Armónicos
Los voltajes y las corrientes en un sistema eléctrico de potencia son el resultado de cargas eléctricas no lineales. Las frecuencias armónicas en la red eléctrica son una causa frecuente de problemas de calidad de la energía. Los armónicos en los sistemas eléctricos provocan un aumento del calentamiento en los equipos y conductores, fallos en los variadores de velocidad y pulsaciones de par en los motores. La reducción de los armónicos se considera deseable.
Armónicos de corriente
En un sistema eléctrico de corriente alterna normal, la corriente varía sinusoidalmente a una frecuencia específica, generalmente 50 o 60 hercios. Cuando se conecta una carga eléctrica lineal al sistema, esta consume una corriente sinusoidal a la misma frecuencia que el voltaje (aunque generalmente no en fase con el voltaje).
Los armónicos de corriente son causados por cargas no lineales. Cuando se conecta al sistema una carga no lineal, como un rectificador, esta consume una corriente que no es necesariamente sinusoidal. La forma de onda de la corriente puede volverse bastante compleja, dependiendo del tipo de carga y de su interacción con otros componentes del sistema. Independientemente de lo compleja que llegue a ser la forma de onda de la corriente, tal como se describe mediante el análisis de las series de Fourier, es posible descomponerla en una serie de sinusoides simples, que comienzan en la frecuencia fundamental del sistema eléctrico de potencia y ocurren en múltiplos enteros de la frecuencia fundamental.
Otros ejemplos de cargas no lineales incluyen equipos de oficina comunes como computadoras e impresoras, iluminación fluorescente, cargadores de baterías y también variadores de velocidad.
Armónicos de tercer orden
En los sistemas eléctricos de potencia, los armónicos son múltiplos de la longitud de onda fundamental. Por lo tanto, el armónico de tercer orden es el tercer múltiplo de la longitud de onda fundamental. Este tipo de armónicos se genera en cargas no lineales. Algunos ejemplos de cargas no lineales incluyen transistores, motores eléctricos y transformadores no ideales. Las cargas no lineales crean perturbaciones en el armónico fundamental, las cuales producen todo tipo de armónicos. Sin embargo, en esta sección nos enfocamos en el armónico de tercer orden debido a sus características especiales en el contexto de los sistemas eléctricos de potencia.[1]
Adición de armónicos de tercer orden
Nuestra electricidad es suministrada por un sistema trifásico, donde cada fase está separada 120 grados. Esto se hace por dos razones: en primer lugar, porque los generadores/motores que utilizan tres fases son más eficientes debido al par constante que las fases suministran, y en segundo lugar, porque después de suministrar energía a una carga, las tres fases pueden teóricamente sumarse en un cable neutro y cancelarse entre sí. Esto evita que la empresa eléctrica tenga que crear un cableado de retorno a la planta eléctrica. Sin embargo, si las 3 fases contienen armónicos de tercer orden, las corrientes no se sumarán completamente a cero. Como se ve en la figura, el tercer armónico se sumará constructivamente con los armónicos de tercer orden de las otras fases. Esto provoca una corriente oscilante en el cable neutro, lo que puede ser peligroso ya que está diseñado para transportar una corriente mínima.[1]Para evitar que los armónicos de tercer orden se sumen, se utilizan conexiones delta, y la corriente circula alrededor de la conexión en lugar de combinarse en el neutro de una conexión estrella.
Una lámpara fluorescente compacta es un ejemplo de una carga eléctrica con una característica no lineal, debido al circuito rectificador que utiliza. La forma de onda de la corriente, en azul, está altamente distorsionada.
Armónicos de voltaje
Los armónicos de voltaje son causados principalmente por los armónicos de corriente. El voltaje proporcionado por la fuente de voltaje se verá distorsionado por los armónicos de corriente debido a la impedancia de la fuente. Si la impedancia de la fuente de voltaje es pequeña, los armónicos de corriente solo causarán pequeños armónicos de voltaje.
Fundamentos de los armónicos
Los armónicos proporcionan un análisis matemático de las distorsiones en una forma de onda de corriente o voltaje. Basándose en las series de Fourier, los armónicos pueden describir cualquier onda periódica como una suma de ondas sinusoidales simples que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental.
Los armónicos son distorsiones en estado estacionario de las ondas de corriente y voltaje y se repiten en cada ciclo. Son diferentes de las distorsiones transitorias en los sistemas eléctricos de potencia, como picos, caídas e impulsos.[2]
Distorsión armónica total
La distorsión armónica total, o THD, es una medida común del nivel de distorsión armónica presente en los sistemas eléctricos de potencia. La THD se define como la relación de los armónicos totales con el valor en la frecuencia fundamental.
donde Vn es el voltaje RMS del armónico n y n = 1 es la frecuencia fundamental.
Efectos
Uno de los principales efectos de los armónicos en los sistemas eléctricos de potencia es aumentar la corriente en el sistema. Esto es particularmente el caso del tercer armónico, que causa un aumento brusco en la corriente de secuencia cero, y por lo tanto aumenta la corriente en el conductor neutro. Este efecto puede requerir una consideración especial en el diseño de un sistema eléctrico para alimentar cargas no lineales.[3]
Además del aumento de la corriente de línea, diferentes equipos eléctricos pueden sufrir efectos de los armónicos en el sistema eléctrico de potencia.
Motores
Los motores eléctricos experimentan pérdidas debido a la histéresis y pérdidas debido a las corrientes de Foucault generadas en el núcleo de hierro del motor. Estas son proporcionales a la frecuencia de la corriente. Dado que los armónicos están en frecuencias más altas, producen mayores pérdidas en el núcleo de un motor que la frecuencia de potencia. Esto resulta en un aumento del calentamiento del núcleo del motor, lo que (si es excesivo) puede acortar la vida útil del motor. El quinto armónico causa una FEM (fuerza electromotriz contraria) en motores grandes que actúa en la dirección opuesta de rotación. La FEM no es lo suficientemente grande para contrarrestar la rotación, sin embargo sí juega un pequeño papel en la velocidad de rotación resultante del motor.
Teléfonos
En los Estados Unidos, las líneas telefónicas comunes están diseñadas para transmitir frecuencias entre 300 y 3400 Hz. Dado que la energía eléctrica en los Estados Unidos se distribuye a 60 Hz, normalmente no interfiere con las comunicaciones telefónicas porque su frecuencia es demasiado baja.
Fuentes
Un voltaje puramente sinusoidal es una cantidad conceptual producida por un generador de CA ideal construido con devanados de estator y campo finamente distribuidos que operan en un campo magnético uniforme. Dado que ni la distribución de los devanados ni el campo magnético son uniformes en una máquina de CA en funcionamiento, se crean distorsiones en la forma de onda del voltaje, y la relación voltaje-tiempo se desvía de la función seno pura. La distorsión en el punto de generación es muy pequeña (alrededor del 1% al 2%), pero aun así existe. Debido a que esta es una desviación de una onda seno pura, la desviación está en forma de una función periódica, y por definición, la distorsión del voltaje contiene armónicos.
Cuando se aplica un voltaje sinusoidal a un cierto tipo de carga, la corriente consumida por la carga está determinada por el voltaje y la impedancia y sigue la forma de onda del voltaje. Estas cargas se denominan cargas lineales; ejemplos de cargas lineales son calentadores resistivos, lámparas incandescentes y motores de inducción y síncronos de velocidad constante.
En contraste, algunas cargas hacen que la corriente varíe desproporcionadamente con el voltaje durante cada período cíclico. Estas se clasifican como cargas no lineales, y la corriente consumida por ellas tiene una forma de onda no sinusoidal.
Cuando hay una impedancia significativa en el camino desde la fuente de energía hasta una carga no lineal, estas distorsiones de corriente también producirán distorsiones en la forma de onda del voltaje en la carga. Sin embargo, en la mayoría de los casos en los que el sistema de suministro de energía funciona correctamente bajo condiciones normales, las distorsiones de voltaje serán bastante pequeñas y generalmente se pueden ignorar.
La distorsión de la forma de onda puede analizarse matemáticamente para mostrar que es equivalente a superponer componentes de frecuencia adicionales sobre una onda seno pura. Estas frecuencias son armónicos (múltiplos enteros) de la frecuencia fundamental, y a veces pueden propagarse desde las cargas no lineales, causando problemas en otras partes del sistema eléctrico de potencia.
El ejemplo clásico de una carga no lineal es un rectificador con un filtro de entrada de capacitor, donde el diodo rectificador solo permite que la corriente pase a la carga durante el tiempo en que el voltaje aplicado excede el voltaje almacenado en el capacitor, lo que podría ser una porción relativamente pequeña del ciclo de voltaje entrante.
Otros ejemplos de cargas no lineales son cargadores de baterías, balastos electrónicos, variadores de frecuencia y fuentes de alimentación conmutadas.
