Armónicos y armónicos de tercer orden
Los armónicos son el resultado de cargas no lineales que convierten el voltaje de línea de CA en CC. Los armónicos fluyen hacia el sistema eléctrico debido a los dispositivos de conmutación electrónicos no lineales, como los variadores de frecuencia (VFD), las fuentes de alimentación de las computadoras y la iluminación de bajo consumo.
Hoy en día, las fuentes armónicas más frecuentes y en crecimiento son:
Como la fuente de alimentación en modo Swith, las luces LED, el horno de arco causará generalmente un armónico de tercer orden.
3er armónico y corriente alta en corriente de Neutro
En un sistema trifásico de cuatro hilos, las corrientes sinusoidales con cargas lineales se suman para regresar al conductor neutro. El cambio de fase de 120° entre las corrientes de carga sinusoidales hace que su suma vectorial sea bastante pequeña. De hecho, será cero si las cargas lineales están perfectamente equilibradas.
La suma instantánea de las corrientes en las tres fases tomadas en cualquier momento también será cero si las cargas lineales están perfectamente equilibradas. Si no lo son, habrá una pequeña corriente neutra residual.
Con cargas lineales, el conductor neutro puede tener el mismo tamaño que los conductores de fase porque la corriente neutra no será mayor que la corriente de fase más alta. Desafortunadamente, esto definitivamente no es cierto para las cargas no lineales de fase a neutro.
Las cargas no lineales de 120 V CA, como las SMPS utilizadas en computadoras y monitores, consumen corriente en dos pulsos distintos por ciclo. Debido a que cada pulso es angosto (menos de 60 grados), las corrientes en la segunda y tercera fase son cero cuando el pulso de corriente ocurre en la primera fase. Por lo tanto, no puede ocurrir ninguna cancelación en el conductor neutro y cada pulso de corriente en una fase se convierte en un pulso de corriente en el neutro.
Incluso si las corrientes de fase de las cargas SMPS están perfectamente equilibradas en amperios RMS, el valor RMS de la corriente neutral puede ser tanto como √3 veces el valor RMS de la corriente de fase porque hay 3 veces más pulsos de corriente en el neutral que en cualquier fase. Si los pulsos de corriente de fase se superponen porque superan los 60 grados de ancho, habrá alguna cancelación, de modo que la corriente de neutro será inferior a √3 veces la corriente de fase. Superpuesto o no, porque hay 3 veces más pulsos en el neutro que en una fase, el componente predominante de la corriente de neutro será el 3er armónico (180Hz para un sistema de 60Hz). La corriente lineal completa solo 2 ciclos en el mismo período de tiempo que la corriente neutra no lineal completa 6 ciclos o 3 veces la fundamental.
Las corrientes del tercer armónico se suman a las neutrales (3 veces las corrientes del tercer armónico en las fases). Las corrientes armónicas de triple N se suman aritméticamente en el conductor neutro en lugar de sumar cero, como lo hacen las corrientes fundamentales balanceadas y otras corrientes armónicas. El resultado son corrientes neutrales que a menudo son significativamente más altas, típicamente hasta un 170%, que las corrientes de fase.
Los 3er armónicos son peligrosos
Ahora examinemos por qué los terceros armónicos son peligrosos. Los armónicos del sistema de potencia aumentan la corriente en el sistema rápidamente. Esto es particularmente correcto para el tercer armónico. El tercer armónico provoca un fuerte aumento de la corriente en un conductor neutro. Los armónicos provocan el mal funcionamiento de las piezas electrónicas, lo que provoca el calentamiento de los transformadores, etc.
La digitalización, la informatización y la automatización tienen la otra cara, las fuentes de alimentación (SMPS) y la adición de equipos de control de iluminación se suman al grave problema de los 3.º armónicos. Como estos armónicos son de gran amplitud y magnitud, se suman a los problemas del problema de la mala calidad de la energía.
El problema del 3er armónico es el siguiente:
1. Sobrecarga de conductores neutros
2. Transformadores de distribución de sobrecarga
3. Alto voltaje de neutro a tierra.
4. Mala calidad de energía y distorsión del voltaje que alimenta la carga.
5. Desequilibrio de corriente en el transformador, exceso de carga del transformador en Fases individuales.
Solución de 3er armónico
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