El impacto de los armónicos en los sistemas eléctricos

Comprender los efectos de los armónicos en los sistemas eléctricos es muy útil para mantener las cosas funcionando sin problemas y de manera segura.Los armónicos son cambios en la onda eléctrica que pueden causar diversos problemas como demasiado calor, descomponer el equipo y menos eficiencia.Este artículo explica los diferentes tipos de armónicos, qué los causa y los problemas que pueden crear en los sistemas de energía utilizados en industrias y empresas.También buscaremos formas de solucionar estos problemas, como el uso de filtros especiales, transformadores diseñados para manejar armónicos y controles regulares de calidad de potencia.Nuestro objetivo es proporcionar una guía clara y simple para administrar los armónicos en los sistemas eléctricos de manera efectiva.

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Figura 1: armónicos

Comprender los armónicos en la ingeniería de energía

Los armónicos son corrientes o voltajes a frecuencias más altas que son múltiplos de la frecuencia básica.Pueden causar problemas como formas de onda distorsionadas, calentamiento adicional y menor eficiencia en equipos eléctricos.Los armónicos impares, que ocurren en múltiplos impares de la frecuencia básica, aumentan la distorsión y el calentamiento.Incluso los armónicos, que ocurren incluso en múltiplos de la frecuencia básica, pueden hacer que los transformadores se sobrecalienten.Los armónicos Triplen, que son un tipo específico de armónicos impares, pueden sobrecargar cables neutros y también hacer que los transformadores se sobrecalienten.

Los armónicos se pueden dividir en tres tipos: secuencias positivas, negativas y cero.Los armónicos de secuencia positiva agregan calor adicional al sistema.Los armónicos de secuencia negativa reducen la potencia de los motores y aumentan el calor.Los armónicos de secuencia cero causan calentamiento en los cables neutros.La distorsión armónica total (THD) es una medida de los efectos de los armónicos, con valores más altos que muestran más distorsión.

En entornos industriales, dispositivos como unidades de frecuencia variable crean mucha distorsión.Para reducir estos problemas, podemos usar filtros y transformadores especiales diseñados para manejar altos niveles de armónicos.Verificar regularmente la calidad de la potencia ayuda a encontrar y solucionar problemas armónicos y garantiza el cumplimiento de los estándares IEEE 519.Las herramientas avanzadas pueden medir el 511º armónico para ayudar a manejar estos problemas de manera efectiva.

Tipos de armónicos

Armónicos extraños

Figura 2: armónicos impares

Los armónicos impares son armónicos que son múltiplos impares de la frecuencia principal, como los armónicos tercero, quinto y séptimo.Estos armónicos pueden causar grandes problemas en los sistemas de energía porque pueden dañar el equipo eléctrico y hacer que funcionen mal.Cuando están presentes armónicos impares, aumentan las pérdidas de resistencia y las pérdidas de corrienteult en transformadores.Las pérdidas de resistencia, también llamadas pérdidas de I²R, ocurren porque las corrientes armónicas hacen que los conductores se calienten más.Este calentamiento adicional se debe a la potencia perdida como calor debido a la resistencia en los conductores.Las pérdidas de corriente de Eddy ocurren cuando las corrientes inducidas fluyen dentro del núcleo del transformador, también generando calor.La presencia de armónicos empeora estos efectos porque el núcleo del transformador enfrenta campos magnéticos de mayor frecuencia, que crean más corrientes de remolino y más calor.

Los altos niveles de armónicos impares pueden afectar en gran medida lo bien que funciona un transformador.Para reducir el riesgo de sobrecalentamiento y posible falla, los transformadores a menudo deben reducirse cuando hay altos niveles de armónicos.La reducción de un transformador significa usarlo a una capacidad más baja que su capacidad nominal para reducir el calentamiento causado por los armónicos.Esto hace que el transformador funcione de manera segura y hace que dure más.La reducción implica descubrir cuánto contenido armónico hay y calcular las pérdidas adicionales causadas por estos armónicos.Una vez que se conocen estas pérdidas, la capacidad de carga del transformador se ajusta para evitar que se sobrecaliente y garantizar que funcione de manera confiable.

En términos simples, la reducción de un transformador debido a armónicos impares implica una mirada cuidadosa al contenido armónico de la carga.Los ingenieros usan medidores de calidad de potencia para medir el contenido armónico y ver cómo afecta el transformador.Los datos de estas mediciones se utilizan para descubrir cuánto reducir la carga del transformador para mantenerlo funcionando de manera segura.

Incluso armónicos

Figura 3: incluso armónicos

Incluso los armónicos son frecuencias que son incluso múltiplos de la frecuencia principal, como los armónicos 2º (120 Hz), 4º (240 Hz) y 6º (360 Hz) cuando la frecuencia principal es de 60 Hz.En los sistemas de energía, incluso los armónicos suelen ser pequeños porque la mayoría de las cargas no lineales producen en su mayoría armónicos impares.Sin embargo, la presencia de incluso armónicos puede mostrar problemas específicos dentro del sistema eléctrico.

Incluso los armónicos a menudo indican un desplazamiento de CC en el sistema.Un desplazamiento de CC ocurre cuando hay un componente de corriente continua (CC) mezclada con la forma de onda de corriente alterna (AC).Esto puede ser causado por la rectificación de media onda, que ocurre debido a un rectificador roto.Un rectificador es un dispositivo que cambia de CA a DC, y cuando se rompe, puede producir una forma de onda incompleta, lo que lleva a un desplazamiento de CC.El desplazamiento de DC introducido por incluso armónicos puede causar varios problemas en los sistemas eléctricos.Un efecto principal es la saturación del transformador.Cuando un transformador experimenta un desplazamiento de DC, su núcleo puede saturarse magnéticamente durante los medios ciclos alternativos de la forma de onda de CA.Esta saturación conduce a un sorteo excesivo de corriente, lo que hace que el transformador se sobrecaliente y posiblemente queme el devanado primario.Además, un desplazamiento de CC puede causar vibraciones mecánicas y ruido en los transformadores.La saturación magnética del núcleo da como resultado una fuerte vibración, que puede ser fuerte y dañina físicamente para la estructura del transformador.Incluso un pequeño desplazamiento de CC, más del 1% de la corriente nominal, puede causar estos problemas graves.

Incluso los armónicos también se pueden usar como herramienta de diagnóstico.Su presencia en un sistema eléctrico puede ayudar a identificar problemas relacionados con rectificadores u otros componentes que pueden estar introduciendo un componente de CC en el sistema.Al monitorear y analizar incluso los armónicos, los ingenieros pueden detectar y abordar los problemas temprano, evitando posibles fallas y garantizando la operación confiable del sistema de distribución de energía.

Armónicos triple

Figura 4: armónicos triple

Los armónicos Triplen son un tipo especial de múltiplos impares del tercer armónico.Estos ocurren en el 3, 9, 15, y así sucesivamente.Son producidos de manera única por dispositivos monofásicos y pueden causar problemas significativos en los sistemas eléctricos.

Un problema importante causado por Triplen Armonics es la sobrecarga de cables neutrales.En un sistema trifásico equilibrado, las corrientes en el cable neutral deben cancelarse entre sí.Sin embargo, los armónicos Triplen de los dispositivos monofásicos no se cancelan en el cable neutral.En cambio, se suman, causando corrientes excesivas.Esto puede provocar sobrecalentamiento y daños potenciales en el cable neutral.

Triplen Harmonics también puede interferir con las líneas telefónicas.Las partes de alta frecuencia de estos armónicos pueden crear ruido en las líneas de comunicación que se ejecutan paralelas a los cables de alimentación.Este ruido puede reducir la calidad de las señales telefónicas e interrumpir los sistemas de comunicación.

Otro problema importante con Triplen Armonics es el sobrecalentamiento del transformador.Los transformadores están construidos para manejar los niveles específicos de corriente y voltaje.Los armónicos triple aumentan la corriente RMS (raíz media cuadrada) en los devanados del transformador, causando calentamiento adicional.Si el transformador no está diseñado para manejar este calor adicional, puede conducir al desglose de aislamiento y una eventual falla.

Para reducir los efectos de los armónicos Triplen, se pueden usar transformadores especiales llamados transformadores con clasificación K.Estos transformadores están diseñados para manejar corrientes armónicas más altas sin sobrecalentamiento.Tienen mejores sistemas de enfriamiento y están hechos con materiales que pueden resistir el calor adicional causado por los armónicos.

Secuencia armónica

Una secuencia armónica describe cómo las diferentes frecuencias de las ondas eléctricas interactúan con la onda principal, lo que nos ayuda a comprender su impacto en los sistemas de energía.Hay tres tipos principales de secuencias armónicas: positivo, negativo y cero.

Armónicos de secuencia positiva

Los armónicos de secuencia positiva incluyen frecuencias como la primera, cuarta y séptima armónica.Estos armónicos se mueven en la misma dirección que la onda principal.Aumentan la corriente en el sistema y generan calor adicional en los componentes.Este calor adicional puede dañar el aislamiento, reducir la eficiencia del sistema y hacer que los componentes se descompongan antes de lo esperado.En los motores, estos armónicos interrumpen el campo magnético, lo que hace que el motor funcione de manera menos eficiente y acorta su vida útil.Para manejar estos problemas, es útil usar filtros u otros dispositivos para monitorear y reducir los armónicos de secuencia positiva.

Armónicos de secuencia negativa

Los armónicos de secuencia negativa incluyen frecuencias como los armónicos 2º, 5º y 8º.Estos armónicos se mueven en la dirección opuesta a la onda principal.Reducen la potencia de los motores y crean calor adicional, lo que puede dañar el aislamiento, causar vibraciones mecánicas y acortar la vida útil de los motores y otros componentes.Los transformadores también pueden experimentar mayores pérdidas y sobrecalentamiento debido a estos armónicos.Monitorear e instalar los filtros correctos puede ayudar a administrar los armónicos de secuencia negativa y sus efectos adversos.

Armónicos de secuencia cero

Los armónicos de secuencia cero incluyen frecuencias como los armónicos 3º, 6º y 9º.Estos armónicos no crean un campo magnético giratorio, sino que se acumulan en el cable neutral, lo que hace que se sobrecaliente y se dañe.Esto es especialmente problemático en sistemas con cargas no lineales.El uso de transformadores especiales y filtros armónicos puede ayudar a administrar el calor adicional y reducir el contenido armónico en el sistema, evitando el sobrecalentamiento y el daño al cable neutral.

Causas de armónicos eléctricos

En entornos industriales, ciertos tipos de equipos eléctricos a menudo causan distorsión armónica.Este problema es común con dispositivos como unidades de frecuencia variable (VFD) e inversores.Estos dispositivos cambian la corriente alterna (AC) a la corriente continua (DC) y luego crean una salida de AC de frecuencia variable para controlar las velocidades del motor con precisión en varias aplicaciones.

Durante esta conversión, estos dispositivos dibujan la corriente de una manera no lineal, desigual, en lugar de la forma suave y de onda de las cargas regulares.Este dibujo de corriente desigual agrega componentes armónicos al sistema eléctrico, causando distorsión de voltaje.La razón principal de este dibujo de corriente desigual es las piezas electrónicas internas, como los rectificadores y los circuitos de conmutación, que solo dibujan corriente en ciertos momentos durante el ciclo de CA.Por ejemplo, un VFD que controla un motor industrial primero cambia el CA entrante a DC y luego usa un inversor para crear una salida de CA de frecuencia variable para ajustar la velocidad del motor.La etapa de rectificación implica cambiar las partes que dibujan la corriente en ráfagas, en lugar de continuamente.Este estallido de corriente distorsiona la forma de onda, creando armónicos.

Estos armónicos pueden causar varios problemas en un sistema de energía industrial.Pueden aumentar la calentamiento en transformadores y otras partes eléctricas, reduciendo su eficiencia y vida útil.La distorsión armónica también puede causar equipos electrónicos sensibles al mal funcionamiento, aumentar las pérdidas de energía e interferir potencialmente con los sistemas de comunicación.

Para reducir estos efectos, los fabricantes de equipos diseñan sus productos para cumplir con los estándares de compatibilidad electromagnética (EMC).Estas normas limitan la cantidad de distorsión armónica que sus dispositivos pueden introducir en el sistema de energía.Los estándares EMC aseguran que los dispositivos individuales no causen una distorsión excesiva que pueda afectar todo el sistema de energía.Sin embargo, incluso con los equipos que cumplen con EMC, el efecto combinado de muchos dispositivos que se ejecutan al mismo tiempo aún puede causar una distorsión armónica significativa.Esto hace que sea imperativo monitorear y gestionar activamente los armónicos en entornos industriales.

Problemas propensos a ocurrir a niveles armónicos más altos

Problemas en motores y generadores

Los armónicos pueden causar grandes problemas en motores y generadores.El calor adicional creado por las corrientes armónicas puede descomponer el aislamiento y poner estrés en las partes de la máquina.Esto puede hacer que estas máquinas fallen antes, tengan una vida más corta y necesiten más reparaciones.Las vibraciones armónicas también pueden causar desgaste en las máquinas, lo que empeora el problema.

Menor eficiencia

Los armónicos empeoran las pérdidas resistivas (pérdidas I²R) en cables y transformadores.Estas pérdidas crean calor adicional, lo que hace que el sistema de energía sea menos eficiente.El calor adicional puede acelerar el envejecimiento de los materiales de aislamiento, lo que lleva a fallas más frecuentes y un mayor uso de energía.

Viajes de interruptores de circuito no planificados y fusibles soplados

Los altos niveles armónicos pueden hacer que los interruptores de circuitos se tripulen y los fusibles soplen sin ninguna buena razón.Esto sucede porque los armónicos pueden causar demasiado calor e interferencia magnética en estos dispositivos de seguridad, haciéndolos funcionar incorrectamente.Este disparo no deseado puede interrumpir las operaciones, causar tiempo de inactividad no planificado y necesita más mantenimiento.

Problemas con equipos electrónicos

Los dispositivos electrónicos son muy sensibles a la distorsión armónica.Los armónicos pueden causar problemas en dispositivos como computadoras, equipos de comunicación y otros productos electrónicos sensibles.La interferencia de las frecuencias armónicas puede estropear los datos, causar errores de comunicación y reducir el rendimiento, lo que requiere filtrado y protección adicionales.

Resonancias inesperadas

Las frecuencias armónicas pueden mezclarse con las frecuencias naturales del sistema de energía, causando resonancias.Estas resonancias pueden fortalecer las corrientes y voltajes armónicos, lo que lleva a sobrecargadores, sobrecalentamiento y posibles daños al equipo.Encontrar y arreglar condiciones resonantes ayuda a prevenir fallas graves en los sistemas de energía.

Soluciones para mitigar armónicas

Instalación de filtros

Los filtros son una solución práctica y económica para reducir los armónicos en los sistemas de distribución de energía.Los filtros armónicos están diseñados para bloquear o reducir las frecuencias armónicas específicas, lo que permite que solo pase la frecuencia base.Este proceso ayuda a limpiar la forma de onda eléctrica y mitigar los efectos adversos de los armónicos.

Para implementar filtros de manera efectiva, la realización de encuestas armónicas es imprescindible.Estas encuestas implican el uso de analizadores de calidad de potencia para medir los niveles y tipos de armónicos presentes en el sistema.Al identificar las frecuencias armónicas específicas y sus fuentes, los ingenieros pueden diseñar e instalar filtros diseñados para abordar las necesidades particulares del sistema.Existen diferentes tipos de filtros disponibles, como filtros pasivos, activos e híbridos, cada uno con sus aplicaciones y beneficios específicos.Los filtros pasivos consisten en inductores, condensadores y resistencias.Están sintonizados para filtrar frecuencias armónicas específicas.Los filtros pasivos son rentables y simples de implementar, pero pueden ser voluminosos y menos flexibles en los sistemas dinámicos.Los filtros activos usan la electrónica de potencia para contrarrestar dinámicamente la distorsión armónica.Son más versátiles y pueden adaptarse a los perfiles armónicos cambiantes en tiempo real.Los filtros activos son más caros, pero proporcionan un rendimiento superior en condiciones de carga variable.Los filtros híbridos combinan componentes de filtro pasivo y activo para optimizar el rendimiento y el costo.Ofrecen un enfoque equilibrado, proporcionando una mitigación armónica efectiva con una inversión moderada.

Usando transformadores de factor K altos

Figura 5: Transformador de factor K alto y su forma de onda actual

Los transformadores de factor K altos están hechos para manejar el calor adicional causado por las corrientes armónicas.El "factor K" es una calificación que muestra qué tan bien un transformador puede lidiar con estas corrientes sin ponerse demasiado caliente.Estos transformadores tienen mejores sistemas de aislamiento y enfriamiento para administrar el calor adicional de los armónicos.Pueden deshacerse del calor extra, prevenir el daño y hacer que la vida del transformador sea más larga.Al manejar niveles armónicos más altos, estos transformadores reducen el riesgo de sobrecalentamiento y falla, lo que hace que el sistema de distribución de energía sea más confiable.

El uso de transformadores de factor K altos requiere una planificación cuidadosa.Costan más y son más difíciles de instalar que los transformadores regulares.El proceso comienza con una verificación detallada para calcular la calificación de factor K necesaria para el uso específico.Esta verificación implica observar el contenido armónico de la carga y comprender cómo afecta el transformador.Los ingenieros usan herramientas para medir los niveles armónicos y calculan el calor extra causado por estos armónicos.

Una vez que se determina la calificación de factor K correcta, el siguiente paso es equilibrar los beneficios a largo plazo con los costos iniciales.Los transformadores de factor K altos reducen las necesidades de mantenimiento y mejoran la confiabilidad, lo que puede compensar sus mayores costos de compra e instalación con el tiempo.Sin embargo, instalar estos transformadores es compleja, por lo que se requiere una planificación cuidadosa para minimizar la interrupción.Esto incluye la programación posible tiempo de inactividad para reemplazar o instalar el transformador y considerar todos los impactos en las operaciones.

Encuestas regulares de calidad de potencia

Se necesitan controles regulares de calidad de potencia para mantener los sistemas eléctricos saludables y en funcionamiento bien.Estas verificaciones implican medir sistemáticamente las propiedades eléctricas para encontrar y solucionar problemas potenciales temprano.Al monitorear constantemente la calidad de la potencia, nos aseguramos de que el equipo eléctrico funcione bien, dure más y sea más confiable.Las mediciones deben tomarse en los puntos clave del sistema, como en dónde entra la potencia y en los paneles de distribución.La recopilación regular de datos ayuda a detectar patrones que podrían mostrar problemas en desarrollo, como niveles crecientes de ruido eléctrico o cambios de voltaje.Los medidores de calidad de potencia, que miden el voltaje, la corriente, el ruido eléctrico y los cambios repentinos, son las principales herramientas utilizadas en estas comprobaciones.Los medidores avanzados registran datos a lo largo del tiempo, dando una imagen completa de las tendencias de calidad de potencia.Mirar estos datos ayuda a encontrar diferencias con las condiciones normales, permitiendo correcciones oportunas y reduciendo el riesgo de que los equipos se rompan.

Cumplimiento de los estándares IEEE 519

Los estándares IEEE 519 establecen reglas para niveles aceptables de voltaje y distorsión de corriente en sistemas eléctricos.Estas reglas ayudan a prevenir daños al equipo y garantizar la confiabilidad del sistema.

La siguiente tabla muestra los estándares IEEE 519-2014 para la distorsión armónica total (THD) en voltaje y corriente para diferentes niveles de voltaje:

Figura 6: Tabla que muestra los límites de distorsión armónica total (THD) para el voltaje y la corriente a diferentes niveles de voltaje

Los analizadores de calidad de potencia son herramientas que ayudan a medir los armónicos hasta el 511º armónico.Estos analizadores proporcionan datos detallados que permiten un monitoreo preciso y la gestión de la calidad de la potencia.Ayudan a identificar frecuencias armónicas específicas y sus tamaños, lo que permite soluciones específicas.

El monitoreo regular de la calidad de potencia asegura que los niveles armónicos permanezcan dentro de los límites aceptables y ayuden a detectar posibles problemas temprano.La gestión de armónicos implica efectivamente encontrar y fijar fuentes de distorsión, como instalar filtros armónicos y actualizar transformadores.

Conclusión

Los armónicos en los sistemas eléctricos pueden causar muchos problemas, como sobrecalentamiento, fallas de equipos e ineficiencias.Al comprender los diferentes tipos de armónicos, ODD, incluso y Triplen, y cómo afectan las piezas eléctricas, los ingenieros pueden predecir y solucionar mejor estos problemas.El uso de soluciones como filtros armónicos, transformadores especiales que manejan el calor adicional y las controles regulares de la calidad de la potencia ayudan a mantener los sistemas confiables y eficientes.Seguir los estándares IEEE 519 asegura que los niveles armónicos permanezcan dentro de los límites seguros, protegiendo tanto el equipo como las operaciones.La gestión de armónicos no solo hace que los sistemas eléctricos duren más, sino que también mejora el rendimiento y reduce los costos de mantenimiento, lo que lo convierte en una parte clave de la ingeniería eléctrica moderna.

Preguntas frecuentes [Preguntas frecuentes]

1. ¿Cuáles son los peligros de los armónicos?

Los peligros de los armónicos incluyen el sobrecalentamiento de equipos eléctricos, falla de aislamiento prematuro, mayores pérdidas, mal funcionamiento de productos electrónicos sensibles, disparos molestos de interruptores de circuitos y posibles condiciones de resonancia que pueden causar daños graves a los componentes.

2. ¿Cuáles son los efectos de los armónicos en la calidad de la potencia y las pérdidas en los sistemas de distribución de energía?

Los armónicos degradan la calidad de la potencia al distorsionar las formas de onda de voltaje y corriente, lo que lleva a una mayor pérdida en transformadores y conductores, una eficiencia reducida, sobrecalentamiento e interferencia con equipos sensibles, lo que puede provocar fallas operativas y mayores costos de mantenimiento.

3. ¿Cuál es la principal causa de armónicos en un sistema eléctrico?

Una causa importante de armónicos en un sistema eléctrico es la presencia de cargas no lineales, como unidades de frecuencia variable, inversores, rectificadores y otros dispositivos electrónicos que atraen la corriente de manera no sinusoidal, introduciendo corrientes armónicas en el sistema.

4. ¿Cuál es el efecto de los armónicos en el factor de potencia de un sistema de distribución?

Los armónicos afectan negativamente el factor de potencia de un sistema de distribución al aumentar la potencia aparente, lo que hace que se dibuje más corriente para la misma cantidad de potencia real.Esto da como resultado una menor eficiencia y mayores costos operativos debido a una mayor pérdida y una capacidad reducida de los componentes del sistema.

5. ¿Cuáles son los armónicos en un sistema de distribución de energía eléctrica?

Los armónicos en un sistema de distribución de energía eléctrica son corrientes o voltajes a frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia base (60 Hz en los EE. UU.).Resultan de cargas no lineales y causan distorsión en la forma de onda, lo que lleva a varios problemas operativos y de eficiencia dentro del sistema.