Evap9

1. Título: Armónicos
2. Objetivos:
   
     + Aprender sobre que es un armonico las clases u otros aspaectos del mismo
     + Saber reconocer un armónico y saber que hacer con ellos.

3. Alcance:
4. Justificación:
5. Marco teórico:

    I. Definición:
     

        En mecánica ondulatoria, un armónico es el resultado de una serie de variaciones adecuadamente acomodadas en un rango o frecuencia de emisión, denominado paquete de información o fundamental. Dichos paquetes configuran un ciclo que, adecuadamente recibido, suministra a su receptor la información de cómo su sistema puede ofrecer un ordencapaz de dotar al medio en el cual expresa sus propiedades de una armonía. El armónico, por lo tanto es dependiente de una variación u onda portadora. Y a la vibración fundamental de cada tono musical también se le llama primer armónico porque generalmente se acompaña de otras vibraciones menores divididas en 2, 3, 4, 5 o más partes iguales.

En acústica y telecomunicaciones, un armónico de una onda es un componente sinusoidal de una señal. En sistemas eléctricos de corriente alterna los armónicos son frecuencias múltiplos de la frecuencia fundamental de trabajo del sistema y cuya amplitud va decreciendo conforme aumenta el múltiplo.

En sistemas eléctricos de corriente alterna los armónicos son, igual que en acústica, frecuencias múltiplos de la frecuencia fundamental de trabajo del sistema y cuya amplitud va decreciendo conforme aumenta el múltiplo. En el caso de sistemas alimentados por la red de 50 Hz, pueden aparecer armónicos de 100, 150, 200, etc. Hz.

     II. Espectro de frecuencias armónicas

Un elemento esencial del estudio es el espectro de frecuencias armónicas de la señal; se trata de la representación gráfica que enumera los armónicos presentes, la señal en frecuencia y en amplitud. Aquí puede ver (figura 3) el espectro de algunas cargas habituales.

Debe tenerse en cuenta que además de los armónicos indicados anteriormente, en las redes también se encuentran otros dos tipos de componentes superpuestos ala onda fundamental. Los inter-armónicos que se caracterizan por una frecuencia que no es múltiplo dela fundamental (por ejemplo: 175 Hz no es múltiplo de 50 Hz), y los infra-armónicos los cuales presentan una frecuencia inferior a la de la red.

Los primeros, aunque sólo están presentes en una pequeña cantidad,pueden, por ejemplo, perturbar las señales de control a distancia enviadas por los distribuidores de energía eléctrica, mientras que los últimos suelen deberse a los convertidores de ciclo, los hornos de arco o los variadores de velocidad.

     III. Medición de los armónicos presentes en una red

La resultante de los armónicos normalmente se explica por la distorsión armónica total (THD: Total Harmonics Distortion). El cálculo de THD permite calificar globalmente el nivel de contaminación de una red en tensión o en corriente (consulte la tabla 1 inferior).

Normalmente se utilizan los métodos de cálculo. La CEI 61000-2-2 define el THDF como la relación (indicada en porcentajes) entre el valor eficaz de las componentes armónicas y la amplitud de la fundamental:

En cuanto al THDR definido según la norma DIN, representa la distorsión armónica en relación al valor eficaz real:

Debe tenerse en cuenta que, si bien los valores obtenidos mediante los dos métodos son equivalentes en casos de distorsiones reducidas, difieren mucho cuando los valores son importantes.

       IV. Influencia de los armónicos sobre los parámetros medidos en la red

a) Influencia sobre el factor de potencia

Característico del receptor eléctrico, el factor de potencia es igual a la potencia activa consumida por el equipo eléctrico dividida por el producto de los valores eficaces de la corriente y de la tensión (potencia aparente). Siempre está comprendido entre el 1 y el 0.

Fp = P/S

Si la corriente y la tensión son funciones generales del tiempo, el factor de potencia es igual al coseno del desfase entre la corriente y la tensión (cos ϕ).

En presencia de corrientes armónicas importantes, esto ya no se cumple, debido a la presencia de una potencia distorsionante. La potencia activa se obtiene de

donde I1 es el valor eficaz de la corriente fundamental y cosϕ1 es el factor de desplazamiento (DPF, Displacement Power Factor) que representa el desfase entre fundamental de la tensión y fundamental de la corriente (véase figura 5).

Por una parte, la potencia aparente se obtiene de

donde Q es la potencia reactiva Q = U . I1 . senϕ1 y D es la potencia deformante D2 = U12.Ih2 donde Ih es el valor eficaz del conjunto de armónicos de rango superior a 1 de la corriente.

Por eso:

b) Influencia sobre el factor de cresta

Como relación entre el valor de cresta y el valor eficaz, el factor de cresta equivale a la raíz cuadrada de 2 en régimen senoidal. En presencia de armónicos, puede alcanzar valores muy superiores. Así, un factor de cresta más elevado exige, entre otros elementos, un aparato de medición más sensible y por consiguiente mayor precisión en el circuito de conversión.

   V. Efectos generales de los armónicos sobre las redes eléctricas

Generados por los consumidores, los armónicos de corriente se propagan en las redes y crean distorsiones de la onda de tensión en las impedancias de las líneas. Estas deformaciones de la tensión se redistribuyen a los usuarios de todo el conjunto de la red del proveedor de energía eléctrica. El armónico de rango 3 merece especial atención en el caso de las redes trifásicas. En efecto, las corrientes de armónicos de rango 3 y sus múltiplos están en fase (véase la figura 7) y se suman de forma vectorial en el conductor de neutro (In= I1 + I2 + I3). Si los receptores están formados principalmente por cargas informáticas, las corrientes de rango 3 y de rangos múltiplos de 3 se suman en el conductor neutro, lo que genera una corriente de neutro un 130% más elevada que las corrientes de fase.

Condición TN-CEn un régimen TN-C, las funciones de conductor neutro y de protección se aseguran mediante un mismo conductor denominado PEN. Si hay corrientes armónicas de rango 3 y múltiplos de 3 importantes que circulan en ese conductor y las armaduras metálicas, es posible constatar variaciones de potencial que influyen en la electrónica de receptores sensibles, o incluso la creación de bucles magnéticos que generan tensiones o corrientes inducidas en los circuitos (contaminación CEM/ECM).

    VI. Efectos de los armónicos sobre los equipos

Sobre los transformadores:La circulación de corrientes armónicas implica pérdidas por efecto joule y pérdidas magnéticas suplementarias. De acuerdo con la norma NF EN 50464-3, se aplica una desclasificación de la potencia aparente del transformador según la fórmula siguiente:

En máquinas giratorias:Además de pérdidas por efecto joule y pérdidas magnéticas suplementarias, la presencia de tensiones armónicas puede provocar pares pulsatorios y, de rebote, vibraciones mecánicas perjudiciales además de una disminución del rendimiento mecánico del motor.

Por norma general, el factor armónico de tensión (HVF) debe ser inferior al 2%. Este factor se calcula con la fórmula siguiente:

En baterías de condensadores:La instalación de baterías de condensadores en una instalación eléctrica puede implicar una resonancia paralela que amplifique las corrientes armónicas presentes en la instalación. Este riesgo depende principalmente de la potencia de cortocircuito de la instalación y del valor capacitivo del sistema de compensación. En tal caso, pueden circular corrientes armónicas intensas en los condensadores y provocar el envejecimiento prematuro de sus componentes.

En dispositivos de medida:

Las corrientes armónicas también pueden perturbar la medida de los equipos no inmunizados asociados a equipos de corte y de protección, a controladores permanentes de aislamiento y aparatos de medida.

     VII. Soluciones para controlar la contaminación por armónicosExisten protecciones para protegerse de los efectos nocivos de los armónicos; lo importante es saber cuantificar los efectos y adaptar las medidas de protección en función de la sensibilidad relativa del proceso industrial y de los receptores presentes en la instalación. Esto se debe a que cada receptor presenta un nivel de inmunidad diferente ante perturbaciones armónicas. Además, algunos receptores pueden incluso emitir contaminación armónica.

Gracias a todas estas medidas, es posible realizar un diagnóstico preciso de la instalación.A partir de ahí, todo es cuestión de método. Nosotros recomendamos el enfoque siguiente:

1) Diagnóstico de la instalación en cuestión : campaña de mediciones y determinación del nivel de armónicos
Las centrales de medidas actuales, normalmente denominadas PMD (Performance & Power Monitoring Device de acuerdo con las normas EN o CEI 61557-12), suelen realizar un análisis de armónicos no sólo por rango sino también global (THD). Gracias a la memoria integrada, los PMD pueden memorizar las alarmas además de los valores mínimo y máximo. Por último, miden de forma continua la corriente del neutro.

2) Modelizado y caracterización del fenómeno, posterior estudio técnico-económico para recomendar las soluciones y las opciones.
3) Puesta en práctica de las soluciones materiales. Verificación de su efecto con las mediciones apropiadas.
4) Mantenimiento del rendimiento de la instalación en el tiempo mediante un contrato de mantenimiento y/o de control de calidad de la energía, o incluso del rendimiento energético.

Algunas soluciones habituales

Cuando la impedancia de origen es débil, la potencia de cortocircuito resulta importante, lo que reduce los problemas debidos a los armónicos. De este modo, las cargas distorsionantes también deben instalarse tan aguas arriba de la fuente como sea posible con el fin de beneficiarse del nivel más elevado de potencia de cortocircuito. Esta solución no siempre resulta interesante desde el punto de vista económico.Como no es posible suprimir los armónicos, el objetivo es confinarlos lo más cerca posible de las cargas distorsionantes para evitar de este modo que contaminen toda la red. Para eso se utilizan los sistemas de filtrado o de aislamiento (por transformador).

Para proteger las baterías de compensación, los fabricantes insertan una inductancia en serie con los condensadores, lo que permite evitar el fenómeno de resonancia origen de los armónicos. Está inductancia anti-resonancias se ajusta en función del espectro de corrientes armónicas existentes en la instalación.

La incorporación de filtros pasivos permite “capturar” las corrientes armónicas presentes en la instalación. Como cada filtro pasivo se dimensiona para una corriente armónica, hay que prever un filtro por cada corriente armónica a filtrar.
Los filtros activos, con rendimientos y potencias que aumentan con el progreso de la electrónica de potencia, permiten filtrar los armónicos hasta un rango determinado. Debe tenerse en cuenta que estos filtros se han calculado para asegurar la compensación de la energía reactiva de la instalación.

Por último, el control de absorción senoidal (también denominado PFC, corrector del factor de potencia) permite trabajar directamente sobre el generador. El control de la electrónica de potencia se ha modulado para forzar el puente de entrada para que absorba una corriente senoidal.

6. Marco Procedimental:

   I. Fórmulas:

      a. Armónicos presentes en una red:        

                 THD = Total Harmonics Distortion 

                 L1, L2....Ln = valor eficaz de corriente

           Nota: en el Pseudocódigo se trabajara hasta L3.

       b.  Potencia Activa:

                               

                                   P = Potencia Activa

       c. Potenica aparente:

                              Fp = Potencia aparente

                              P = Potencia Activa

                              Q = Potencia Reactiva

                              D = Potenica Deformante

         d. Factor Armónico de Tensión:

                           HVF = Factor armónico de tensión

                               Vn = Voltaje n

                                V1 = Voltaje 

                                n = Numero de voltaje

 II. Pseudocódigo:

     

     SubProceso TotalAr <- Armonicos (l1,l2,l3)

TotalAr<-(rc((l2)^2+(l3)^2))/l1;

FinSubProceso

SubProceso Z <- Potencia (U,L1,costhe)

Z<- U*L1*costhe

FinSubProceso

SubProceso Aparente <- PotenApar (Pot, Q, D)

Aparente <- Pot/(rc(Q^2+Pot^2+D^2));

FinSubproceso

SubProceso Fat <- Factor (Vn, V1 , n)

Fat <- 1/(rc((Vn/V1)^2)*(1/n));

FinSubproceso

Proceso funciones

Escribir "1. Armónicos presentes en una red"

Escribir "2. Potencia Activa"

Escribir "3. Potenica aparente"

Escribir "4. Factor Armónico de Tensión"

Leer variable;

Segun variable Hacer

1:

Definir R, THD, l1, l2, l3 Como Reales;

Escribir "Ingrese l1: ";

Leer l1;

Escribir "Ingrese l2: ";

Leer l2;

Escribir "Ingrese l3: ";

Leer l3;

R <- Armonicos (l1,l2,l3);

Escribir "El total de armónicos es: ", R;

2:

Definir S, P, L1, costhe, U Como Reales;

Escribir "Ingrese L1: ";

Leer L1;

Escribir "Ingrese U: ";

Leer U;

Escribir "Ingrese costhe: ";

Leer costhe;

S <- Potencia (U,L1,costhe);

Escribir "La potencia activa es: ", S;

3:

Definir R, Pot, Q, D, Fp Como Reales;

Escribir "Ingrese la potencia activa: ";

Leer Pot;

Escribir "Ingrese la potencia reactiva: ";

Leer Q;

Escribir "Ingrese la potencia deformante: ";

Leer D;

R <- PotenApar (Pot, Q, D);

Escribir "La potenica aparente es: ", R;

4: 

Definir K, HVF, Vn, V1 , n Como Reales;

Escribir "Ingrese el voltaje n: ";

Leer Vn;

Escribir "Ingrese el primer voltaje: ";

Leer V1;

Escribir "Ingrese el numero de voltajes: ";

Leer n;

K <- Factor (Vn, V1 , n);

Escribir "La rsistencia del sonido es: ", K;

De Otro Modo:

Escribir "no es una opcion"

Fin Segun

FinProceso

7. Conclusiones:

ConclusiónEl desarrollo de la electrónica de potencia de los últimos años ha constituido un factor importante para la mejora de los procesos industriales.

Sin embargo, la mayoría de estos equipos provocan distorsiones armónicas que conviene controlar para asegurar una calidad de la energía eléctrica compatible con las exigencias de los receptores.

Existen soluciones, y las restricciones medioambientales de estos últimos años fuerzan a los fabricantes a integrar controles que permitan reducir la generación de corrientes armónicas.La medición permanente de los armónicos con ayuda de una central de medida y el respeto de algunas reglas elementales aseguran a los equipos de mantenimiento un seguimiento eficaz y seguro de la instalación eléctrica.

8. Bibliografía:

https://es.wikipedia.org/wiki/Arm%C3%B3nico

http://www.sectorelectricidad.com/13810/armonicos-que-son-y-como-nos-afectan/