Armónicos IEEE 519

 La Importancia de Entender a los Armónicos, en los sistemas actuales

Como se mencionó recientemente, los problemas por distorsión armónica no son nuevos ni para las compañías de distribución eléctrica ni para los sistemas industriales. De hecho, la distorsión fue observada por los operadores de las compañías de distribución a principios de la primera década de este siglo. Típicamente, la distorsión era ocasionada por cargas no lineales conectadas a la red de distribución.   Sin embargo, hoy día son necesarios ciertos métodos para reducir los armónicos, debido a tres razones principales:  1. La proliferación en el uso de los convertidores estáticos de potencia. 2. Las resonancias de red han aumentado. 3. Las cargas del sistema de potencia son cada vez más sensibles al armónico.   La introducción de convertidores de potencia confiables y eficientes ha ocasionado un aumento elevado en el número de dispositivos generadores de armónicas  lo que ha resultado en su dispersión sobre todo el sistema de potencia. El término " convertidor estático de potencia ", como se usa en este texto, se refiere al dispositivo semiconductor que convierte potencia de una frecuencia en potencia de otra frecuencia. Los tipos de convertidores mas comunes en la industria son el rectificador, convertidor de potencia ac en dc, y el inversor que convierte de potencia dc a ac.  Además, el problema de los armónicos es agravado frecuentemente por la tendencia actual de instalar condensadores para mejorar el factor de potencia o regular el voltaje. Debido a que los capacitores se instalan en paralelo con la inductancia de el sistema de potencia, como se muestra en la Figura 3, puede producirse una condición resonante a la frecuencia dada por: 

donde L representa la inductancia del sistema de potencia, y la C representa la capacitancia del capacitor instalado. 

Figura 3. Excitación de un Circuito resonante en Paralelo Si una corriente armónica es inyectada (desde un convertidor estático de potencia, por ejemplo) con una frecuencia cercana a la frecuencia resonante, puede entonces circular una alta corriente oscilante, la que podría quemar el fusible de los condensadores y producir voltajes armónicos altos. Además del aumento en los generadores de armónicas y la resonancia de la red, las cargas y los sistemas eléctricos no se han quedado atrás, y en algunos casos son aun más sensibles a los armónicos. Hay un número de nuevas áreas de interés continuo:   1. Computadoras, la computadora controla herramientas, máquinas, y los diversos tipos de controladores digitales los cuales son especialmente susceptibles al armónico, así como también a otros tipos de interferencia. 2. El armónicos puede ocasionar daños calentando el dialéctico en cables subterráneos. 3. La medición de reactivos puede ser adversamente afectada por los armónicos. 4. Las fallas en bancos de capacitores son frecuentemente ocasionadas por los armónicos. 5. Diseños menos conservadores para máquinas de rotación y transformadores, agravan los problemas de calentamiento ocasionados por los armónicos. 6. Los armónicos puede ser especialmente problemáticos para los sistemas de comunicación.   Los actuales problemas de armónicos pueden tener más consecuencias serias y generalizadas que en el pasado. Los diseñadores y los proyectistas de sistemas deberían ser capaces de reconocer y evitar o mitigar tales problemas. 

Los efectos de los armónicos

 Los efectos de los armónicos se dividen en tres categorías generales:  1. Efectos sobre el sistema de potencia mismo 2. Efectos sobre la carga del consumidor 3. Efectos sobre circuitos de comunicación  En el sistema de potencia, las corrientes armónicas son el problema principal, ocasionando recalentamiento y pérdida de vida útil. Esto refiriéndonos a motores o transformadores. El impacto es peor cuando la resonancia de la red amplifica las corrientes armónicas. Los armónicos pueden también interferir en la operación de relees y mediciones.   Los armónicos pueden ocasionar también errores de disparo a los tiristores en equipos convertidores y en instalaciones SVC, inexactitudes en las mediciones, y falsos disparos en los dispositivos de protección. El desempeño de los equipos de los consumidores, tales  como controladores de velocidad de motores y fuentes de alimentación de computadoras, pueden ser adversamente afectado por los armónicos. Además, las corrientes armónicas que fluyen sobre las líneas de potencia pueden inducir ruido sobre líneas cercanas de comunicación.   La distorsión armónica de voltaje puede ocasionar esfuerzos en el aislamiento de equipos, particularmente en condensadores. Cuando los armónicos deforman el voltaje en el banco de condensadores, el voltaje pico puede ser lo suficientemente alto como para ocasionar una descarga parcial, o efecto corona, dentro de el dieléctrico del condensador. Esto puede producir eventualmente un cortocircuito entre bornes y carcasa y hacer fallar al condensador.  Las corrientes armónicas altas también ocasionan el disparo de fusibles en bancos de condensadores. Esto ocasiona la pérdida de una fuente de alimentación reactiva al sistema, lo que puede ocasionar otros problemas. 

Las fuentes de armónicos

 Los armónicos son ocasionados por cargas no lineales conectadas al sistema de potencia. Las cargas no lineales producen corrientes no sinusoidales. Los resistores, inductores, y los condensadores son dispositivos lineales. Cuando se conecta una carga resistiva en el sistema de potencia AC, se obtiene una corriente sinusoidal. Cuando se conecta una carga inductiva, se observan corrientes sinusoidales aunque con fase diferente a la carga resistiva. Hay muchos tipos de cargas no lineales que producen armónicos. La fuente más grande de armónicos son los convertidores. Los convertidores oscilan desde enormes subestaciones inversoras de 1000 MW para líneas HVDC (High Voltage DC) hasta rectificadores de 75 W encontrados en una televisión. Las otras fuentes no lineales de armónicos incluyen dispositivos de arco tales como hornos de arco, impedancia magnetizante de transformadores, y luces fluorescentes. La corriente armónica ocasionada por las fuentes no lineales pueden ocasionar la distorsión armónica en el voltaje del sistema, lo que puede ocasionar problemas para otros dispositivos. La Figura 4 muestra mediciones para formas de onda de corriente y espectros armónicas para varias fuentes armónicas comunes.   

Los convertidores estáticos de poder

 La mayor aplicación de los convertidores estáticos está en los dispositivos variadores de velocidad para el control de motores. Estos dispositivos (drive) estáticos se usan ahora en todos los motores industriales, ofreciendo mayor eficiencia, mejor control de la velocidad, y mayor operación libre de mantenimiento que otros dispositivos convencionales. Los convertidores usan dispositivos de "switcheo" de estado sólido para convertir la potencia de una frecuencia a otra (comúnmente entre CA y CC). Estos dispositivos de "switcheo" pueden ser diodos, tiristores, GTO, o muchos otros dispositivos de electrónica de potencia.   

Figura 4. Ejemplo de las formas de onda desde varias fuentes comunes.   

Se muestra la salida de un rectificador monofásico de onda completa, para ilustrar como los dispositivos de "switcheo" producen armónicos. Los rectificadores de onda completa son muy comunes en pequeños equipos electrónicos (TVs, computadoras, stereos, etc). El rectificador monofásico para corriente DC se observa en la Figura 5. Los diodos actuan para cortar la mitad negativa de la onda sinusoidal. El condensador trata de retener el voltaje al pico. Dos veces por ciclo, el condensador se carga, y esta es la única vez en que el rectificador dibuja la forma real de la corriente del sistema. Por lo tanto, la corriente de carga se obtiene como la  suma de pulsos tal y como se observa en la Figura 6.   

Figura 5. Rectificador monofásico de onda completa  

Figura 6. Voltaje y Corriente AC a través de la Carga en un rectificador de onda completa.    

Figura 7. Corriente AC obtenida de un equipo común.  

IEEE 519

Los problemas del sistema de potencia asociado con los armónicos comenzaron a ser de interés general en la década de los 70, cuando dos desarrollos independientes tuvieron lugar. El primero era el embargo de petróleo, que condujo a incrementos en la electricidad y al ahorro de la energía. Las compañías de distribución de energía y los consumidores industriales comenzaron a instalar condensadores para el mejoramiento del factor de potencia. Los condensadores reducen la demanda de MVA que exige el sistema eléctrico abasteciendo la porción de reactivos necesarios de forma local (donde se requiere). Como resultado, se reducen las pérdidas eléctricas tanto en la planta industrial como en la red de distribución. Para mejorar el factor de potencia fue necesario incrementar significativamente el número de capacitores conectados en el sistema de potencia. Como una consecuencia, ha habido un aumento igualmente importante en el número de circuitos sintonizados (resonantes)en redes de distribución y plantas. El segundo desarrollo involucrado fue la llegada de la era tecnológica de los tiristores en bajo voltaje. En los años 60, los tiristores fueron desarrollados para motores en DC y luego durante la década de los 70, utilizados para controlar la velocidad de motores AC. Esto resultó en una proliferación de pequeños convertidores operados independientemente sin técnicas de mitigación de armónicas. Aún con niveles de corriente de armónicas relativamente bajo, un circuito resonante puede ocasionar severos problemas de distorsión en el voltaje e interferencia telefónica. Un circuito resonante paralelo puede amplificar los niveles de corriente armónica a un punto tal que produzca falla en los equipos. Los circuitos resonantes serie pueden concentrar el flujo de corrientes armónicas en alimentadores o líneas específicas al punto de producir interferencia telefonica de gran magnitud.   El aumento en el uso de convertidores estáticos, tanto en equipos de control industrial como en aplicaciones domésticas, combinado con el aumento en el uso de los condensadores para el mejoramiento del factor de potencia, han creado problemas generalizados. Debido a lo extenso de estos problemas, ha sido necesario desarrollar técnicas y lineamientos para la instalación de equipos y control de armónicos. Este segmento discute esos lineamientos y su importancia en el diseño de sistemas.   Las normas estadounidenses con respecto a los armónicos han sido agrupadas  por la IEEE en la norma 519: IEEE Recomendciones Prácticas y Requerimientos para el Control de armónicas en Sistemas Eléctricos de Potencia. Existe un efecto combinado de todas las cargas no lineals sobre el sistema de distribución la cual tienen una capacidad limitada para absorber corrientes armónicas. Adicionalmente, las compañías de distribución tienen la responsabilidad de proveer alta calidad de abastecimiento en lo que respecta al nivel del voltaje y su forma de onda. IEEE 519 hace referencia no solo al nivel absoluto de armónicos producido por una fuente individual sino también a su magnitud con respecto a la red de abastecimiento.   Se debe tomar en cuenta que la IEEE 519 esta limitada por tratarse de una colección de recomendaciones prácticas que sirven como guía tanto a consumidores como a distribuidores de energía eléctrica. Donde existan problemas, a causa de la inyección excesiva de corriente armónica o distorsión del voltaje, es obligatorio para el suministrador y el consumidor, resolver estos problemas.   El propósito de la IEEE 519 es el de recomendar límites en la distorsión armónica según dos criterios distintos, específicamente:  1.Existe una limitación sobre la cantidad de corriente armónica que un consumidor puede inyectar en la red de distribución eléctrica. 2.Se establece una limitación en el nivel de voltaje armónico que una compañía de distribución de electricidad puede suministrar al consumidor.     Lineamientos para Clientes Individuales  El límite primario de los clientes individuales es la cantidad de corriente armónica que ellos pueden inyectar en la red de distribución. Los límites de corriente se basan en el tamaño del consumidor con respecto al sistema de distribución. Los clientes más grandes se restringen más que los clientes pequeños. El tamaño relativo de la carga con el respecto a la fuente se define como la relación de cortocircuito (SCR), al punto de acoplamiento común (PCC), que es donde carga del consumidor conecta con otras cargas en el sistema de potencia. El tamaño del consumidor es definido por la corriente total de frecuencia fundamental en la carga, IL, que incluye todas las cargas lineales y no lineals. El tamaño del sistema de abastecimiento es definido por el nivel de la corriente de cortocircuito, ISC, al PCC. Estas dos corrientes definen el SCR:

Una relación alta significa que la carga es relativamente pequeña y que los límites aplicables no serán tan estrictos como los que corresponden cuando la relación es mas baja. Esto se observa en la tabla 1, donde se recomiendan los niveles máximos de distorsión armónica en función del valor de SCR y el orden de la armónica. La tabla también identifica niveles totales de distorsión armónica. Todos los valores de distorsión de corriente se dan en base a la máxima corriente de carga (demanda). La distorsión total está en términos de la distorsión total de la demanda (TDD) en vez del término más común THD.  La tabla 1 muestra límites de corriente para componentes de armónicas individuales así como también distorsión armónica total. Por ejemplo un consumidor con un SCR entre 50 y 100 tiene un límite recomendado de 12.0% para TDD, mientras que para componentes armónicas impares individuales de ordenes menores a 11, el límite es del 10%. Es importante notar que los componentes individuales de las corrientes armónicas no se suman directamente para que todo el armónicos característico no pueda estar a su límite máximo individual sin exceder el TDD.   Tabla 1. IEEE 519 Límites en la Distorsión de la Corriente.  Para condiciones con duración superior a una hora. Para períodos más cortos el límite aumenta un 50%

   Es importante notar que la Tabla 1 muestra unicamente los límites para armónicos impares. IEEE 519 da lineamientos para los armónicos pares limitándolos al 25% de los impares, dentro de la misma gama. El armónicos par es el resultado de una onda de corriente asimétrica (con forma diferente a la positiva y negativa) que puede contener componentes DC que saturarán los núcleos magnéticos.  Para equipos de generación, IEEE 519 no discrimina en el tamaño. Los límites son más estrictos por el hecho de que los límites de inyección de armónicos son menores que los mostrados en la tabla.   

El Calentamiento del Transformador

 Los límites de distorsión dados arriba son permitidos con tal que el transformador utilizado por el usuario no se someta a armónicos que sobrepasen el 5% de la corriente nominal del transformador como lo establece ANSI/IEEE C57.12.00 –  

Flicker de Voltaje  Los lineamientos para el parpadeo de voltaje ocasionado por consumidores individuales se dan también en IEEE 519. La figura 8 se ofrece una guía para determinar el grado de susceptibilidad del problema.   

El Voltaje Mellado  Muchos convertidores estáticos hacen mordeduras grandes o mellan el voltaje (Figuran 9). Los lineamientos se dan según el cliente y la profundidad de la muesca, la THD de voltaje y el área de la muesca (Tabla 2). Este es aplicable en el PCC para sistemas de bajo de voltaje.  

Figura 9. El Voltaje Mellado  Tabla 2. Sistema de bajo Voltaje clasificación y límites de Distorsión.

Los lineamientos para las compañías de eletricidad

 El segundo conjunto de criterios establecido por IEEE 519 se refiere a los límites de distorsión del voltaje. Estos rigen la cantidad de distorsión aceptable en el voltaje que entrega la compañía de electricidad en el  PCC de un consumidor. Los límites armónicos de voltaje recomendados se basan en niveles  lo suficientemente pequeños como para garantizar que el equipo de los suscriptores opere satisfactoriamente. La Tabla 3 enumera los límites de distorsión armónica de voltaje según IEEE 519.    La tabla 3. Límites de distorsión de Voltaje según IEEE 519 (Para condiciones con más de una hora de duración. Períodos más cortos aumentan su límite en un 50%)  

 Como es común, los límites se imponen sobre componentes individuales y sobre la distorsión total para la combinación de todos los voltajes armónicos (THD). Lo diferente en esta tabla, sin embargo, es que se muestras tres límites diferentes. Ellos representan tres clases de voltaje; hasta 69 KV, de 69 a 161 KV, y por encima de 161 KV. Observe que los límites disminuyen cuando el voltaje aumenta, al igual que para los límites de corrientes.  Nuevamente los límites armónicos impares son los únicos que se muestran en la tabla. La generación de armónicos pares se restringe más debido a que la resultante DC puede ocasionar saturación en motores y transformadores. La corriente de secuencia negativa puede ocasionar calentamiento  en generadores. Los armónicos pares individuales  se limitan a un 25% de los límites armónicas impares, al igual que sucede con las corrientes.  Es muy común que los alimentadores de las compañías de electricidad alimenten a más de un consumidor. Los límites de distorsión de voltaje mostrados en la tabla no deberían excederse mientras todos los consumidores conectados no superen los límites de inyección de corriente. Cualquier consumidor que degrade el voltaje en el PCC deberá corregir el problema. Sin embargo, el problema de distorsión de voltaje es uno para la comunidad entera de consumidores y la utilidad. Los consumidores muy grandes pueden buscar un compromiso con la compañía de distribución sobre la resolución de un problema específico, y ambos pueden contribuir a su solución. 

 Interferencia telefónica

 El ruido de teléfono originado por voltajes y corrientes armónicas de los sistemas de potencia se denomina generalmente Factor de Influencia Telefónica (TIF). El sistema reconoce que el ruido inducido por las corrientes o voltajes armónicas tienen un efecto subjetivo sobre el usuario del teléfono. Esto se debe a que el oido humano es más susceptible a algunas frecuencias que los otros. 

Figura 8. Curva de Flicker de Voltaje.

Autor:

PabloTurmero