3. Ingeniero Eduardo A Soracco.

5. SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIA Instalaciones Eléctricas Vs Otras Instalaciones, Servicios y Personas Instalaciones Equipos o Sistema en la red Vs Producto Eléctrico Calidad del Servicio IMPACTO AMBIENTAL PETURBACIONES Ej: Campo Eléctrico Campo Magnético RI, TVI Ruido audible Potenciales ( de contacto y de paso) Ej: Flicker, Descargas Atmosféricas Armónicos, Transitorios de Maniobra Huecos de Tensión, etc.

8. RESISTIVO PURO ONDA DE TENSION ONDA DE CORRIENTE

9. INDUCTIVO PURO ONDA DE TENSION ONDA DE CORRIENTE

10. CAPACITIVO PURO ONDA DE TENSION ONDA DE CORRIENTE

11. RESISTIVO CAPACITIVO SERIE ONDA DE TENSION ONDA DE CORRIENTE ONDA DE TENSION EN LA RESISTENCIA ONDA DE TENSION EN EL CAPACITOR

12. RESISTIVO CAPACITIVO PARALELO ONDA DE TENSION ONDA DE CORRIENTE ONDA DE CORRIENTE EN LA RESISTENCIA ONDA DE CORRIENTE EN EL CAPACITOR

13. RESISTIVO INDUCTIVO SERIE ONDA DE TENSION ONDA DE CORRIENTE ONDA DE TENSION EN LA RESISTENCIA ONDA DE TENSION EN EL CAPACITOR

14. RESISTIVO INDUCTIVO PARALELO ONDA DE TENSION ONDA DE CORRIENTE ONDA DE CORRIENTE EN LA INDUCTANCIA ONDA DE CORRIENTE EN LA RESISTENCIA

16. V( τ)= Vm1 cos ( ωτ+φ v1) + Vm2 cos (2 ωτ+φ v2) + Vm3 cos (3 ωτ+φ v3) +...+ Vmh cos (h ωτ+φ vh) i( τ)= Im1 cos ( ωτ+φ i1) + Im2 cos (2 ωτ+φ i2) + Im3 cos (3 ωτ+φ i3) + .........+ Imh cos (h ωτ+φ ih)

17. 50 Hz 150 Hz 250 Hz 350 Hz 450 Hz

18. Primera Armónica U onda Fundamental

19. Tercera Armónica

20. Quinta Armónica

21. Séptima Armónica

22. Novena Armónica

23. THD=81,673%

24. THD=96,646%

25. THD=99,046

26. THD=99,832% THD=99,832%

28. Descripción de un sistema trifásico. Un sistema trifásico está constituido por tres voltajes de igual amplitud, pero desfasados en 120°: V 1= V0 SEN ( ωτ ) V 2 = V0 SEN ( ωτ - 120º) V 3 = V0 SEN ( ωτ + 120º) = V0 SEN(wt-240º) V 1 V 1 V 2 V 3

29. SIMULACION ONDA FUNDAMENTAL En primer lugar consideremos el sistema trifásico equilibrado en tensiones y con las tres fuentes de tensión con la frecuencia fundamental; con 3 cargas equilibradas, y con tres fuentes de tensión con la frecuencia fundamental, que son de secuencia directa; con lo cual la In=0

30. Armónica Fundamental. SEC 1 (directa) Ia1max= Ib1max= Ic1max= 1,2 Amp. In = 0 Amp. THD = 0

31. SIMULACION ONDA FUNDAMENTAL Y ONDA DE TERCER ARMONICO En segundo lugar consideremos el sistema trifásico equilibrado en tensiones, en las tres fases; cargas equilibradas, pero además de las fuentes de frecuencia fundamental , se suman tensiones de 3er armónico que son de secuencia cero y por lo tanto se suman las corrientes en el neutro.

32. Ia1max= Ib1max= Ic1max= 1,2 Amp. SEC D Ia3max= Ib3max= Ic3max= 0,98 Amp. SEC 0 In max = 2,94 Amp. Armónica Fundamental y Tercer Armónica

34. THD=81,672% In max= 2,94 Amp.

35. SIMULACION ONDA FUNDAMENTAL , ONDA DE TERCER ARMONICO Y ONDA DE QUINTO ARMONICO En tercer lugar además de los sistemas trifásicos de ondas fundamental, tercera; agregamos un sistema trifásico de onda de quinto armónico, secuencia inversa.

36. Armónica Fundamental, Tercer Armónica y Quinta Armónica. Ia1max= Ib1max= Ic1max= 1,2 Amp. SEC D Ia3max= Ib3max= Ic3max= 0,98 Amp. SEC 0 Ia5max= Ib5max= Ic5max= 0,62 Amp. SEC I

38. THD=96,646% In max= 2,94 Amp.

39. SIMULACION ONDA FUNDAMENTAL , ONDA DE TERCER ARMONICO , ONDA DE QUINTO ARMONICO y ONDA DE SEPTIMO ARMONICO. En tercer lugar además de los sistemas trifásicos de ondas fundamental, tercera, quinta; agregamos un sistema trifásico de onda de séptimo armónico, que es de secuencia directa.

40. Armónica Fundamental, Tercer Armónica , Quinta Armónica y Séptima Armónica. Ia1max= Ib1max= Ic1max= 1,2 Amp. SEC D Ia3max= Ib3max= Ic3max= 0,98 Amp. SEC 0 Ia5max= Ib5max= Ic5max= 0,62 Amp. SEC I Ia7max= Ib7max= Ic7max= 0,26 Amp. SEC D

42. THD=99,045% THD=99,045% In max= 2,94 Amp.

43. SIMULACION ONDA FUNDAMENTAL , ONDA DE TERCER ARMONICO , ONDA DE QUINTO ARMONICO, ONDA DE SEPTIMO ARMONICO y ONDA DE NOVENO ARMONICO. En tercer lugar además de los sistemas trifásicos de ondas fundamental, tercera, quinta, séptima, agregamos un sistema trifásico de onda de novena armónica que es de secuencia cero..

44. Armónica Fundamental, Tercer Armónica , Quinta Armónica Séptima Armónica y Novena Armónica. Ia1max= Ib1max= Ic1max= 1,2 Amp. SEC D Ia3max= Ib3max= Ic3max= 0,98 Amp. SEC 0 Ia5max= Ib5max= Ic5max= 0,62 Amp. SEC I Ia7max= Ib7max= Ic7max= 0,26 Amp. SEC D Ia9max= Ib9max= Ic9max= 0,15 Amp. SEC 0

46. THD=99,831% In max= 2,57 Amp.

47. Primera armónica Sec. Directa. 50 Hz Segunda armónica Sec. Inversa. 100 Hz Tercera armónica Sec. Cero. 150 Hz Cuarta armónica Sec. Directa. 200 Hz Quinta armónica Sec. Inversa. 250 Hz Sexta armónica Sec. Cero. 300 Hz Séptima armónica Sec. Directa. 350 Hz Octava armónica Sec. Inversa. 400 Hz Novena armónica Sec. Cero. 450 Hz etc

49. CONTROL DE POTENCIA ACTIVA RESISTENCIA ( Potencia activa eficaz 1 Watt.) Watts 2 OHM

50. THD=0

51. DIODO

52. Watts THD= 43,52%

53. TRIAC

54. CASO1 CONDUCE A PARTIR DE LOS 2,5 mseg 45º

55. Watts THD= 25,59%

56. CASO2 CONDUCE A PARTIR DE LOS 5 mseg 90º

57. Watt THD = 64,33%

58. CASO3 CONDUCE A PARTIR DE LOS 7.5 mseg 135º

59. Watt TDH= 129,11%

60. RECTIFICADOR PUENTE DOBLE

62. THD= 96%

63. THD (I) = 19,7 % k = 0,981 cos  FP = 0,539 . Formas de ondas de corriente y tensión para un TF con balasto convencional THD (I) = 179,2 % k = 0,488 cos  FP = 0,476 Forma de onda de corriente y tensión para un TF con balasto electrónico sin filtro TUBO FLUORECENTE CON BALASTO CONVENCIONAL TUBO FLUORECENTE CON BALASTO ELECTRONICO SIN FILTRO

64. THD (I) = 23,2 % k = 0,976 cos  FP = 0,929 Forma de onda de corriente y tensión para un TF con balasto electrónico con filtro TUBO FLUORECENTE CON BALASTO ELECTRONICO CON FILTRO

65. Muchos electrodomésticos (videograbadoras, televisores, etc), así como las computadoras personales utilizan para su alimentación fuentes de tipo conmutable. Estas presentan importantes ventajas como ser su mejor rendimiento y una notable reducción de la relación peso/potencia. Lamentablemente su comportamiento frente a la red de alimentación es similar al mencionado para el caso de las LFC FORMA DE ONDA DE LA CORRIENTE DE UN TELEVISOR DE 20 PULGADAS .

66. PROBLEMAS AL CORREGIR EL FACTOR DE POTENCIA La corrección del factor de potencia en circuitos con alto contenido armónico nos plantea dos problemas. El primero tiene que ver con la calidad de energía, en este caso representada por la distorsión que presenta la onda de la tensión provista por la distribuidora. Si queremos mejorar el FP conectando capacitores en paralelo habrá que vigilar con detenimiento este aspecto. Es sabido que los capacitores conectados en paralelo con la carga actúan como amplificadores de los armónicos de tensión. Forma de onda de la corriente que toma un capacitor para una tensión aplicada con pequeña distorsión armónica. ‹ a 1

67. LAMPARA FLUORECENTE COMPACTA, ejemplo VALOR MEDIO 0,072 VALOR MAXIMO 320 V VALOR MINIMO -320 V VALOR EFICAZ ONDA TENSION 224,120468 V THD (total) 1,869% FC. CRESTA 1,42780355 VALOR PICO-PICO 640 V VALOR MEDIO -0,00504 VALOR MAXIMO 0,632 A VALOR MINIMO -0,632 A FAC. CRESTA 3,90453283 VALOR PICO –PICO 1,264 A VALOR EFICAZ I= 0,16186315 THD (total) 158,48%

68. Corriente I Amp Tensión U Volts Potencia P Watts I = Valor Eficaz 0,161863 A P medio 18,5154 W Medido 18,98 W U=Valor Eficaz 224,12 V Valor Máximo 0,632 A Valor Mínimo -0,632 A Valor Pico a Pico 1,264 A Valor Máximo 320 V Valor Mínimo -320 V Valor Pico a Pico 640 V Factor de Potencia (P/U*I) : 0,51039 Imax de la Onda Fundamental 0,1219 Ief de la Onda Fundamental 0,0862 Ief de la Poliarmónica 0,16186 Factor de contracción Ief(1)/Ipol 0,53254 Ø U1:-1,763° Ø I1 :-17,9413° Cos FI(1) : 0,960402 Los siguientes valores son aproximados para un THD de la tensión mayor del 5% Potencia Activa ( w) = U*I*cos ø = 18,5538 Potencia Reactiva ( VAR) = U*I*sen ø = 5,38155 Potencia Dformación (VAD) = 30,69 Factor de Potencia = 0,51145 Los valores son aproximados para un THD de la tensión mayor del 5%

69. El análisis de las formas de onda presentadas da lugar a un espectro que contiene armónicas impares entre las que se destaca la tercera armónica. Como es sabido, las terceras armónicas que circulan por los conductores de línea y sus múltiplos “se potencian” en el conductor neutro sumándose en fase, agregándose a la corriente debida al desbalanceo de la carga, dando lugar en conjunto a una corriente de neutro cuyo valor eficaz en muchos casos supera la sección de diseño. En una simulación, realizada en laboratorio, colocando tres LFC de 20W en conexión estrella se obtuvieron los valores y gráficos que se detallan En la misma se observa la forma de onda, para un ciclo, de la corriente de neutro y el gráfico de barras que nos muestra con claridad que la descomposición por Fourier da lugar sólo a armónicas múltiplos impares de tres. I A 3 I B 3 In= I A 3 + I B 3 + I C 3 Las tres en fase I C 3 CORRRIENTES EN EL NEUTRO CON UN ESTRELLA EQUILIBRADA PERO CON LFC

70. Forma de onda de un ciclo (20 ms) de la corriente de neutro para 3 LFC conectadas en estrella “equilibrada En la misma se observa la forma de onda, para un ciclo, de la corriente de neutro y el gráfico de barras que nos muestra con claridad que la descomposición por Fourier da lugar sólo a armónicas múltiplos impares de tres.

71. EQUIPO GENERADOR DE ARMONICAS CARGAS RESISTIVAS Z linea G EFECTOS DE LAS ARMONICAS RESPECTO AL RESTO DE LA RED

72. ANALISIS RECTIFICADOR AC/CC

73. ANALISIS DEL CONTROL DE POTENCIA CON UN DIODO . INCIDENCIA EN LA DEFORMACION EN OTRAS CARGAS

76. TIPO DE CARGA TRANSFORMADOR MOTOR ASINCRONICO LAMPARAS DE DESCARGA SOLDADURAS DE ARCO HORNOS DE ARCO DE CA RECTIFICADORES HEXAFASICO RECTIFICADORES DODECAFASICO CICLOCONVERTIDORES RECTIFICADORES ASIMETRICOS DIODOS Y TIRISTORES ARMONICOS GENERADOS ORDEN PAR E IMPAR ORDEN IMPAR TERCERA + IMPARES TERCERA ESPECTRO VARIABLE E INESTABLE h=5,7,11,13,17,19 Ih = I1/h h = 11,13,17,19,23,25 Ih = I1/h VARIABLES ADEMAS DE LOS ARMONICOS CARACTERISTICOS APARECEN ARMONICOS DE ORDEN 2 COMENTARIOS COMPONENTE CC INTER Y SU ARMONICOS PUEDE LLEGAR AL 30% DE I1 NO LINEAL ASIMETRICO AC/DC AC/DC VARIADORES DE Velocidad AC/DC

79. PRINCIPALES DISTURBIOS CAUSADAS POR ARMONICOS DE CORRIENTE Y VOLTAJE. Los armónicos de corriente y voltajes sobrepuestos a la onda fundamental tienen efectos combinados sobre los equipos y dispositivos conectados a las redes de distribución. Para detectar los posibles problemas de armónicos que pueden existir en las redes e instalaciones es necesario utilizar equipos de medida de verdadero valor eficaz, ya que los equipos de valor promedio sólo proporcionan medidas correctas en el caso de que las ondas sean perfectamente sinusoidales. En el caso en que la onda sea distorsionada, las medidas pueden estar hasta un 40 % por debajo del verdadero valor eficaz .

80. El efecto principal causado por los armónicos consiste en la aparición de voltajes no sinusoidales en diferentes puntos del sistema. Ellos son producidos por la circulación de corrientes distorsionadas a través de las líneas. La circulación de estas corrientes provoca caídas de voltaje deformadas que hacen que a los nodos del sistema no lleguen voltajes puramente sinusoidales. Mientras mayores sean las corrientes armónicas circulantes a través de los alimentadores de un sistema eléctrico de potencia, más distorsionadas serán los voltajes en los nodos del circuito y más agudos los problemas que pueden presentarse por esta causa

81. Los voltajes no sinusoidales son causantes de numerosos efectos que perjudican los equipos conectados al sistema. Entre estos efectos se pueden mencionar la reducción de la vida útil del equipamiento de potencia así como la degradación de su eficiencia y funcionamiento en general. Los efectos perjudiciales de estos armónicos dependen del tipo de carga encontrada, e incluye: Efectos instantáneos. Efectos a largo plazo debido al calentamiento

82. EFECTOS INSTANTÁNEOS Armónicos de voltajes pueden distorsionar los controles usados en los sistemas electrónicos. Ellos pueden por ejemplo afectar las condiciones de conmutación de los tiristores por el desplazamiento del cruce por cero de la onda de voltaje. Los armónicos pueden causar errores adicionales en los discos de inducción de los contadores a inducción. Por ejemplo, el error de un medidor de clase 2 será incrementado un 0.3 %, en presencia de una onda de tensión y corriente con una tasa del 5 % para el 5 o armónico.

83. Las fuerzas electrodinámicas producidas por las corrientes instantáneas asociadas con las corrientes armónicas causan vibraciones y ruido, especialmente en equipos electromagnéticos (transformadores, reactores, entre otros). Torques mecánicos pulsantes, debido a campos de armónicos rotatorios pueden producir vibraciones en máquinas rotatorias.( presencia de campos rotantes inversos) Disturbancias son observadas cuando líneas de comunicación y control son distribuidas a lo largo de de líneas de distribución eléctricas que conducen corrientes distorsionadas. Parámetros que deben tenerse en cuenta incluyen: la longitud que se encuentran dichas líneas en paralelo, las distancias entre los dos circuitos y las frecuencias armónicas (el acoplamiento aumenta con la frecuencia).

84. Los armónicos son causantes de numerosos problemas de operación en los sistemas de protección. Entre ellos esta la operación incorrecta de interruptores y equipos y/o sistemas digitales de protección . Para el caso de equipos protegidos contra sobrevoltajes cuyos sistemas de protección también estén diseñados para operar con voltajes sinusoidales, estos pueden operar incorrectamente ante la aparición de formas de onda no sinusoidales. Esta operación incorrecta puede ir desde la sobreprotección del equipo hasta la desprotección del mismo por la no operación ante una forma de onda que podría dañarlo de forma severa. El caso típico se presenta ante formas de onda que presentan picos agudos.

85. Si el dispositivo de medición esta diseñado para responder ante valores RMS de la forma de onda, entonces estos cambios abruptos pudieran pasar sin ser detectados y conllevarían a la desprotección del equipo ante aquellos picos agudos dañinos, que no provoquen un aumento notable de la magnitud medio cuadrática censada. También pudiera ocurrir el caso contrario, el disparo ante valores no dañinos para el equipo protegido. En estos casos el ajuste de la protección deberá depender de las características de la forma de onda: voltajes pico RMS , tiempo de crecimiento de la onda, entre otros. Las protecciones convencionales no tienen en cuenta todos estos parámetros y lo que toman como base del proceso de protección, lo hacen sobre la suposición de que la forma de onda es puramente sinusoidal lo cual puede ser aceptado para algunas formas de onda pero incorrecto para otras que pueden ser dañinas.

86. La impedancia de los condensadores disminuye al aumentar la frecuencia. Por tanto, si la tensión está deformada, por los condensadores que se usan para la corrección del factor de potencia circulan corrientes armónicas relativamente importantes. Por otra parte, la existencia de inductancias en algún punto de la instalación tiene el riesgo de que se produzcan resonancias con los condensadores, lo que puede hacer aumentar mucho la amplitud de los armónicos en los mismos. Este fenómeno de resonancia puede ocasionar que sea perforado el aislamiento de los capacitores, provocando daños severos.

87. Esta perforación puede ocurrir tanto por picos de voltaje como de corriente a través de los mismos aún cuando el diseño básico (a la frecuencia de operación) prevea pocas posibilidades de falla ante los picos de cargas operados y a los niveles de voltaje y de corrientes esperados. En la práctica, no se recomienda conectar condensadores en instalaciones que tengan una tasa de distorsión armónica superior al 8% .

88. La impedancia de un cable depende de la frecuencia, ya que presentan capacidades respecto a tierra, apareciendo corrientes de fuga de tipo capacitivo que la fuente tiene que suministrar, aumentando el calentamiento del cable, y que no se soluciona con el aumento de la sección del cable , su impedancia disminuye con el aumento de la frecuencia a partir de los 400 Hz . A esas frecuencias debido al efecto pelicular, la corriente tiende a circular por la periferia disminuyendo el área efectiva del cable. Saturación de circuitos magnéticos en transformadores aumentado el efecto de distorsión armónica en la tension de salida.

89. EFECTOS A LARGO PLAZO: El principal efecto a largo plazo de los armónicos es el calentamiento.

90. CALENTAMIENTO DE CAPACITORES: Las pérdidas causadas por calentamiento son debidas a dos fenómenos: conducción e histéresis en el dieléctrico. Como una primera aproximación, ellas son proporcionales al cuadrado del voltaje aplicado para conducción y a la frecuencia para histéresis. Los capacitores son por consiguiente sensibles a sobrecargas, tanto debido a un excesivo voltaje a la frecuencia fundamental o a la presencia de tensiones armónicas.

91. CALENTAMIENTO DEBIDO A PÉRDIDAS ADICIONALES EN MÁQUINAS Y TRANSFORMADORES: Pérdidas adicionales en el estator (cobre y hierro) y principalmente en el rotor (devanado de amortiguamiento, y circuito magnético) de máquinas causadas por la diferencia considerable en velocidad entre el campo rotatorio inducido por los armónicos y el rotor. En los transformadores existirán pérdidas suplementarias debido al efecto pelicular, el cual provoca un incremento de la resistencia del conductor con la frecuencia, también habrá un incremento de las pérdidas por histéresis y las corrientes de eddy o Foucault (en el circuito magnético).

100. MITIGACION DE ARMONICOS FILTRO COMBINADO R L C EQUIPO GENERADOR DE ARMONICOS C R L C R L C R L Red Publica h=5 h= 7 h= 11 h=13

101. Medidas básicas de calidad eléctrica La medida del valor eficaz de la onda deformada se realiza directamente con equipos de valor verdadero real o térmicos con ayuda de analizadores de espectros.

102. Visualización Medición

103. Operario Midiendo Corrientes Armónicas

104. SÍNTOMAS DE DISTORSIÓN ARMÓNICA EN EQUIPO DE DISTRIBUCIÓN. Los componentes de los sistemas de distribución de potencia conducen corrientes y por consiguiente, son sensibles a la distorsión de corriente. Esta distorsión nos lleva a evaluar nuevamente muchos de los conceptos normales que se refieren a electricidad, especialmente con respecto al sistema de potencia. Primero y principalmente, la distorsión de corriente y voltaje deben medirse con un equipo RMS real. Si no se especifica como RMS real, probablemente es un medidor de tipo promedio que provee datos seriamente imprecisos.

105. Segundo, debemos cambiar nuestro concepto de carga de transformador. Cuando un transformador conduce corriente distorsionada, genera más calor por Ampere que si la corriente fuera sinusoidal. Esto significa que los transformadores se sobrecalentarán aún si no están totalmente cargados eléctricamente. Debe considerarse en la disminución de la potencia del transformador y el uso de transformadores tipo K. Tercero, la sabiduría común dice que si un sistema de tres fases tipo estrella está balanceado, no habrá corrientes en el neutro. Cuando existen armónicas de corriente, algunas de las armónicas no se cancelan en el neutro, originando lecturas de alta corriente aún cuando el sistema está balanceado. Pueden ser posibles corrientes tan altas como del 200 % de los conductores de fase

106. CONCLUSIONES A lo largo del trabajo hemos pretendido mostrar algunas de las consecuencias del incremento del contenido armónico en las redes de distribución. Así hicimos notar que debe cambiarse el criterio de diseño del conductor neutro. Además, a partir de la privatización de las empresas que comercializan la energía eléctrica en nuestro país se han incrementado los controles por parte de los organismos reguladores y por parte de las mismas empresas a los usuarios. Es así que el control del factor de potencia no sólo afecta a las áreas industriales sino también a las comerciales y residenciales.

107. Es en estos últimos sectores donde la falta de capacidad técnica conduce a soluciones poco apropiadas y a veces a desmejorar la situación. La confusión que existe sobre el tema nos ha mostrado que en algunos casos las mismas empresas proveedoras de electricidad recomiendan la colocación de capacitores para corregir el factor de potencia sin un análisis previo del origen del problema. De acuerdo con lo expuesto en el trabajo, en la situación actual, no es suficiente el estudio de la facturación o la simple inspección con instrumental convencional. En la mayoría de los casos, en particular en lugares donde se observe una fuerte presencia de computadoras, UPS e iluminación eficiente se hace necesario un estudio particular utilizando el instrumental adecuado, el que deberá comprender equipamiento que permita leer el verdadero valor de las magnitudes eléctricas.

108. CONSEJO PROFESIONAL DE ARQUITECTURA E INGENIERIA DE MISIONES Avda Francisco de Haro 2745 Posadas Misiones Tel 03752 425355 email: [email_address] www.cpaim.com.ar

109. EL CPAIM LES AGRADECE SU ATENCION