Este documento describe los conceptos básicos relacionados con el análisis de armónicos en sistemas eléctricos de potencia. Explica qué son los armónicos, sus fuentes principales, y cómo se miden a través de índices como THD e IHD. También cubre los efectos de los armónicos, soluciones para mitigarlos como filtros y ajustes de impedancia, y herramientas de software para realizar estudios de armónicos.
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Módulo Armónicos – Harmonic
•Objetivos de los Estudios de Armónicos:
Determinar los niveles de distorsión armónica en las barras principales del
sistema eléctrico de potencia.
Determinar si estos niveles exceden o no el valor máximo recomendado por la
Norma IEEE Std 519 (“IEEE Recommended Practices and Requirements for
Harmonic Control in Electrical Power Systems”).
Determinar si equipos como transformadores, generadores, motores,
capacitores y cables de potencia se ven afectados y/o deben ser penalizados
en su capacidad nominal por niveles excesivos de distorsión armónica,
dependiendo de los requerimientos del Proyecto.
Hacer las recomendaciones pertinentes para mitigar los niveles de distorsión
armónica y solventar el problema de valores excedidos de los mismos, si es el
caso. El estudio pudiera incluir la evaluación de la ubicación, en el sistema
eléctrico, de los dispositivos para mitigar la distorsión armónica.
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Módulo Armónicos – Harmonic
Armónicos. Una función periódica no senoidal puede ser descompuesta en la suma de
una función senoidal de la frecuencia fundamental y de otras funciones senoidales, cuyas
frecuencias son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Estas funciones
adicionales son conocidas como componentes armónicas o simplemente como
Armónicos.
En sistemas eléctricos la palabra Armónicos se utiliza para designar corrientes o tensiones
de frecuencias múltiplos de la frecuencia fundamental de la alimentación.
•Aspectos Básicos de Armónicos: Definición
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Módulo Armónicos – Harmonic
Fuentes de Corriente de Armónicos. Las cargas no lineales que pueden ser
modeladas como fuentes de corriente de armónicos en el ETAP son: Cargas Estáticas,
UPS, Cargadores / Convertidores, Variadores de Velocidad (VFD), Transformadores:
Cuando están saturados (ligeramente cargados).
Fuentes de Tensión de Armónicos. Los siguientes elementos pueden ser modelados
como fuentes de tensión de armónicos: Power Grid, Generador sincrónico, Inversor,
Cargadores / Convertidores, Cargas Estáticas
•Aspectos Básicos de Armónicos: Fuentes
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IHD (Individual Harmonic Distortion). La Distorsión Armónica Individual es la
relación entre la componente armónica y la componente fundamental. Este factor se
utiliza para evaluar los efectos de cada armónica individualmente y examinar su
magnitud.
•Aspectos Básicos de Armónicos: Índices
Módulo Armónicos – Harmonic
THD (Total Harmonic Distortion). La Distorsión Armónica Total es la relación entre el
valor eficaz de las componentes armónicas de tensión o intensidad de corriente y el
correspondiente valor fundamental. Este factor determina el grado de distorsión de una
señal periódica con respecto a la senoidal.
Fi: amplitud del la armónica ith
F1: amplitud de la fundamental
Fi: amplitud del la armónica ith
F1: amplitud de la fundamental
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•Aspectos Básicos de Armónicos: Resonancia
Módulo Armónicos – Harmonic
Resonancia. A medida que aumenta la frecuencia, la reactancia inductiva del circuito
equivalente del sistema eléctrico aumenta, en tanto que la reactancia capacitiva de un
banco de capacitores disminuye. Existirá entonces al menos una frecuencia en que las
reactancias sean iguales, provocando la resonancia.
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•Aspectos Básicos de Armónicos:
Recomendaciones IEEE Standard 519
Módulo Armónicos – Harmonic
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•Aspectos Básicos de Armónicos: Efectos
Módulo Armónicos – Harmonic
Calentamiento y hasta destrucción de condensadores por sobretensión. Su impedancia
decrece proporcionalmente con el orden de los armónicos presentes.
Sobrecalentamiento y averías en transformadores.
Calentamiento de motores de inducción.
Pérdidas en el cobre de los conductores por efecto piel “skin”. Efecto proporcional a la
frecuencia, en corriente alterna la intensidad se acumula en los extremos del cable por lo
que se reduce la sección efectiva del mismo.
Pérdidas dieléctricas en condensadores.
Intensidades en los conductores de neutro, incluso en redes equilibradas producido por
los armónicos triples (3, 6, 9, 12, etc).
Interferencia con sistemas de comunicación (telemandos y sistemas telefónicos).
Falla de interruptores automáticos por efecto di/dt.
Operación incorrecta de contactores y relés.
Restablecimiento de ordenadores y errores en PLCs.
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•Aspectos Básicos de Armónicos: Soluciones
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Cambio del VFD por uno de mayor o menor número de pulsos.
Incremento o disminución de motores con VFD.
Conexión o desconexión de bancos de capacitores.
Modificación en la topología de la red por cambio en el esquema de operación
(contingencias y/o emergencias).
Incorporación de reactores (inductancias) en serie con alimentador de las fuentes de
armónicos.
Incorporación de filtros de armónicos.
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Módulo Armónicos – Harmonic
•Aspectos Básicos de Armónicos: Filtros Pasivos
Sintonización Sencilla. Filtros sintonizados a una única frecuencia.
By-Pass. Filtros con características de frecuencia by-pass
Pasa-Alto Amortigüado. Filtros paso alto con características de frecuencia
amortiguada
Pasa-Alto No Amortigüado. Filtros paso alto con características de frecuencia no
amortiguada
Amortigüado 3er Orden. Filtros paso alto amortiguados con circuitos LC en serie para
conseguir pérdidas cero a la frecuencia fundamental evitando resonancia
Tipo-C 3er Orden. Filtros paso alto amortiguados con circuitos LC en serie para
conseguir pérdidas cero a la frecuencia fundamental evitando resonancia
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•Barra de Herramientas para Cálculo: Armónicos
Estudio de Flujo de Carga Armónico
Opciones Gráficas
Reportes
Gráficos
Estudio de la Frecuencia (“Frequency Scan”)
Módulo Armónicos – Harmonic
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•Barra de Herramientas para Cálculo: Armónicos
Módulo Armónicos – Harmonic
Estudio de Flujo de Carga Armónico.- Calcula un flujo de carga
a la frecuencia fundamental. Luego ajusta la impedancia de los
componentes del sistema eléctrico basado en las fuentes de
armónicos existentes, obteniendo una solución de flujo de carga
para cada frecuencia de armónico.
Finalidad del Estudio: Calcular los índices para la medición de los
armónicos (THD, etc).
Estudio de la Frecuencia (“Frequency Scan”). Calcula la
magnitud y el ángulo de fase para cada barra en un rango de
frecuencia especificado por el usuario.
Finalidad del Estudio: Detectar cualquier condición de resonancia
paralela. Verificar el dimensionamiento de filtros de armónicos.
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Módulo Armónicos – Harmonic
•Ajustar Parámetros en HA Study Case
Información básica
Se selecciona la precisión de los
resultados, así como la carga
inicial del sistema eléctrico
Gráficos
Se seleccionan los elementos del
sistema eléctrico que se
requieren graficar para el
análisis
Modelo
Se seleccionan los elementos del
sistema eléctrico que NO se
quiere sean modelados como
fuentes de armónicos para el
análisis de los estudios
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Módulo Armónicos – Harmonic
•Ajustar Parámetros en HA Study Case
Información básica
Se selecciona la precisión de los
resultados, así como la carga
inicial del sistema eléctrico
Gráficos
Se seleccionan los elementos del
sistema eléctrico que se
requieren graficar para el
análisis
Modelo
Se seleccionan los elementos del
sistema eléctrico que NO se
quiere sean modelados como
fuentes de armónicos para el
análisis de los estudios
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Módulo Armónicos – Harmonic
•Ajustar Parámetros en HA Study Case
Información básica
Se selecciona la precisión de los
resultados, así como la carga
inicial del sistema eléctrico
Gráficos
Se seleccionan los elementos del
sistema eléctrico que se
requieren graficar para el
análisis
Modelo
Se seleccionan los elementos del
sistema eléctrico que NO se
quiere sean modelados como
fuentes de armónicos para el
análisis de los estudios
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Módulo Armónicos – Harmonic
•Ajustar Parámetros en HA Study Case
Ajustes
El usuario selecciona los
elementos del sistema eléctrico
que requieren ajustes de la
impedancia según un margen de
tolerancia, así como los ajustes
por temperatura en las
resistencias
Alertas
Una vez realizados los estudios
de armónicos, el ETAP muestra
las alarmas de los elementos
que excedan la condición
“crítica” y/o “marginal”
especificadas por el usuario
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Módulo Armónicos – Harmonic
•Ajustar Parámetros en HA Study Case
Ajustes
El usuario selecciona los
elementos del sistema eléctrico
que requieren ajustes de la
impedancia según un margen de
tolerancia, así como los ajustes
por temperatura en las
resistencias
Alertas
Una vez realizados los estudios
de armónicos, el ETAP muestra
las alarmas de los elementos
que excedan la condición
“crítica” y/o “marginal”
especificadas por el usuario
