistema. Esto puede reducir la clasificacin de factor-K necesario del transformador, as como los requerimientos de corriente de neutro. Pueden emplearse transformadores en zig-zag o estrella-delta para atrapar las armnicas de secuencia cero tales como h= 3, 6, 9, etc. Esto reducir el trabajo en el equipo antes del transformador. Sistemas Comerciales e lndustriales Grandes Los sistemas elctricos comerciales e industriales grandes estn compuestos por cargas trifsicas, en su mayora por impulsores de corriente alterna (ca) y directa (cd), otros dispositivos rectificadores, y circuitos de calentamiento controlados elctricamente. Las armnicas de corriente que son caractersticas de las cargas trifsicas mas continuas son las armnicas impares, excepto para mltiplos de tres (5, 7, 11, 13, etc.). En este tipo de aplicaciones cabe destacar los siguientes puntos: El problema de la corriente del neutro de tercera armnica no es generalmente una consideracin en estas aplicaciones. Ocasionalmente se emplearn dispositivos trifsicos pequeos.. Estos tienen adems armnicas pares como parte de sus caractersticas (es decir. 2,4,5,7,8,10,11,13, etc.). Estos tipos de dispositivos han sido rara vez empleados en los ltimos aos debido a su componente de cd. que puede provocar calentamiento significativo del transformador. Si los KVA de armnicas que producen carga es menor al 30 % de los KVA de capacidad del transformador, la distorsin de tensin tpicamente ser menor de 5 % en el secundario del transformador, cuando no existen capacitores en paralelo en el sistema. La distorsin armnica puede reducirse generalmente siguiendo las guas que se describen a continuacin: No utilizar dispositivos de 3-pulsos o controladores elctricos que empleen configuraciones de SCR y diodos, debido a las armnicas pares que producen. Utilizar reactores de cd, reactores de ca, o transformadores con impulsores de ondeo de pulso modulado (PWM) para reducir las armnicas de ms bajo orden (es decir, 5a y 7a armnica). Al comprar equipo nuevo de 6-pulsos, especificar ITDH

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Si los KVA de armnicas que producen carga son menores al 10% de los KVA de capacidad del transformador, pueden aplicarse los capacitores sin preocuparse por distorsin excesiva. Si los KVA de armnicas que producen carga son menores al 30 % de los KVA de capacidad del transformador y la capacidad en KVAr del capacitor es menor del 20% de los KVA de capacidad del transformador, pueden aplicarse los capacitores sin preocuparse por distorsin excesiva. Si los KVA de armnicas que producen carga exceden del 30% de los KVA de capacidad del transformador, los capacitores deben emplearse como filtros. En sistemas de media y baja tensin donde la distorsin armnica es excesiva pueden aplicarse bancos de filtros de capacitores para reducir dicha distorsin. Las configuraciones tpicas de filtros para estas aplicaciones incluye lo siguiente: filtro de 5a armnica; filtro de 5/7a armnica; filtro de 5/7a/ 11a armnica: filtro de pasa alta de 5/7a/11a armnica. El filtro de 5 armnica es por mucho el ms comn. Donde existen armnicas de bajo orden, pueden emplearse filtros calibrados cercanos a la 3 y 4 armnica. Los otros arreglos de filtros ms complejos y costosos slo se utilizan cuando los niveles de distorsin lo exigen. A veces pueden ser necesarios filtros calibrados a otras frecuencias. Cuando se determinan los requerimientos ptimos de filtros, deben considerarse tambin la evaluacin de las necesidades de factor de potencia Sistemas de las empresas elctricas Las fuentes de distorsin armnica predominantemente vienen de las cargas empleadas por los usuarios conectados a la red de la empresa elctrica; en referencia a esto se destacan las siguientes observaciones: Los niveles de distorsin armnica son generalmente mayores en el sistema elctrico del cliente que en el de la empresa elctrica. Donde no hay un usuario grande nico o una carga productora de armnicas alimentada desde el sistema de distribucin, generalmente es ventajoso distribuir pequeos bancos de capacitores en los alimentadores de distribucin ms que colocar un banco grande en un solo punto. Los bancos de capacitores distribuidos, tienen el efecto de provocar diferentes puntos de resonancia, pero de magnitudes relativamente pequeas comparados con un banco de capacitores grande y nico. Es posible que las armnicas producidas por un consumidor causen problemas a otro alimentado del mismo sistema de distribucin. Este tipo de problemas con frecuencia involucra resonancias con bancos de capacitores y normalmente se resuelve mejor tomando accin en la fuente de armnicas o direccionando los capacitores que puedan provocar resonancia. La interferencia telefnica es otro problema que ocasionalmente ocurre en los sistemas de distribucin. Esto sucede cuando se alimentan cargas productoras de armnicas relativamente grandes desde un sistema de distribucin (12 - 35 KV.) y las lneas telefnicas y de distribucin comparten el mismo derecho de va. Nuevamente, esto se resuelve mejor tomando accin sobre la fuente de armnicas; aunque algunas veces se hace cambiando de lugar eliminando los capacitores instalados en la red de distribucin. Est en funcin del acoplamiento entre las lneas elctricas y telefnicas; pero, la mayora de las veces, es muy poco lo que se logra respecto al arreglo fsico de los conductores. Sin embargo, este contenido de alta frecuencia muchas veces identifica blindajes abiertos en los circuitos telefnicos. Una vez que el blindaje se corrige, el ruido normalmente, se reduce en gran medida. Normas Tcnicas Industriales Histricamente, las armnicas empiezan a ser un factor significativo en el diseo de los sistemas elctricos en los aos 60s con la invencin del rectificador controlado de silicio "SCR". En 1957 se inici un movimiento gradual hacia el uso de la electrnica de potencia para suministrar cantidades significativas de energa. Esto contina incrementndose y se espera que siga as en las dcadas futuras. Consecuentemente, las normas tcnicas empezaron a reflejar el aspecto de las armnicas en los ltimos 10 20 aos. Estas normas significativas con respecto a consideraciones de armnicas se resumen como sigue: La Norma IEEE 519 publicada en 1981. Proporcion los primeros lineamientos para limitar las armnicas en el sistema. Para niveles de tensin inferiores a 69 KV. se recomendaba mantener la distorsin de tensin a menos del 5% . Para tensiones de operacin mayores del sistema se recomendaban niveles de distorsin menores. La Norma IEEE 519 se revis en 1992 . La limitacin del 5% de la tensin permanece, mientras que existe una limitacin en distorsin de corriente en el punto en el que la empresa elctrica v el usuario se enlazan. Este lmite en distorsin de corriente est en el rango de 2.5% a 20% dependiendo del tamao del usuario y de la tensin del sistema. Ese documento proporciona adems una gua sobre la profundidad del vado (notch) y reas asociadas con dispositivos de conmutacin electrnicos, as como consideraciones para interferencias telefnicas.

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La Norma ANSI/IEEE 18 proporciona limitaciones para bancos de capacitores en paralelo que permitan distorsin armnica significativa. Estos lmites son los siguientes: 110% de la tensin nominal rms, 120% de la tensin pico nominal rms, 180% de la corriente nominal rms, 135% de los kVAR nominales. La Norma ANSI/IEEE C57.12.00 y la C57.12.01 proporcionan la limitacin para distorsin de corriente en transformadores en 5% de plena carga. Este valor puede fcilmente excederse cuando la carga productora de armnicas en un transformador exceda entre el 10% y el 20% de la capacidad del transformador en KVA. La Norma ANSI/IEEE C57.110 proporciona una prctica recomendada para establecer la capacidad de un transformador cuando la distorsin excede el 5 %. En 1992 Underwriters Laboratories (UL) revisaron las Normas UL 1561 y UL 1562 para exponer la capacidad armnica de transformadores cubiertos por estos documentos. Los cambios estn basados en el mtodo de clasificacin denominado "factor K", el cual es derivado de la Norma ANSI/IEEE C57.110 y el cual define un sistema de clasificacin de transformadores cuando la distorsin de corriente excede el 5%. Esto ha dado como resultado que muchos fabricantes ofrezcan transformadores con clasificacin de Factor K. En la tabla 310, nota 10( c), del National Electric Code (NEC), se indica que "en un circuito estrella de 3 fases, 4 hilos, donde la porcin mayor de carga es no lineal tal como alumbrado de descarga elctrica, computadoras electrnicas/procesamiento de datos o equipo similar; existen corrientes armnicas presentes en el conductor neutro, y el neutro deber considerarse como un conductor portador de corriente". Una revisin preliminar de 1992 de la ANSI C82.1, "especificacin para balstras de lmparas fluorescentes de alta frecuencia", especifica una Ithd de 32%. Como resultado de la preocupacin en esta rea, muchos disearon recientemente balastras electrnicas con Ithd

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electromagntica radiada, y errores de operadores. Adicionalmente, los factores mecnicos y ambientales juegan un papel en los disturbios del sistema. Estos pueden incluir temperatura, vibracin excesiva y conexiones flojas. Aunque estos pueden ser factores muy importantes, no se discutirn en el presente artculo.

Disturbios en el Sistema.

Los disturbios en el sistema son variaciones generalmente temporales en la tensin del sistema. Que pueden causar mala operacin o fallas del equipo. La variacin de frecuencia puede ocasionalmente ser un factor en los disturbios del sistema, especialmente cuando una carga es alimentada por un generador de emergencia u ocurre un desequilibrio entre la carga de la planta industrial y la generacin debido a la prdida del suministro elctrico. Sin embargo cuando el sistema elctrico del usuario est interconectado a una red de potencia relativamente fuerte, la variacin de frecuencia resulta a veces de preocupacin insignificante.

Disturbios por Sobretensiones Transitorias

Las sobretensiones transitorias se refieren a variaciones en la forma de onda de tensin. que dan como resultado condiciones de sobretensin durante una fraccin de ciclo de la frecuencia fundamental. Las fuentes comunes de estos transitorios son los rayos, operacin de los dispositivos de interrupcin de los sistemas elctricos y el arqueo de conexiones flojas o fallas intermitentes.

Las consideraciones claves se resumen como sigue:

1. Para equipo elctrico tradicional estas sobretensiones han sido manejadas diseando el equipo para soportar sobretensiones de magnitudes de varias veces la tensin pico normal y al mismo tiempo aplicar pararrayos y algunas veces capacitores para frente de onda, con objeto de asegurar que las tensiones no excedieran los niveles de diseo del equipo.

2. El equipo electrnico generalmente no tiene la misma capacidad de aguante como los equipos elctricos ms tradicionales. De hecho el uso de pararrayos que limitan los transitorios a dos o tres veces la tensin nominal pico puede no proporcionar una proteccin adecuada a este equipo. En ese caso, los dispositivos de proteccin contra frente de onda para equipo electrnico pueden necesitar reactores en serie, capacitores en paralelo y/o dispositivos electrnicos, adems de pararrayos resistivos no lineales, parra proporcionar una proteccin adecuada. Cuando no se logra esta proteccin pueden ocurrir fallas o mal funcionamiento.

3. La conmutacin de bancos de capacitores, ya sea en la planta industrial o en la red del sistema elctrico puede causar el funcionamiento defectuoso de algunos equipos. En aos recientes se ha vuelto un problema comn asociado con el disparo inexplicable de muchos impulsores de ca pequeos. Muchos de estos impulsores estn diseados para desconectarse de la lnea por una sobretensin del 10 al 20 % con duracin de una fraccin de ciclo . Ya que muchos bancos de capacitores de empresas elctricas son conmutados diariamente, este problema podra ocurrir en forma muy frecuente. Este indeseable problema de disparo puede usualmente remediarse agregando un reactor en serie con el dispositivo sensible, o modificando su caracterstica de disparo. Otras soluciones pueden incluir la reduccin del transitorio en el banco de capacitores. La operacin de los capacitores se asocia tambin ocasionalmente, con el funcionamiento defectuoso o falla de otros equipos adems de los controladores.