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Armónicos y la norma IEEE 519 1992

La automatización de procesos industriales ha impulsado la incorporación de cargas no lineales, verdaderas fuentes de perturbación de los sistemas eléctricos, que inyectan armónicas de corriente, distorsionando su forma de onda. Al interactuar con la impedancia del sistema, ésta distorsiona el voltaje y provoca diferentes problemas en los equipos asociados al sistema. Para establecer responsabilidades entre Consumidor y Distribuidor, se han creado normas nacionales e internacionales, las cuales limitan los rangos permitidos de forma de onda de voltaje a suministrar por la distribuidora y a distorsionar por los consumidores. La norma más utilizada en Chile es la IEEE 519 1992, por la que se rigen la mayoría de los nuevos proyectos en Chile.

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Figura 1: Formas de onda de corriente de cargas lineales y no lineales típicas.

En la actualidad, los problemas de armónicos son comunes en aplicaciones comerciales e industriales, debido principalmente a equipos como fuentes switching, variadores de frecuencia, entre otras cargas no lineales. Su proliferación las ha transformado en una importante parte de la carga total, según los sistemas descritos en la figura 1.

Armónicos característicos generados por un rectificador:

h = np +/-1, donde
h = Armónico
n = Número integral
p = Pulsos

Una carga es no lineal cuando su impedancia cambia al aplicar voltaje. Estas corrientes no sinusoidales contienen armónicas que interactúan con la impedancia del sistema creando distorsión de voltaje que puede afectar a los equipos del sistema de distribución y cargas conectadas. La mayoría de los sistemas de potencia tolera ciertos niveles de armónicas, pero tiene problemas cuando son parte significativa de la carga total. Asimismo, la distorsión de voltaje, no de corriente, afectará los equipamientos conectados al sistema.

El análisis de Fourier dice que la corriente de un rectificador de 6 pulsos tiene una componente de frecuencia fundamental más las armónicas impares 5, 7, 11, 13, etc. La caída de voltaje será de acuerdo a la ley de Ohm (Vh=Ih*Zh), donde Vh, Ih y Zh voltaje, corriente e impedancia a armónico h.

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Figura 2: Relación entre impedancia del sistema y distorsión de voltaje.

La figura 2 muestra la relación entre impedancia del sistema y distorsión de corriente y voltaje en varios puntos en un sistema de potencia típico.

Distorsión total de armónicas o THD en porcentaje del valor de la componente fundamental es:



Entonces, distorsión de voltaje es una función de impedancia y distorsión de corriente del sistema, mientras mayor es la impedancia del sistema mayor será la distorsión de voltaje. En la figura 2, podemos ver que la más grande distorsión de voltaje es en los terminales de las cargas, debido a la impedancia total del sistema en ese punto.


Algunos detalles sobre la norma

La IEEE 519 1992 trata principalmente con armónicos introducidos por cargas no lineales, con la finalidad de que los problemas de calidad de potencia puedan ser prevenidos. Su cumplimiento está siendo solicitado cada día más debido al crecimiento en la utilización de VDF y otras cargas no lineales.

Además, esta norma define distorsión total e individual de voltaje y corriente. La filosofía adoptada fue restringir la inyección de corrientes armónicas de consumidores individuales para no causar niveles de distorsión de voltaje inaceptables (ver figura 3).





Figura 3: Límites de distorsión de voltaje y corriente IEEE 519-1992.

Asimismo, esta norma puede ser útil para asegurar que la Distribuidora Eléctrica tendrá una operación libre de problemas de armónicos. Debido a la definición de punto común de acoplamiento (PCC), la regulación no toma la preocupación suficiente con los Consumidores, ya que define el PCC como el punto donde la Distribuidora puede alimentar a varios Clientes, lo que es muy fácil de cumplir por ser el punto con la menor impedancia y mayor porcentaje de dilución de armónicas debido a cargas lineales.

Por lo anterior, no garantiza que el Consumidor esté libre de problemas de armónicos para sus equipos en otros puntos aguas abajo. En ese sentido, cumplir también con la regulación en los diferentes POA aguas abajo del PCC garantizaría una operación libre de problemas. Y más aún, todos los equipos no lineales en su entrada debieran cumplir los rangos límites más estrictos de la IEEE 519 1992. No obstante, en muchos casos, esto último puede representar una inversión muy alta e innecesaria.

En definitiva, podemos recomendar un diseño del proyecto acorde a la IEEE 519 1992, no sólo en el PCC, sino también en los diferentes POA del sistema de potencia eléctrica. Esto se enfatiza, si el lector considera los costos y complicaciones de estudios e implementación posteriores de una solución para sus problemas de armónicos en terreno.

Por Ignacio Contreras, Power Electronics Product Manager de Rolec S.A. icontreras@rolec.cl
Septiembre 2006
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Comentarios acerca de este artículo
Jacobo Mendelovici Ofidiel (04/12/2007)

THD tiene que ver con la calidad (pureza) de la onda de voltaje y las restricciones de la norma (3%, 5%, etc.) están relacionadas acordemente. Ahora bien, existe alguna manera práctica de calcular la caída de voltage en la carga cuando se trata de cargas no lineales?. Hay alguna norma al respecto?
Por otra parte, si se mide el voltge en los terminales de la fuente y luego en los terminales de la carga (con un voltimetro "True RMS sensing"), la diferencia entre las dos mediciones (es decir, resta algebraica) representaría la caída de voltaje en la carga?

Jacobo Mendelovici
Dic.4, 2007

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