Cómo se forman, propagan y limpian los armónicos en cargas no lineales

1. Introducción

La revolución industrial cambió la vida con la tecnología, en particular la energía eléctrica distribuida globalmente por las empresas de servicios públicos. Hoy en día, la calidad de la energía es esencial para el funcionamiento constante de los equipos, lo que exige energía estable y sin fallas para los usuarios domésticos e industriales. Las empresas de servicios públicos exigen equipos de alta calidad para evitar problemas de energía del sistema.

Los dispositivos basados ​​en electrónica de potencia han contribuido significativamente al ahorro de combustible y energía, pero también han introducido armónicos, lo que genera voltajes contaminados. Tanto los usuarios comerciales como los domésticos emplean estos dispositivos, que generan corrientes armónicas. Como resultado, garantizar un suministro de energía limpia se ha convertido en un interés mutuo tanto para los usuarios como para las empresas de servicios públicos.

Los armónicos han sido durante mucho tiempo un tema crítico dentro del ámbito de la calidad de la energía. Varias organizaciones internacionales, incluidas IEEE, IET e IEC, han establecido estándares de diseño para mantener fuentes de alimentación libres de armónicos.

Gestionar los sistemas de energía requiere que las empresas de servicios públicos gestionen los armónicos en su origen para evitar la inestabilidad de la red. Un enfoque integral para el control de armónicos implica tres etapas clave:

1. Identificación de fuentes armónicas

2. Medición de niveles armónicos

3. Implementación de técnicas de purga.

Los departamentos de I+D de las empresas de servicios públicos están investigando para mantener los niveles armónicos dentro de los límites permitidos. Las áreas clave de investigación incluyen:

1. Corrección del factor de potencia en ambientes armónicamente contaminados.
2. Fallos del sistema de coordinación de aislamiento.
3. Distorsión de forma de onda
4. Reducción de potencia de transformadores, cables, interruptores y condensadores de corrección del factor de potencia.

Los organismos reguladores se centran en diseñar e implementar estándares para el control de armónicos. Estos métodos incluyen:

1. Filtros de armónicos activos basados ​​en lógica difusa
2. Técnicas wavelet para análisis de formas de onda.
3.  Técnicas sofisticadas de PWM para conmutación de electrónica de potencia

Este capítulo tiene como objetivo explicar las fuentes de generación de armónicos, su identificación, medición y técnicas de purga/supresión. Su objetivo es proporcionar valor a todos los ingenieros eléctricos, en particular a los ingenieros de servicios públicos.

2. ¿Qué son los armónicos?

En ingeniería eléctrica, los armónicos se refieren a formas de onda sinusoidales que son múltiplos de la frecuencia del sistema. Los armónicos de un sistema se pueden describir como se muestra a continuación.

Armónico dividido en secuencias positivas, negativas y cero. Los armónicos de secuencia positiva varían con la frecuencia fundamental, mientras que los de secuencia negativa se oponen a ella. Los armónicos de secuencia cero no se ven afectados por la frecuencia fundamental.

La dirección fasor es crítica, especialmente en motores. Los armónicos de secuencia positiva impulsan los motores correctamente, mientras que los negativos reducen el par. Los ejemplos incluyen 7, 13 y 19 para secuencia positiva, 5, 11 y 17 para negativa y 3, 9 y 15 para secuencia cero.

Las empresas de servicios públicos se centran en los armónicos hasta el orden 11 debido a la disminución de la amplitud. Gestionarlos es crucial para la calidad de la energía y la confiabilidad del sistema.

3. Generación de armónicos

Harmonics in electrical networks are produced by various sources, including:

1. Rectifiers
2. Iron cores in power transformers
3. Welding equipment
4. Variable speed drives
5. Periodic switching of voltage and currents
6. AC generators with non-sinusoidal air gap flux distribution or tooth ripple
7. Switching devices like SMPS, UPS, and CFLs

Voltage distortions from AC generators occur due to uneven magnetic fields.

In large power systems, maintaining a smooth output from the generator is vital. However, any deviations in the circuit can lead to harmonics in the current flow. Also, harmonics can originate from the iron cores in transformers, which have a non-linear magnetic behavior.

Managing these harmonic sources is essential for maintaining power quality, ensuring the efficiency and reliability of electrical systems, and preventing potential damage to equipment.

4. Problems associated with harmonics

Harmonic frequencies in electrical systems can lead to several issues:

· Resonant Conditions: Harmonics can create resonant conditions when combined with power factor correction capacitors.

· Increased Losses: System elements, including transformers and generating plants, experience increased losses.

· Insulation Aging: Harmonics accelerate the aging of insulation materials.

· Communication Interference: Harmonics can interrupt communication systems.

· False Tripping: Circuit breakers may experience false tripping due to harmonics.

· Neutral Wire Currents: Large currents can flow in neutral wires, causing potential safety hazards.

5. Harmonics monitoring standards

Harmonic identification in AC power networks led to standards by IEEE, IEC, and IET for monitoring and evaluation. These standards help maintain power quality, with modern AI techniques aiding in improving and enforcing these regulations globally.

6. Harmonics measurement

In a harmonically polluted environment, identifying the best measurement point is challenging. Modern electronics contribute to widespread harmonics, with load profiles varying throughout the day. Accurate harmonic identification requires power quality analyzers or digital oscilloscopes for Fast Fourier Transform (FFT). IEEE Standard 519-1992 outlines procedures for harmonic measurements, but utilities must maintain precise logs for accurate monitoring and mitigation.

• Power Quality Analyser

• Instrument transformers based transducers (CT and PT)

7. Harmonics purging techniques

Active Power Filters (APFs) use power electronics to mitigate harmonic distortions from non-linear loads. They focus on developing control algorithms and load current analysis.

Active Power Filters (APFs) are crucial for improving low-voltage power quality, two type as below:

• series active filters

• shunt active filters

Los filtros activos en derivación, o filtros paralelos, contrarrestan las distorsiones armónicas en redes de CA causadas por cargas no lineales. Actúan como fuente de corriente en paralelo a la carga, detectando armónicos con microsensores y utilizando IGBT.

8. Conclusión

Este capítulo analiza cuestiones básicas de calidad de la energía, cubriendo las fuentes de armónicos y sus efectos en los componentes eléctricos. Analiza los estándares regulatorios para el control de armónicos y técnicas de medición efectivas. Se destacan estrategias para la mitigación de armónicos, incluido el uso innovador de filtros activos de armónicos (APF).

Los APF son soluciones fundamentales para mantener energía de alta calidad, mejorar la confiabilidad del sistema y optimizar la eficiencia energética.

Cualquier interés de APF, bienvenido contacto: sales@yt-electric.com