4. 0 Armónicos

Por: Cé César Chilet L. 28/08/2010

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Deformación armó ónicos Los arm señ ñal de deforman la se tensió ón, corriente y/o tensi perturbando la distribució ón el elé éctrica distribuci de potencia y disminuyendo la energíía. calidad de energ

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Armónicos Son ondas de tensió tensión o de corriente cuya frecuencia es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental de la red (60Hz).

El armó armónico de rango h (generalmente denominado armó armónico h) es la componente sinusoidal de una señ señal, cuya frecuencia es h 28/08/2010 la frec 70 veces frecuencia fundamental.

Armónicos 1. el valor de la frecuencia fundamental (o armó armónico de rango 1) es 60 Hertz (Hz), 2. el segundo (rango) armó armónico tiene una frecuencia de 12 120 Hz, 3. el tercer armó armónico tiene una frecuencia de 18 180 Hz, 4. el cuarto armó armónico tiene una frecuencia de24 de240 Hz, 5. Una señ señal deformada es la resultante de la suma de diferentes armó armónicos.

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Forma de representación El espectro en frecuencia es un método grá gráfico muy prá práctico que permite la representació representación de los armó armónicos que componen una señ señal perió periódica.

60 180 300 420 540

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Espectro de frecuencia El espectro es un histograma que indica la amplitud de cada armó armónico en funció función de su rango. Este tipo de representació representación tambié también se denomina aná análisis espectral. El espectro en frecuencia indica que armó armónicos está están presentes y su importancia relativa.

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Origen de los armónicos • Los equipos generadores de armó armónicos está están presentes en todas las instalaciones industriales, comerciales y residenciales . Los armó armónicos son provocados por las cargas no lineales. lineales.

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Carga no lineal Una carga es considerada no lineal cuando la intensidad que circula por ella no tiene la misma forma sinusoidal que la tensió tensión que la alimenta.

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Cargas no lineales Las cargas no lineales típicas son los equipos que contienen circuitos con electró electrónica de potencia. potencia. Este tipo de cargas son cada vez má más frecuentes y su porcentaje en el consumo total de la instalació instalación aumenta constantemente. 28/08/2010

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Ejemplos-cargas no lineales • Equipos industriales (má (máquinas de soldar, hornos por arco ,hornos de inducció inducción, rectificadores), • variadores de velocidad para motores DC y así asíncronos, • Equipos de informá informática (PC’ (PC’s, fotocopiadoras, faxes, etc.), • Aplicaciones domé domésticas (equipos de televisió televisión, hornos microondas, lámparas ahorradoras, etc.), • Fuentes de alimentació alimentación ininterrumpida. 28/08/2010

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Saturación La saturació saturación de los equipos (bá (básicamente de los transformadores) tambié también puede provocar intensidades no lineales.

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Perturbaciones El flujo de intensidades VF armó armónicas a travé través de las impedancias de la instalació instalación genera armó armónicos de tensió tensión, que deforman la tensió tensión de alimentació alimentación.

VC

La impedancia de un conductor aumenta en funció función de la frecuencia de la intensidad que circula por él. Para cada armó armónico de rango h, existe por tanto, una impedancia Zh del circuito de alimentació alimentación.

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Flujo de armónicos en una instalación Para entender mejor el fenó fenómeno de las intensidades armó armónicas, puede ser útil imaginarse que las cargas no lineales inyectan intensidades armó armónicas aguas arriba, en la instalació instalación, en la direcció dirección de la fuente.

Fuente

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Flujo de armónicos en una instalación

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¿Por qué es necesario detectar y suprimir los armónicos?

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Perturbaciones ocasionadas por los armónicos El flujo de armó armónicos en una instalació instalación reduce la calidad de la energí energía y origina numerosos problemas : • sobrecarga de la red por incremento de la Irms • sobrecarga de los conductores del neutro debido a la suma de los armó armónicos de rango 3, • perturbació perturbación de las redes de communicació communicación o de las lí líneas telefó telefónicas. 28/08/2010

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Perturbaciones ocasionadas por los armónicos • sobrecarga, vibraciones y envejecimiento prematuro de los alternadores, transformadores y motores; zumbido de los transformadores, • sobrecarga y envejecimiento prematuro de los condensadores de compensació compensación de energí energía reactiva, • deformació deformación de la tension de alimentació alimentación pudiendo perturbar a los receptores sensibles, 28/08/2010

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Impacto económico de las perturbaciones Los armó armónicos tienen un impacto econó económico importante. En efecto : • el envejecimiento prematuro de los equipos supone que deben reemplazarse con anterioridad, a menos que se hayan sobredimensionado inicialmente, • las sobrecargas de la instalació instalación obligan a aumentar la potencia contratada, e implican, si no existe un sobredimensionamiento de la instalació instalación, pé pérdidas suplementarias, • las perturbaciones en intensidad producen disparos intempestivos y el paro de los equipos de producció producción. 28/08/2010

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Sus consecuencias son mayores • El fenó fenómeno de los armó armónicos no se ha tenido en cuenta hasta hace aproximadamente diez añ años, pues sus efectos en la instalació instalación eran, generalmente poco importantes. • Sin embargo, el uso masivo de la electró electrónica de potencia en los receptores ha aumentado de forma importante este fenó fenómeno, en todas las actividades. • Los armó armónicos son, en muchas ocasiones, difí difíciles de reducir, pues son originados por equipos vitales para la actividad de una empresa.

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En la práctica, ¿Qué armónicos deben ser medidos y reducidos?

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Medición y reducción de armónicos • En redes trifá trifásicas, los armó armónicos que hayamos má más frecuentemente y por tanto los má más problemá problemáticos, son los armó armónicos de rango impar. • Por encima del rango 50, las intensidades armó armónicas son reducidos y su medida no es significativa. • Así Así, una precisió precisión de medida aceptable se obtiene considerando los armó armónicos hasta el rango 30. • Los distribuidores de energí energía miden, generalmente, los armó armónicos de rango 3, 5, 7, 11 y 13. • La compensació compensación de los armó armónicos hasta rango 13 es imperativa, y una buena compensació compensación tendrá tendrá en cuenta los armó armónicos hasta el rango 25. 28/08/2010

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Indicadores esenciales de la distorsión armónica y principios de medida

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Indicadores La existencia de indicadores permite cuantificar y evaluar la distorsió distorsión armó armónica de las ondas de tensió tensión y de corriente. Éstos son : 1. el factor de potencia, 2. el factor de cresta, 3. la potencia de distorsió distorsión, 4. el espectro en frecuencia, 5. la tasa de distorsió distorsión armó armónica. 28/08/2010

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1. Factor de potencia (PF) • El factor de potencia se define como la relació relación entre la potencia activa P y la potencia aparente S

PF =

P S

• En la jerga elé eléctrica, el factor de potencia es frecuentemente confundido con el coseno phi (cosϕ (cosϕ), cuya definició definición es :

Cosϕ =

P1 S1

P1 = Potencia activa del fundamental. S1 = Potencia aparente del fundamental. 28/08/2010

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Interpretación del PF • Una primera indicació indicación de la presencia significativa de armó armónicos es cuando el factor de potencia medido es diferente del «cos ϕ» (el factor de potencia será será inferior a «cos ϕ»). PF < cos ϕ

Q1 P1

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2. Factor de cresta (f.c.) • Se define como la relació relación entre el valor de cresta de corriente o de tensió tensión (Im (Im o Um) Um) y el valor eficaz.

f .c. =

Im Um o f.c. = Irms Urms

Este factor es particularmente útil para detectar la presencia de valores de cresta excepcionales con respecto al valor eficaz. 28/08/2010

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Interpretación del valor de cresta • El factor de cresta tí típico de corrientes absorbidas por cargas no lineales es mucho mayor que √2 : puede tomar valores iguales a 1,5 o 2, llegando incluso a 5 en casos crí críticos. • Un factor de cresta muy elevado implica sobreintensidades puntuales importantes. • Estas sobreintensidades, sobreintensidades, detectadas por los dispositivos de protecció protección, pueden ser el origen de desconexiones indeseadas.

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Valores de fc típicos – carga resistiva (sinusoide puro): √2 =1,414 – unidad central informática: 2 a 2,5, – ordenador PC: 2,5 a 3, – impresoras: 2 a 3, Estos valores del factor de cresta muestran que la onda de corriente puede estar muy lejos de la sinusoide pura.

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Potencia activa (P) • La potencia activa P de una señ señal distorsionada por armó armónicos es la suma de las potencias activas correspondientes a las tensiones e intensidades del mismo orden. • La descomposició descomposición de la tensió tensión y la intensidad en sus componentes armó armónicas puede ser escrita como : ∞

P = ∑ U h ⋅ I h ⋅ Cosϕ h h =1

ϕh:siendo siendo el desfase entre la tensió tensión y la intensidad del armó armónico de orden h. 28/08/2010

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Potencia reactiva (Q) • La potencia reactiva se define únicamente para la fundamental y viene dada por la ecuació ecuación :

Q = U1 ⋅ I1 ⋅ Senϕ1 • Consideramos la potencia aparente S :

S = Urms ⋅ Irms • En presencia de armó armónicos, se puede reescribir la ecuació ecuación como:

 ∞ 2  ∞ 2 S =  ∑U h  ⋅  ∑ I h   n =1   n =1  2

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3. Potencia de distorción (D) • Como consecuencia, en presencia de armó armónicos, la 2 2 2 relació relación S =P +Q no es vá válida. Se define la potencia de distorsió Así distorsión D de tal forma que : S2=P2+Q2+D2. Así pues :

D = S 2 − P2 − Q2 Q1

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4. Distorsión armónica individual “h” • Cada aparato que causa armó armónicos tiene sus propias corrientes armó armónicas con amplitudes y desfases diferentes, valores muy importantes en el aná análisis de la distorsió distorsión armó armónica. • La distorsió distorsión armó armónica individual se define como el nivel de distorsió distorsión, en porcentaje, de orden h, con respecto a la fundamental. U h (%) =

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Uh ⋅100 U1

I h (%) =

Ih ⋅100 I1

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Análisis espectral • Representando la amplitud de cada orden armó armónico en un grá gráfico, se obtiene una representació representación grá gráfica del espectro en frecuencia.

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Valor eficaz • El valor eficaz de corriente o de tensió tensión puede ser calculado en funció función de los valores eficaces de los diferentes órdenes de armó armónicos :

Irms =

∞

∑I h =1

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2 h

Urms =

∞

∑U h =1

2 h

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Ejemplo

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Tasa de distorsión armónica (THD) • La tasa de distorsió distorsión armó armónica es frecuentemente utilizada para definir la importancia del contenido armó armónico de una señ señal alternativa.

 Vi 2  THD = ∑  2  x100% i = 2  VN  ∞

Donde: – Vi= Vi= es el valor eficaz (rms (rms) rms) de la tensiòn armònica “i”. – VN= Es la tensió tensión nominal del punto de medició medición.

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Disposiciones de la NTCSE • Para efectos de ésta norma, se consideran las armó armónicas comprendidas entre la segunda (2th) y la cuarentava (40th), ambas inclusive. • Los armó armónicos se miden en la tensió tensión en el punto de acoplamiento comú común (PAC) del sistema. • En cuanto a los indicadores de calidad se consideran las tensiones armó armónicas individuales (Vi (Vi) Vi) y el factor de distorsió distorsión total por armó armónicos (THD). Estos se evalú evalúan separadamente para cada intervalo de medició medición (diez minutos) durante un perí período de medició medición de perturbaciones, que como mí mínimo será será de (07) dí días calendario continuos. 28/08/2010

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Relación entre el PF y la THD

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Utilidad de los indicadores • El indicador esencial es la THD, un valor que refleja el nivel de distorsió distorsión en las ondas de tensió tensión y corriente. • El espectro da una imagen de la señ señal deformada.

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La THD de tensión La THDu medida proporciona informació información sobre fenó fenómenos observados en una instalació instalación: • Un valor de THDu inferior al 5 % se considera normal. Prá Prácticamente no existe riesgo de mal funcionamiento en los equipos. • Un valor de THDu comprendido entre el 5 y el 8 % indica una distorsió distorsión armó armónica significativa. Se pueden dar funcionamientos anó anómalos en los equipos. • Un valor de THDu superior al 8 % revela una distorsió distorsión armó armónica importante. Los funcionamientos anó anómalos en los equipos son probables. Un aná análisis profundo y un sistema de atenuació atenuación se hacen necesarios. 28/08/2010

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La THD de corriente Para identificar la carga que causa la distorsió distorsión, la THD de corriente se debe medir a la entrada y en cada una de las salidas de los diferentes circuitos. La THDi medida proporciona informació información sobre fenó fenómenos observados en una instalació instalación : • Un valor de THDi inferior al 10 % se considera normal. Prá Prácticamente no existe riesgo de funcionamiento anó anómalo en los equipos.

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La THD de corriente • Un valor de THDi comprendido entre el 10 y el 50 % revela una distorsió distorsión armó armónica significativa. Existe el riesgo de que aumente la temperatura, lo que implica el sobredimensionado de los cables y las fuentes. • Un valor de THDi superior al 50 % revela una distorsió distorsión armó armónica importante. El funcionamiento anó anómalo de los equipos es probable. Un aná análisis profundo y un sistema de atenuació atenuación son necesarios

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Los otros indicadores • El factor de potencia FP permite evaluar el sobredimensionado que se debe aplicar a la alimentació alimentación de una instalació instalación. • El espectro (descomposició (descomposición en frecuencia de la señ señal) da una representació representación diferente de las señ señales elé eléctricas, y permite evaluar la distorsió distorsión.

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Los otros indicadores • El factor de cresta se utiliza para caracterizar la amplitud de un generador (SAI o alternador) para proporcionar intensidades instantá instantáneas de valor elevado. El material informá informático por ejemplo, absorbe intensidades muy distorsionadas donde el factor de cresta puede ser 3 o incluso 5.

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Efectos principales de los armónicos en las instalaciones A. Resonancia. B. Pérdidas y sobrecarga, en equipos y materiales. C. Perturbaciones. D. Impacto econó económico 28/08/2010

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Efectos de los armónicos Los armó armónicos tienen un gran impacto econó económico en las instalaciones ya que causan: – facturas energé energéticas muy altas, – envejecimiento prematuro de los equipos, – caí caídas en la productividad. 28/08/2010

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A. Resonancia • La utilizació utilización de dispositivos tanto capacitivos como inductivos en sistemas de distribució distribución provoca el fenó fenómeno de la resonancia, teniendo como resultado valores extremadamente altos o bajos de impedancia. Estas variaciones en la impedancia modifican la corriente y la tensió tensión en el sistema de distribució distribución. • Aquí Aquí únicamente se discutirá discutirán los fenó fenómenos de resonanciaresonancia-paralelo, que son los má más frecuentes.

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Resonancia

• • • •

Se considera el diagrama simplificado de abajo, donde se muestra una instalació instalación constituida por: un transformador que suministra potencia, cargas lineales, cargas nono-lineales generadoras de corrientes armó armónicas, condensadores de compensació compensación. 28/08/2010

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Resonancia Para propó propósitos de aná análisis armó armónico, se muestra el diagrama equivalente : • Ls: Ls inductancia suministrada (sistema de distribución + transformador + línea) • C: capacidad corrección factor de potencia • R: resistencia de las cargas lineales • Ih: Ih corriente armónica 28/08/2010

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Resonancia Z=

j ⋅ Ls ⋅ ω 1 − Ls ⋅ Cω 2

Despreciando el valor de R

• La resonancia se produce cuando el denominador 112 Ls.Cw se aproxima a cero. • La frecuencia correspondiente se denomina frecuencia de resonancia del circuito. A esta frecuencia, la impedancia tiene su valor má máximo, teniendo como resultado un aumento considerable de la tensió tensión de los armó armónicos y consecuentemente una mayor distorsió distorsión en la tensió tensión. 28/08/2010

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Resonancia • Esta distorsió distorsión en la tensió tensión está está acompañ acompañada por la circulació circulación de corrientes armó armónicas en el circuito Ls + C que son mayores que las corrientes armó armónicas inyectadas. • El sistema de distribució distribución y los condensadores de compensació compensación está están expuestos a corrientes armó armónicas considerables, teniendo como resultado el riesgo de sobrecargas.

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B. Aumento de las pérdidas • Las pé pérdidas se incrementan en los diferentes componentes de la instalació instalación elé eléctrica sometida a la circulació circulación de armó armónicas, ellos son: – – – –

Los conductores. Las má máquinas así asíncronas. Los transformadores. Los condensadores.

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Pérdidas en los conductores La potencia activa transmitida a una carga depende de la corriente fundamental. Cuando la corriente absorbida por la carga contiene armó armónicos, el valor eficaz de la corriente, Irms, Irms, es superior al fundamental I1.

• Con THD definida como :

• Se puede deducir:

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2

 Irms   − 1 THD =   I1 

Irms = I1 1 + THD 2 121

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Pérdidas en función a las armónicas • el aumento de la corriente eficaz Irms para una carga que absorbe una corriente dada, • el aumento de pé pérdidas Joule (P (PJoules), sin tener en cuenta el efecto pelicular.

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Efecto pelicular • Aumento en las pé pérdidas I2R por efecto piel, RAC > RDC por el aumento de la corriente en la periferia del conductor

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Variación del efecto pelicular • Ejemplo de la variació variación del efecto pelicular en conductores.

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Pérdidas en los motores de inducción • Las tensiones armó armónicas aplicadas sobre má máquinas así asíncronas provocan la circulació circulación de corrientes de frecuencias superiores a 60 Hz en el rotor. • Estas corrientes provocan pérdidas suplementarias proporcionales a (Uh2/h). 28/08/2010

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Efecto en los motores de inducción • Las corrientes armó armónicas en el estator inducen FEM’ FEM’s (y corrientes) en el rotor. • Las corrientes adicionales en el rotor son forzadas por las FEM’ FEM’s inducidas en sus circuitos por las componentes del campo magné magnético rotatorio que giran a velocidades diferentes a la velocidad síncró ncrónica (o velocidad del rotor). • Cada componente armó armónica del estator origina un campo magné magnético rotatorio con velocidad h• wS. • El sentido de giro depende de la secuencia de las componentes armó armónicas. 28/08/2010

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Efecto en los motores de inducción • La 5ta armó armónica (secuencia negativa) produce un campo rotatorio que gira a 5• 5•wS, en sentido contrario al rotor. Respecto al rotor este campo gira a 6• 6•wS. • La 7ma armó armónica (secuencia positiva) produce un campo rotatorio que gira a 7• 7•wS en igual sentido que el rotor. Respecto a los devanados del rotor, este campo tambié también gira a velocidad 6• 6•wS. • En el rotor se superponen las 5ta y 7ma que son de la misma frecuencia (6• (6•wS). 28/08/2010

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Secuencia de las corrientes armónicas balanceadas • Secuencias de los sistemas de corrientes armó armónicas trifá trifásicas balanceadas

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Pérdidas en los motores de inducción • Efectos sobre el nú núcleo: cleo: las pé pérdidas pará parásitas en el hierro aumentan (~50%) esencialmente por efecto Focault. Focault. Dependen del valor efectivo de la tensió tensión. • Efectos sobre el estator: estator: calentamiento adicional debido a las corrientes armó armónicas y al incremento de la resistencia por efecto pelicular.

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Pérdidas en los motores de inducción • Efectos sobre el rotor: rotor: calentamiento adicional producido por la circulació circulación de armó armónicos impares en el estator que inducen corrientes armó armónicas pares en el rotor. • Efecto sobre el par: par: el par producido por los campos electromagné electromagnéticos generados por las corrientes armó armónicas pueden adicionarse o sustraerse al torque principal.

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Efecto en los motores de inducción Cálculo de los torques armó armónicos. • Las magnitudes de los torques armó armónicos pueden ser calculados a partir del circuito equivalente armó armónico del motor de inducció inducción.

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Efecto en los motores de inducción • Para el cá cálculo de circulació circulación de armó armónicas en el sistema el motor se representa por su reactancia transitoria (equivalente), excepto para la fundamental, en que debe utilizarse el modelo completo con Rr/s. Rr/s. • A las frecuencias de las armó armónicas de las tensiones en la red, el aislamiento no sufre solicitaciones de consideració consideración (NO es el caso de motores alimentados con inversores!!)

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Efecto en los motores de inducción • En motores que mueven ventiladores, es necesario verificar que las frecuencias de los torques armó armónicos no coincidan con las de las resonancias mecá mecánicas. • Aunque los torques armó armónicos son pequeñ pequeños, la resonancia amplifica las oscilaciones. • Si la barra en que está está el motor cumple con las restricciones IEEEIEEE-519 el motor trabajará trabajará adecuadamente.

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Pérdidas en los motores de inducción • Calentamiento excesivo por el aumento en todas sus pé pérdidas

1. Pérdidas I2R en el estator: por el aumento de la corriente de magnetización y por el efecto piel 2. Pérdidas I2R en el rotor: por el aumento en la resistencia efectiva del rotor por el efecto piel 3. Pérdidas de nú núcleo: aumentan relativamente poco debido al aumento en las densidades de flujo pico alcanzadas 4. Pérdidas adicionales: aumentan, pero son extremadamente complejas de cuantificar y varían con cada máquina 28/08/2010

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Pérdidas en los motores de inducción • Dependiendo del voltaje aplicado puede haber una reducció reducción en el par promedio de la má máquina. • Se producen torques pulsantes por la interacció interacción de las corrientes del rotor con los campos magné magnéticos en el entrehierro • Menor eficiencia y reducció reducción de la vida de la máquina

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Pérdidas en transformadores Las corrientes armó armónicas que circulan en los transformadores provocan un aumento de las pérdidas en las bobinas por efecto Joule y de las pé pérdidas del hierro debidas a las corrientes de Foucault. Foucault. Ademá Además, las tensiones armó armónicas causan pé pérdidas del hierro debido a la histé histéresis. resis. 28/08/2010

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Pérdidas en transformadores • • •

Pérdidas I2R (efecto Joule) Pérdidas por corrientes de Foucault o de eddy (Pe) Pérdidas adicionales (Pex (Pex). Pex).

Ih = corriente de la armónica h, en amperes IR = corriente nominal, en amperes Pe, R = pérdidas de Foucault a corriente y frecuencia nominal Pex, R = pérdidas adicionales a corriente y frecuencia nominal

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Pérdidas en transformadores • En primera aproximació aproximación, se puede considerar que las pé pérdidas en las bobinas varí varían como el cuadrado de la THD de corriente, y las pé pérdidas en el nú núcleo varí varían linealmente en funció función de la THD de tensió tensión. • Orden de magnitud: aumento de las pé pérdidas del 10 al 15 % para los transformadores de distribució distribución pú pública, donde las tasas de distorsió distorsión son limitadas.

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Efecto en transformadores En conexiones deltadelta-estrella que alimenten cargas no lineales monofá monofásicas se puede tener: a) Sobrecalentamiento del neutro por la circulació circulación de armó armónicas “triplen” triplen” b) Sobrecalentamiento del devanado conectado en delta

En caso de que alimenten cargas no lineales que presenten componente de corriente directa es posible:

a) Aumento ligero en las pé pérdidas de nú núcleo o sin carga b) Aumento en el nivel de sonido audible c) Incremento sustancial en la corriente de magnetizació magnetización.

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Efecto en transformadores Para los transformadores que alimenten a cargas no lineales se recomienda: a) Disminuir su capacidad nominal b) Utilizar transformadores con factor K

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Efecto en transformadores Diferencias entre transformadores convencionales y transformadores con factor K:

a) El tamañ tamaño del conductor primario se incrementa para soportar las corrientes armó armónicas “triplen” triplen” circulantes. Por la misma razó razón se dobla el conductor neutro. b) Se diseñ diseña el nú núcleo magné magnético con una menor densidad de flujo normal, utilizando acero de mayor grado, y c) Utilizando conductores secundarios aislados de menor calibre, devanados en paralelo y transpuestos para reducir el calentamiento por el efecto piel. 28/08/2010

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Efecto en transformadores • Transformadores con factor K disponibles comercialmente.

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Pérdidas en condensadores • Las tensiones armó armónicas aplicadas a los condensadores provocan la circulació circulación de corrientes proporcionales a la frecuencia de los armó armónicos. Estas corrientes causan pérdidas suplementarias. • Ejemplo: Considerar una tensió tensión de alimentació alimentación con las siguientes tasas de distorsió distorsión individual armó armónica (Uh), con U1 como tensió tensión fundamental : – – – –

u5 : 8 % de U1, u7 : 5 % de U1, u11 : 3 % de U1, u13 : 1 % de U1,

es decir, una THD para la tensió tensión del 10 %). 28/08/2010

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Pérdidas en condensadores I1 = U 1 ⋅ C ⋅ ω I 5 = U 5 ⋅ C ⋅ 5ω = U 5 ⋅ 5 I1 I 7 = U 7 ⋅ C ⋅ 7ω = U 7 ⋅ 7 I1 I11 = U11 ⋅ C ⋅11ω = U11 ⋅11I1 I13 = U13 ⋅ C ⋅13ω = U13 ⋅13I1 Irms =

∑I

2 h

Irms = 1 + (U 5 ⋅ 5) 2 + (U 7 ⋅ 7) 2 + (U11 ⋅11) 2 + (U13 ⋅13) 2 = 1.19 I1

En este ejemplo, las pé pérdidas Joule son multiplicadas por 1,192 = 1,4. 28/08/2010

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Efecto en condensadores • Siguiendo la norma, la corriente eficaz que circula en los condensadores no debe exceder 1.3 veces la corriente nominal. • Del ejemplo anterior, para un nivel de tensió tensión igual a 1.1 veces la tensió tensión nominal,

Irms = 1.31 I1 se rebasa el má máximo nivel de corriente y los condensadores deben ser reescalados. 28/08/2010

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Sobrecarga en el neutro • En un sistema cuya fuente es trifá trifásica balanceada y donde las tres cargas monofá monofásicas conectadas entre fase a neutro son idé idénticas, no existe corriente por el neutro. • En un sistema de 4 conductores con cargas monofá monofásicas no lineales, ciertos armó armónicos impares denominados triplens no se anulan entre sí sí, sino que se suman en el conductor neutro. 28/08/2010

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Sobrecarga en el neutro • En sistemas con muchas cargas monofá monofásicas no lineales, la corriente del neutro puede llegar a superar el valor de la de las fases. En este caso el peligro es el excesivo calentamiento, al no existir en el conductor neutro ningú ningún interruptor automá automático que limite la corriente como ocurre en los conductores de las fases. • Una corriente excesiva en el conductor neutro puede provocar tambié también caí caídas de tensió tensión superiores a lo normal entre el conductor neutro y tierra en la toma de corriente a 230 V. 28/08/2010

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Ejemplo • Calcular la corriente de fase y de neutro en una red que alimenta a un rectificador: • Factor de cresta: 2,5 • Carga 180 kVA: kVA: • La corriente eficaz a 60 Hz equivalente a: I= 180 kVA/( kVA/( √3 400 V) = 260 A • Armónicos Arm nicos calculados: Ι2 = 182 a 60 Hz Ι3 = 146 a 180 Hz Ι5 = 96 a 300 Hz Ι7 = 47 a 420 Hz Ι9 = 13 a 540 Hz • Las corrientes armónicas arm nicas de rangos mayores se desprecian. 28/08/2010

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Ejemplo • Corriente en una fase (ΙΙP): ΙP = √(182)2 + (146)2 + … = 260 A • Corriente en el neutro (ΙΙNeutro): ΙNeutro = √(3 x 146)2 + (3 x 13)2 = 440 A • La corriente en el neutro es superior a la corriente por fase. Se deberá deberá tomar en cuenta esto para las secciones de conexió conexión y la selecció selección del equipo.

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Efecto en interruptores • Los interruptores termomagné termomagnéticos ordinarios tienen un mecanismo de disparo que reacciona al calentamiento producido por la corriente del circuito. • Dicho mecanismo está está diseñ diseñado para responder al valor eficaz de la onda de corriente de manera que se dispare si se calienta demasiado. 28/08/2010

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Efecto en interruptores • Este tipo de interruptor ofrece una mayor protecció protección frente a sobrecargas por corrientes armó armónicas. • Los automá automáticos electró electrónicos detectores de picos reaccionan ante los picos de la onda de corriente. Como el valor de pico de la corriente armó armónica suele ser superior al de la normal, este tipo de interruptor automá automático puede dispararse prematuramente con valores de corriente bajos. • Por otro lado, si el nivel de pico es inferior al normal puede que el automá automático no reaccione cuando debiera.

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Efecto en interruptores • La capacidad de interrupció interrupción NO es afectada ya que durante una falla, la corriente es prá prácticamente de frecuencia fundamental. • En interruptores con bobinas de soplado del arco en las que el flujo puede distorsionarse con pequeñ pequeños contenidos armó armónicos puede verse afectada la capacidad de desconexió desconexión de carga.

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Efecto en tableros • Los tableros diseñ diseñados para corrientes de 60 Hz pueden presentar resonancia debido a los campos magné magnéticos generados por corrientes armó armónicas de alta frecuencia. • Cuando esto sucede el tablero empieza a vibrar y emite un zumbido a las frecuencias armó armónicas. 28/08/2010

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Efecto en medidores Corriente y voltaje distorsionados producen errores en el medidor de inducció inducción que dependen de: – distorsió distorsión de la corriente y el voltaje – desfasaje entre cada voltaje y su corriente armó armónica – nivel de carga – factor de potencia 28/08/2010

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C. Perturbaciones • Efectos de la distorsió distorsión de la tensió tensión de alimentació alimentación. La distorsió distorsión de la fuente de alimentació alimentación puede perturbar el funcionamiento de aparatos sensibles: – dispositivos de regulació regulación (temperatura, etc.), – material informá informático, – dispositivos de control y monitorizació monitorización (relé (relés de protecció protección).

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Perturbaciones Perturbaciones en lí líneas telefó telefónicas • Los armó armónicos generan perturbaciones en los circuitos con la circulació circulación de corrientes bajas. • El grado de perturbació perturbación depende de la distancia de avance en paralelo de los cables de potencia y de señ señal, la distancia entre las lí líneas y la frecuencia de los armó armónicos.

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D. Impacto económico • • • • •

Pérdidas energé energéticas. Costes adicionales de potencia contratada. Sobredimensionamiento de los equipos. Reducció Reducción de la vida útil de los equipos. Desconexiones indeseadas y paradas de operació operación.

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Disposiciones normativas entorno normativo y reglamentario

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Disposiciones normativas y reglamentarias Las emisiones armónicas son sometidas a diferentes disposiciones normativas y reglamentarias : • normas de compatibilidad para los sistemas de distribución, • normas de limitación de valores aplicables a los dispositivos generadores de armónicos, • recomendaciones de los distribuidores de energía aplicables a las instalaciones. 28/08/2010

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Disposiciones normativas y reglamentarias Con el fin de atenuar rápidamente los efectos de la polución armónica, un triple dispositivo normativo y reglamentario se encuentra actualmente en vigor y son los siguientes • Normas de compatibilidad entre redes eléctricas y productos. • Normas de calidad de las redes • Normas de los equipos.

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Normas de compatibilidad entre redes y productos Estas normas proporcionan las directivas para la compatibilidad entre las redes eléctricas y los productos, lo que significa que : • los armónicos generados por un aparato en la red no deben exceder los límites especificados, • cada aparato debe poder funcionar con total normalidad en presencia de perturbaciones iguales a los niveles especificados.

IEC 1000-2-2 para las redes públicas de baja tensión, e IEC 1000-2-4 para las instalaciones industriales de baja y media tensión. 28/08/2010

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Norma de calidad de las redes La norma EN 50160 estipula las características de la tensión suministrada por las redes públicas de BT. • IEEE 519, es una aproximación conjunta entre el distribuidor de energía y el cliente para limitar el impacto de las cargas no-lineales. • Es más, los distribuidores de energía fomentan las

acciones de prevención con el fin de reducir las degradaciones de la calidad de la electricidad, los aumentos de la temperatura y las alteraciones del factor de potencia. Se está considerando la posibilidad de penalizar a los clientes que produzcan perturbaciones. 28/08/2010

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Norma de los equipos • IEC 61000-3-2 o EN 61000-3-2 para los aparatos de baja tensión que absorben una corriente inferior a 16 A, • IEC 61000-3-4 o EN 61000-3-4 para los aparatos de baja tensión que absorben una corriente superior a 16 A.

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Valores permitidos de armónicos • En base a resultados obtenidos de estudios internacionales ha sido posible obtener una estimación de valores típicos de armónicos encontrados en las redes de suministro. • A continuación se muestra una tabla donde se refleja la opinión de un buen número de distribuidores sobre los límites armónicos que no deben ser excedidos.

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Valores permitidos de armónicos

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Valores permitidos de armónicos

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Valores permitidos de armónicos

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Soluciones para atenuar los armónicos

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Soluciones para atenuar los armónicos Las posibles soluciones para atenuar los efectos de los armónicos son de tres naturalezas distintas: • adaptaciones de la instalación, • utilización de dispositivos particulares en la alimentación (inductancias, transformadores especiales), • filtrado.

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Soluciones para atenuar los armónicos Clasificaremos las propuestas de solució solución en: A. Soluciones generales. B. Acciones en caso de sobrepasar los valores límite.

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Soluciones generales

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Soluciones generales Para limitar la propagación de los armónicos en la red, se deben tomar una serie de medidas, especialmente cuando se diseña una nueva instalación.

1. Posicionar las cargas perturbadoras aguas arriba en la red. 2. Reagrupar las cargas perturbadoras 3. Separar las fuentes 4. Utilizació Utilización de transformadores en conexiones particulares 5. Instalació Instalación de inductancias 6. Elecció Elección de un esquema de enlace adaptado a tierra 28/08/2010

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Posicionar las cargas perturbadoras aguas arriba en la red • La perturbación armónica global aumenta a medida que la potencia de cortocircuito disminuye. • Consideraciones económicas aparte, es preferible conectar las cargas perturbadoras lo más aguas arriba posible.

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Reagrupar las cargas perturbadoras • Separar, en la medida de lo posible, los equipos perturbadores de los otros: en la práctica, se deberían alimentar las cargas perturbadoras y las no perturbadoras con juegos de barras diferentes. • Reagrupando las cargas perturbadoras, aumenta la posibilidad de recomposición angular. Esto es debido a que la suma vectorial de las corrientes armónicas es menor que su suma algebraica.

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Reagrupar las cargas perturbadoras • También se debe hacer un esfuerzo para evitar la circulación de corrientes armónicas en los cables, limitando las caídas de tensión y el aumento de temperatura en los cable

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Separar las fuentes • En la lucha contra los armónicos, se obtiene una mejora suplementaria alimentando con transformadores separados, como se muestra en el siguiente esquema. • El inconveniente de esta solución es el aumento en el coste de la instalación.

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Utilización de transformadores en conexiones particulares • Para eliminar ciertos órdenes de armónicos, se utilizan algunos tipos de conexiones especiales en los transformadores. • Los órdenes de armónicos eliminados dependen del tipo de conexión implementada. 1. Una conexión delta-estrella-delta elimina los armónicos de orden 5 y 7. 2. Una conexión delta-estrella elimina los armónicos de orden 3 (los armónicos circulan por cada una de las fases, y retornan por el neutro del transformador), 28/08/2010

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Utilización de transformadores en conexiones particulares 3. Una conexión delta-zigzag elimina los armónicos de orden 5 (por retorno en el circuito magnético).

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Instalación de inductancias • En el caso de alimentación de variadores de velocidad, se puede alisar la corriente con la utilización de inductancias de lí línea . Aumentando la impedancia del circuito de alimentación, se limita la corriente armónica.

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Instalación de inductancias • La utilización de inductancias antiantiarmó armónicos en las baterías de condensadores permite aumentar la impedancia del conjunto bobina y condensador, para los armónico de frecuencias elevadas.

REGULADOR AUTOMÁTICO

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Elección de un esquema de enlace adaptado a tierra 1. Caso de ré régimen TNC.

•

En el caso de régimen de neutro TNC, un sólo conductor (PEN) asegura la protección en el caso de defecto (tierra) y asegura el tránsito de las corrientes de desequilibrio.

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Elección de un esquema de enlace adaptado a tierra • En régimen permanente, las corrientes armónicas circulan a través del PEN. Sin embargo, una cierta impedancia del PEN, implica pequeñas diferencias de potencial (del orden de algunos voltios) entre aparatos, y puede acarrear el mal funcionamiento de los equipos electrónicos. • El régimen de neutro TNC debe ser utilizado únicamente para la alimentación de circuitos de potencia, en cabecera de la instalación, y nunca se debe utilizar para la alimentació alimentación de cargas sensibles. sensibles 28/08/2010

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Elección de un esquema de enlace adaptado a tierra 2. Caso de ré régimen TNS.

•

El conductor de neutro y el conductor de protección PE están completamente separados, asegurando de este modo una tensión en el sistema mucho más estable. Este es el sistema recomendado en el caso de presencia de armó armónicos.

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Acciones en caso de sobrepasar los valores límite

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Acciones en caso de sobrepasar los valores límite • En el caso en que las acciones preventivas presentadas anteriormente no sean suficientes, la instalación debe ser equipada con filtros. • Se distinguen tres tipos de filtros : 1. el filtro pasivo, 2. el filtro activo, 3. el filtro híbrido. 28/08/2010

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Filtro pasivo (aplicaciones típicas) 1. instalaciones industriales con un conjunto de generadores de armónicos de potencia total superior a aproximadamente 200 kVA (variadores de velocidad, SAIs, rectificadores,...), 2. instalaciones donde se requiere una corrección del factor de potencia, 3. situaciones en las que es necesaria la reducción de la tasa de distorsión de tensión para evitar la perturbación de receptores sensibles, 4. situaciones en las que es necesaria la reducción de la tasa de distorsión de corriente para evitar las sobrecargas. 28/08/2010

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Filtro pasivo (principio de funcionamiento) • Un circuito LC sintonizado a cada una de las frecuencias de armónicos a filtrar, en paralelo con el dispositivo generador de armónicos. • Este circuito de derivación absorbe los armónicos y evita que circulen por la alimentación. 28/08/2010

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Filtro pasivo • En general, el filtro pasivo se sintoniza a un orden de armónico próximo al que se quiere eliminar. • Cuando se requiere una reducción importante en la tasa de distorsión sobre una serie de órdenes, se pueden utilizar más filtros conectados en paralelo.

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Filtro activo o compensador activo (aplicaciones típicas) 1. instalaciones comerciales con un conjunto de generadores de armónicos de potencia total inferior a aproximadamente 200 kVA (variadores de velocidad, SAIs, equipos de oficina,...), 2. situaciones en las que es necesaria la reducción de la tasa de distorsión de corriente para evitar las sobrecargas. 28/08/2010

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Filtro activo o compensador activo • El filtro activo reinyecta en fase opuesta los armónicos que circulan por la carga, de tal forma que la corriente de línea Is permanece sinusoidal. 28/08/2010

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Filtro híbrido (aplicaciones típicas) 1. instalaciones industriales con un conjunto de generadores de armónicos de potencia total superior a aproximadamente 200 kVA (variadores de velocidad, SAIs, rectificadores,...), 2. instalaciones donde se requiere una corrección del factor de potencia, 3. situaciones en las que es necesaria la reducción de la tasa de distorsión de tensión para evitar la perturbación de receptores sensibles, situaciones en las que es necesaria la reducción de la tasa de distorsión de corriente para evitar las sobrecargas, 4. situaciones en las que se requiere conformidad con los límites estrictos de emisión armónica. 28/08/2010

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Filtro híbrido (principio de funcionamiento) • Los dos tipos de dispositivos presentados anteriormente se pueden combinar en un único dispositivo, constituyéndose así un filtro híbrido. • Esta nueva solución de filtrado combina las ventajas de las soluciones existentes y proporciona un buen comportamiento cubriendo un amplio rango de potencia. 28/08/2010

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Criterios de elección de filtros • El filtro pasivo permite tanto : 1. la compensación de energía reactiva (corrección del factor de potencia), 2. una gran capacidad de filtrado en corriente. • Las instalaciones donde los filtros pasivos estén instalados deben ser suficientemente estables, es decir, con un nivel bajo de fluctuaciones de carga. • Si la potencia reactiva alimentada es importante, se recomienda desconectar tensión del filtro pasivo cuando los niveles de carga son bajos. • Los estudios preliminares de un filtro deben tener en cuenta la eventual presencia de una batería de compensación y pueden llevar a su eliminación. 28/08/2010

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Criterios de elección de filtros • La compensació compensación activa permite el filtrado de armónicos en un amplio rango de frecuencias. Se pueden adaptar a cualquier carga. Sin embargo, su potencia armónica es limitada. • El filtro hí híbrido combina las ventajas de los filtros pasivos y activos.

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Mejora de la calidad de la red • Las tolerancias generalmente admitidas para el buen funcionamiento de una red que incluye cargas sensibles a las perturbaciones (equipos electrónicos, material informático, etc.) se dan en el cuadro siguiente:

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Mejora de la calidad de la red

• Para alcanzar estos valores, se puede

recurrir a fuentes de alimentación y / o tomar precauciones a nivel de la instalación.

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Fuentes de repuesto • Los diferentes tipos de fuentes de repuesto se describen en el cuadro siguiente:

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Dispositivos para mejorar la calidad en MT

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Precauciones de instalación Aislar las cargas perturbantes. perturbantes. – por una red separada, a partir de una entrada AT específica (para cargas importantes), – por la subdivisión de los circuitos: un fallo en un circuito debe afectar lo menos posible otro circuito, – por la separación de los circuitos que incluyen cargas perturbantes. Estos circuitos está están separados de los demá demás circuitos a nivel má más alto posible de la instalació instalación BT para aumentar la atenuació atenuación de las perturbaciones a causa de la impedancia de los cables. 28/08/2010

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Precauciones de instalación

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Precauciones de instalación Seleccionar un régimen de neutro adaptado • El ré régimen IT garantiza una continuidad de explotació explotación evitando, por ejemplo, la apertura de los circuitos por disparo intempestivo de un dispositivo diferencial como consecuencia de una perturbació perturbación transitoria. Asegurar la selectividad de las protecciones • La selectividad de las protecciones permite limitar el corte al circuito con defecto. 28/08/2010

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Precauciones de instalación Cuidar la puesta en obra de la red de las masas • por el establecimiento de redes de masas propias a algunas aplicaciones (informática, etc.); cada red tiene mallas para obtener la mejor equipotencialidad posible (la más pequeña resistencia entre los diferentes puntos de la red de masa), • uniendo estas masas en estrella, lo más cerca posible de la toma de tierra, • utilizando los conductos de cables, los pasacables, tubos, canales metálicos unidos a masa e interconectados entre sí, 28/08/2010

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Precauciones de instalación

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Precauciones de instalación

• separando los circuitos perturbantes de los circuitos sensibles situados en los mismos conductos de cables, • utilizando lo má más posible las masas (armarios, estructuras metá metálicas… licas…) para realizar masas equipotenciales.

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Precauciones de instalación

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