ETAP - Armonicos

HARMONICS
Objetivos de los Estudios de ArmónicosObjetivos de los Estudios de Armónicos
Los objetivos de los Estudios de Armónicos son:Los objetivos de los Estudios de Armónicos son:
Determinar los niveles de distorsión armónica en lasDeterminar los niveles de distorsión armónica en las
barras principales del sistema eléctrico de potencia.barras principales del sistema eléctrico de potencia.
Determinar si estos niveles exceden o no el valorDeterminar si estos niveles exceden o no el valor
máximo recomendado por la Norma IEEE Std 519máximo recomendado por la Norma IEEE Std 519
(“(“IEEE Recommended Practices and RequirementsIEEE Recommended Practices and Requirements
for Harmonic Control in Electrical Power Systemsfor Harmonic Control in Electrical Power Systems”).”).

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Objetivos de los Estudios de Armónicos (cont.)Objetivos de los Estudios de Armónicos (cont.)
Determinar si equipos como transformadores,Determinar si equipos como transformadores,
generadores, motores, capacitores y cables de potencia segeneradores, motores, capacitores y cables de potencia se
ven afectados y/o deben ser penalizados en su capacidadven afectados y/o deben ser penalizados en su capacidad
nominal por niveles excesivos de distorsión armónica,nominal por niveles excesivos de distorsión armónica,
dependiendo de los requerimientos del Proyecto.dependiendo de los requerimientos del Proyecto.
Hacer las recomendaciones pertinentes para mitigar losHacer las recomendaciones pertinentes para mitigar los
niveles de distorsión armónica y solventar el problema deniveles de distorsión armónica y solventar el problema de
valores excedidos de los mismos, si es el caso. El estudiovalores excedidos de los mismos, si es el caso. El estudio
pudiera incluir la evaluación de la ubicación, en el sistemapudiera incluir la evaluación de la ubicación, en el sistema
eléctrico, de los dispositivos para mitigar la distorsióneléctrico, de los dispositivos para mitigar la distorsión
armónica.armónica.

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Casos que se Pueden AnalizarCasos que se Pueden Analizar
Cambio del VFD por uno de mayor o menor número deCambio del VFD por uno de mayor o menor número de
pulsos.pulsos.
Incremento o disminución de motores con VFD.Incremento o disminución de motores con VFD.
Conexión o desconexión de bancos de capacitores.Conexión o desconexión de bancos de capacitores.
Modificación en la topología de la red por cambio en elModificación en la topología de la red por cambio en el
esquema de operación (contingencias y/o emergencias).esquema de operación (contingencias y/o emergencias).
Incorporación de reactores (inductancias) en serie conIncorporación de reactores (inductancias) en serie con
alimentador de las fuentes de armónicos.alimentador de las fuentes de armónicos.
Incorporación de filtros de armónicos.Incorporación de filtros de armónicos.

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NormasNormas
IEEE Standards 519, “IEEE Standards 519, “IEEE Recommended Practices andIEEE Recommended Practices and
Requirements for Harmonic Control in Electrical PowerRequirements for Harmonic Control in Electrical Power
SystemsSystems”.”.
IEEE Standards 141, “IEEE Standards 141, “IEEE Recommended Practice forIEEE Recommended Practice for
Electric Power Distribution for Power PlantsElectric Power Distribution for Power Plants”.”.
ANSI/IEEE Standard 399, “ANSI/IEEE Standard 399, “IEEE Recommended PracticeIEEE Recommended Practice
for Power System Analysisfor Power System Analysis””..

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Conceptos BásicosConceptos Básicos
Definición de Armónicos.Definición de Armónicos.-- Una función periódica no senoidalUna función periódica no senoidal
puede ser descompuesta en la suma de una función senoidal depuede ser descompuesta en la suma de una función senoidal de
la frecuencia fundamental y de otras funciones senoidales, cuyasla frecuencia fundamental y de otras funciones senoidales, cuyas
frecuencias son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental.frecuencias son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental.
Estas funciones adicionales son conocidas como componentesEstas funciones adicionales son conocidas como componentes
armónicas o simplemente como Armónicos.armónicas o simplemente como Armónicos.
En sistemas eléctricos la palabra Armónicos se utiliza paraEn sistemas eléctricos la palabra Armónicos se utiliza para
designar corrientes o tensiones de frecuencias múltiplos de ladesignar corrientes o tensiones de frecuencias múltiplos de la
frecuencia fundamental de la alimentación.frecuencia fundamental de la alimentación.

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Conceptos Básicos (cont.)Conceptos Básicos (cont.)

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Fuentes de Corriente de Armónicos.Fuentes de Corriente de Armónicos.-- Las cargas no lineales queLas cargas no lineales que
pueden ser modeladas como fuentes de corriente de armónicospueden ser modeladas como fuentes de corriente de armónicos
en el ETAP son:en el ETAP son:
Cargas Estáticas.Cargas Estáticas.
UPS.UPS.
Cargadores / Convertidores.Cargadores / Convertidores.
Variadores de Velocidad (VFD).Variadores de Velocidad (VFD).
Transformadores: Cuando están saturados (ligeramenteTransformadores: Cuando están saturados (ligeramente
cargados).cargados).

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Fuentes de Tensión de Armónicos.Fuentes de Tensión de Armónicos.-- Los siguientes elementosLos siguientes elementos
pueden ser modelados como fuentes de tensión de armónicos:pueden ser modelados como fuentes de tensión de armónicos:
Power Grid.Power Grid.
Generador sincrónico.Generador sincrónico.
Inversor.Inversor.
Cargadores / Convertidores.Cargadores / Convertidores.
Cargas Estáticas.Cargas Estáticas.

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Efectos de los Armónicos.Efectos de los Armónicos.-- Los principales inconvenientesLos principales inconvenientes
causados por los armónicos se pueden resumir en:causados por los armónicos se pueden resumir en:
Falla de interruptores automáticos por efecto di/dt.Falla de interruptores automáticos por efecto di/dt.
Operación incorrecta de contactores y relés.Operación incorrecta de contactores y relés.
Interferencia con sistemas de comunicaciónInterferencia con sistemas de comunicación
(telemandos y sistemas telefónicos).(telemandos y sistemas telefónicos).
Restablecimiento de ordenadores y errores enRestablecimiento de ordenadores y errores en PLCsPLCs..
Calentamiento y hasta destrucción de condensadoresCalentamiento y hasta destrucción de condensadores
por sobretensión. Su impedancia decrecepor sobretensión. Su impedancia decrece
proporcionalmente con el orden de los armónicosproporcionalmente con el orden de los armónicos
presentes.presentes.

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Sobrecalentamiento y averías en transformadores.Sobrecalentamiento y averías en transformadores.
Calentamiento de motores de inducción.Calentamiento de motores de inducción.
Pérdidas en el cobre de los conductores por efecto pielPérdidas en el cobre de los conductores por efecto piel
““skinskin”. Efecto proporcional a la frecuencia, en corriente”. Efecto proporcional a la frecuencia, en corriente
alterna la intensidad se acumula en los extremos delalterna la intensidad se acumula en los extremos del
cable por lo que se reduce la sección efectiva delcable por lo que se reduce la sección efectiva del
mismo.mismo.
Pérdidas dieléctricas en condensadores.Pérdidas dieléctricas en condensadores.
Intensidades en los conductores de neutro, incluso enIntensidades en los conductores de neutro, incluso en
redes equilibradas producido por los armónicos triplesredes equilibradas producido por los armónicos triples
(3, 6, 9, 12,(3, 6, 9, 12, etcetc).).

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Efectos de Resonancia.Efectos de Resonancia.-- La impedancia de inductancias yLa impedancia de inductancias y
condensadores depende de la frecuencia. La conexión en serie ocondensadores depende de la frecuencia. La conexión en serie o
en paralelo de inductancias y condensadores da lugar aen paralelo de inductancias y condensadores da lugar a
situaciones singulares, denominadas de resonancia, en lassituaciones singulares, denominadas de resonancia, en las
cuales la impedancia se hace mínima o máxima, y puedecuales la impedancia se hace mínima o máxima, y puede
ocasionar:ocasionar:
Errores en equipos de medida.Errores en equipos de medida.
Errores de medición de energía activa, reactiva y factorErrores de medición de energía activa, reactiva y factor
de potencia.de potencia.
Lecturas erróneas con multímetros basados en el valorLecturas erróneas con multímetros basados en el valor
medio o con poco ancho de banda.medio o con poco ancho de banda.

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Costos.Costos.-- La magnitud de los costos originados por la operaciónLa magnitud de los costos originados por la operación
de sistemas y equipos eléctricos con tensiones y corrientesde sistemas y equipos eléctricos con tensiones y corrientes
distorsionadas puede percibirse considerando lo siguiente:distorsionadas puede percibirse considerando lo siguiente:
Una elevación de sólo 10º C de la temperatura máximaUna elevación de sólo 10º C de la temperatura máxima
del aislamiento de un conductor reduce a la mitad sudel aislamiento de un conductor reduce a la mitad su
vida útil.vida útil.
Un aumento del 10% de la tensión máxima delUn aumento del 10% de la tensión máxima del
dieléctrico de un condensador reduce a la mitad su vidadieléctrico de un condensador reduce a la mitad su vida
útil.útil.

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THD (TotalTHD (Total HarmonicHarmonic DistortionDistortion).).-- La Distorsión Armónica TotalLa Distorsión Armónica Total
es la relación entre el valor eficaz de las componentes armónicaes la relación entre el valor eficaz de las componentes armónicass
de tensión o intensidad de corriente y el correspondiente valorde tensión o intensidad de corriente y el correspondiente valor
fundamental.fundamental.
Este factor determina el grado de distorsión de una señalEste factor determina el grado de distorsión de una señal
periódica con respecto a la senoidal.periódica con respecto a la senoidal.

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IHD (IndividualIHD (Individual HarmonicHarmonic DistortionDistortion).).-- La Distorsión ArmónicaLa Distorsión Armónica
Individual es la relación entre la componente armónica y laIndividual es la relación entre la componente armónica y la
componente fundamental.componente fundamental.
Este factor se utiliza para evaluar los efectos de cada armónicaEste factor se utiliza para evaluar los efectos de cada armónica
individualmente y examinar su magnitud.individualmente y examinar su magnitud.

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Las recomendaciones de la IEEELas recomendaciones de la IEEE StdStd 519519 “IEEE“IEEE
RecommendedRecommended PracticesPractices andand RequirementsRequirements forfor HarmonicHarmonic
Control inControl in ElectricalElectrical PowerPower SystemsSystems”” son las siguientes:son las siguientes:

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Donde:
ICC Corriente máxima de
cortocircuito
IL Corriente máxima de
demanda (fundamental)

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Estudio de Flujo de Carga Armónico
Estudio de la Frecuencia (“Frequency Scan”)
Opciones de Presentación
Alarma
Reportes
Gráficos
Harmonic Analysis Study CaseHarmonic Analysis Study Case

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Harmonic Analysis Study Case (cont.)Harmonic Analysis Study Case (cont.)
Estudio de Flujo de Carga Armónico.- El ETAP 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).

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Estudio de la Frecuencia (“Frequency Scan”).- Una de las
grandes preocupaciones con los armónicos, es la condición de
resonancia en el sistema de potencia. Si la resonancia ocurre
en la barra donde se está inyectando la corriente armónica al
sistema, se observarán sobretensiones y sobrecorrientes. En
este estudio el ETAP 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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ResonanciaResonancia
A medida que aumenta la frecuencia, la reactanciaA medida que aumenta la frecuencia, la reactancia
inductiva del circuito equivalente del sistema eléctricoinductiva del circuito equivalente del sistema eléctrico
aumenta, en tanto que la reactanciaaumenta, en tanto que la reactancia capacitivacapacitiva de unde un
banco debanco de capacitorescapacitores disminuye. Existirá entonces aldisminuye. Existirá entonces al
menos una frecuencia en que las reactancias seanmenos una frecuencia en que las reactancias sean
iguales, provocando la resonancia.iguales, provocando la resonancia.

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Resonancia ParaleloResonancia Paralelo

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Resonancia Paralelo (cont.)Resonancia Paralelo (cont.)
Para diferentes valores dePara diferentes valores de MVAccMVAcc el sistema eléctrico responde deel sistema eléctrico responde de
manera distinta.manera distinta.
A medida que el sistema sea
más débil se tiene que las
frecuencias de resonancia se
acercan cada vez más a
frecuencias que pueden
existir en el sistema como
por ejemplo la 3a, 5a o 7a
armónica, ocasionando así
problemas casi seguros de
resonancia llevando a la
destrucción al banco de
capacitores.

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Filtros de ArmónicosFiltros de Armónicos

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El usuario selecciona la
precisión de sus resultados,
así como la carga inicial del
sistema eléctrico.

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El usuario selecciona los
elementos del sistema
eléctrico que requiere
graficar para el análisis de
los estudios de armónicos.

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eléctrico que NO quiere que
sean modelados como
fuentes de armónicos para
el análisis de los estudios.

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eléctrico que requieren
ajustes de la impedancia
según un margen de
tolerancia, así como los
ajustes por temperatura en
las resistencias.

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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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Resultados ObtenidosResultados Obtenidos

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Resultados Obtenidos (cont.)Resultados Obtenidos (cont.)

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TipsTips
Si no se han logrado los objetivos en el Estudio deSi no se han logrado los objetivos en el Estudio de
Armónicos, se deberán incluir recomendaciones paraArmónicos, se deberán incluir recomendaciones para
mejorar los niveles de distorsión, como pudieran ser:mejorar los niveles de distorsión, como pudieran ser:
Aumentar el número de pulsos del variador de velocidad.Aumentar el número de pulsos del variador de velocidad.
Cambiar el modelo del variador.Cambiar el modelo del variador.
Ajustar el modelo utilizado para el sistema eléctrico bajoAjustar el modelo utilizado para el sistema eléctrico bajo
estudio a través de la solicitud de información real de losestudio a través de la solicitud de información real de los
datos eléctricos al fabricante (tanto de cables,datos eléctricos al fabricante (tanto de cables,
transformadores, espectros de frecuencia de las fuentestransformadores, espectros de frecuencia de las fuentes
generadoras de armónicos, etc.) en aquellos casos que nogeneradoras de armónicos, etc.) en aquellos casos que no
se tengan para el momento en que se elaboró el Estudio.se tengan para el momento en que se elaboró el Estudio.

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Tips (cont.)Tips (cont.)
Colocar filtros de armónicos mencionando orden de laColocar filtros de armónicos mencionando orden de la
armónica a la cual deben ser sintonizados.armónica a la cual deben ser sintonizados.
Incorporación de reactores (inductancias) en serie conIncorporación de reactores (inductancias) en serie con
alimentador de las fuentes de armónicos.alimentador de las fuentes de armónicos.
Incorporación de transformadores con diagramas deIncorporación de transformadores con diagramas de
conexión diferentes para introducir desfasaje en laconexión diferentes para introducir desfasaje en la
alimentación de las fuentes generadoras de armónicosalimentación de las fuentes generadoras de armónicos
(multiplicación de fase).(multiplicación de fase).

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