Calculo de distorsión armónica de corriente y voltaje (THDi, THDv, TDD) – IEEE 519. !!! PREMIUM !!!

Un sistema eléctrico normalmente suministra energía a las cargas con una corriente de frecuencia fundamental de 60Hz.

Solo la corriente de frecuencia fundamental puede proporcionar potencia real, mientras que las corrientes a frecuencias armónicas no entrega ninguna potencia real a la carga.

Cuando hay corriente de una sola frecuencia (60Hz) en un sistema se puede utilizar los valores con la ley de Ohm y los cálculos de potencia comunes. Sin embargo, cuando hay corrientes de más de una frecuencia (60Hz, 180Hz, 300Hz etc), la suma directa de los valores de corriente conduce a un valor sumado que no representa correctamente el efecto total de las múltiples corrientes. En su lugar se debe sumar las corrientes de una manera conocida como suma de la «raíz cuadrada media».

Entonces, si un sistema transporta 70 A de corriente fundamental, 18 A de 5th (Quinta) corriente armónica, 14 A de 7th (Séptima) corriente armónica y 11 A de 11th (Onceava) corriente armónica, la corriente efectiva sería 74,3 A rms, no la suma aritmética de 113 A. Este valor de 74,3 A rms sería el valor correcto para usar en todos los cálculos de potencia.

Lo mismo ocurre con los voltajes armónicos. Para obtener el voltaje efectivo para un sistema en el que están presentes voltajes de varias frecuencias se debe sumar los voltajes en forma rms.

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Principios básicos de los armónicos

Antes de empezar con los ejemplos y cálculos vamos introducirnos en los conceptos básicos de armónicos causados por cargas no lineales. Se definirá las cargas no lineales, explicando qué tipos de equipos eléctricos constituyen cargas no lineales y se analiza los tipos de armónicos.

Para comprender los armónicos, es necesario comprender la diferencia básica entre cargas lineales y no lineales, así como algunas otras definiciones.

Cargas lineales y no lineales

Carga lineal

Una «carga lineal» es aquella que se opone al voltaje aplicado con impedancia constante, lo que da como resultado una forma de onda de corriente que cambia en proporción directa al cambio sinusoidal al voltaje aplicado.

Ejemplos de estas cargas son el calentamiento por resistencia, la iluminación incandescente y los motores (hasta cierto punto). Si la impedancia es constante y el voltaje aplicado es sinusoidal, entonces la corriente y su forma de onda también serán sinusoidales.

Carga no lineal

Una «carga no lineal» es aquella que no se opone al voltaje aplicado con impedancia constante. Esto da como resultado una forma de onda de corriente no sinusoidal. La forma de onda de la corriente no sinusoidal no se ajusta a la forma de onda del voltaje aplicado.

Las cargas no lineales activan y desactivan su impedancia de carga cerca del pico de la forma de onda de voltaje, lo que genera pulsos cortos, abruptos y de alta corriente.

Las cargas no lineales tienen alta impedancia durante la mayor parte de la forma de onda de voltaje. Cuando la forma de onda de voltaje está en o cerca de su pico, la impedancia se reduce repentinamente.

La impedancia reducida en el voltaje pico da como resultado un aumento grande y repentino en el flujo de corriente hasta que la impedancia aumenta repentinamente, lo que resulta en una caída instantánea de la corriente. Estos pulsos de corriente no sinusoidales, de conmutación rápida, introducen corrientes reflectantes de nuevo en el sistema de distribución de energía.

Los tipos de cargas no lineales pueden incluir:

• Iluminación fluorescente
• Iluminación HID o LED
• Balastos electrónicos
• Atenuadores electrónicos
• Motores con variadores de frecuencia
• Ordenadores
• Suministros de energía ininterrumpida (UPS)
• Impresoras láser
• Equipo de procesamiento de datos
• Otros equipos electrónicos

Armónicos y «orden» de los armónicos

Las corrientes armónicas se producen cuando las cargas electrónicas cambian su impedancia para que la forma de onda de la corriente no se parezca a la forma de onda de voltaje.

“Armónico” es un término que describe formas de onda que giran entorno a una frecuencia que es un múltiplo de la frecuencia fundamental. En los sistemas de distribución eléctrica comunes en los Estados Unidos, la frecuencia fundamental es 60 Hz. Cuando una corriente o voltaje opera en una frecuencia diferente a la fundamental de 60 Hz, se dice que opera en un orden armónico específico. El orden armónico es simplemente la relación entre la frecuencia del armónico y la frecuencia fundamental.

Orden del armónico	Frecuencia
Fundamental	60 Hertz
3rd Armónico	180 Hertz
5th Armónico	300 Hertz
11th Armónico	660 Hertz

Los números se nombran comúnmente en ingles: 3rd (en ingles third), 5th (en ingles fifth) etc.

Forma de onda no sinusoidal resultante de la suma de las corrientes armónicas

La combinación de la frecuencia fundamental de 60 Hz y las corrientes armónicas reflectantes produce una forma de onda de corriente compleja o resultante no sinusoidal, ver la siguiente figura:

Las cargas no lineales monofásicas producen armónicos impares. Las corrientes que son múltiplos del 3er armónico se denominan armónicos “triples”, por ejemplo, el 3º, 9º, 15º, y así sucesivamente.

Corriente del neutro en circuitos trifásicos de 4 hilos

Debido a las corrientes armónicas triples, la corriente del neutro en un circuito trifásico de 4 hilos puede acercarse al…doble de las cargas máximas de fase.

Distorsión armónica total (THD)

La “distorsión armónica total” se define como la relación entre los componentes armónicos de voltaje o corriente y los fundamentales; expresado como porcentaje.

THD = Armónico / Fundamental x 100%

La combinación de las corrientes armónicas fundamental (60 Hz) y reflectante en el mismo conductor da como resultado formas de onda complejas, no sinusoidales.

La forma de onda compleja consiste en la amplitud de la corriente fundamental y las amplitudes sinusoidales de las diversas corrientes armónicas en cualquier momento. Es posible que las formas de onda complejas no se parezcan a la forma de onda fundamental ni a ninguna de las formas de onda armónicas individuales.

Efectos armónicos

Debido a que las corrientes armónicas reflectantes operan a una frecuencia más alta que la frecuencia fundamental, tienen efectos significativos dentro del sistema de distribución eléctrica. Éstas incluyen:

• Calentamiento inductivo de transformadores, generadores y otros dispositivos electromagnéticos, como motores, relés y bobinas (debido al aumento de las corrientes parásitas), efecto piel y pérdidas por histéresis.
• Calentamiento de conductores, disyuntores o breakers, fusibles y todos los demás dispositivos que transportan corriente, debido al aumento del calentamiento I²R debido a las corrientes parásitas y al efecto piel.
• Calentamiento inductivo de conductos en canalizaciones de metales ferrosos (hierro o acero), recintos metálicos y otras partes, debido a las corrientes parásitas y las pérdidas por histéresis.
• Funcionamiento impredecible del equipo, debido a la distorsión de voltaje que causa la corriente armónica.
• Sobrecalentamiento o falla del equipo, debido a corrientes armónicas aditivas, caída de voltaje excesiva y distorsión de voltaje.

El contenido de armónicos real de cualquier edificio varía según los tipos y el número de cargas instaladas que producen armónicos.

La mayoría de los sistemas de energía de los edificios pueden soportar cargas no lineales de hasta el 15 por ciento de la capacidad total del sistema eléctrico sin preocuparse, pero cuando las cargas no lineales superan el 15 por ciento, comienzan a aparecer algunas consecuencias negativas.

Para los edificios que tienen una carga no lineal de más del 25 por ciento, se hacen evidentes problemas particulares que requieren corrección.

Ejemplo de calculo de la distorsión de corriente armónica total (THD_i o THD_c), Amperios de pico o cresta, I_RMS y factor de cresta:

En la figura anterior se ilustra la medición de la corriente consumida por una carga no lineal. La corriente rms contiene tanto las fundamentales como las armónicas.

Tenga en cuenta que el valor de la corriente en cada armónico, así como el de la corriente rms, son los mismos en cada punto de medición, al igual que en un sistema que contiene solo corriente fundamental.

El término “distorsión rms” se usa para denotar el valor rms de la corriente armónica con la fundamental dejado fuera de la suma. La corriente rms es básicamente la corriente de carga efectiva total.

Ahora calculemos la distorsión de corriente armónica total (THD_i o THD_c), Amperios de pico o cresta, utilizando el valor de la corriente rms y la pico «peak», mediante el uso de las siguientes ecuaciones:

Calculando el THD_i o THD_c:

I1=70A; I₅=18A; I7=14A; I11=11A.

Distorsión RMS= √(18²+14²+11²)⁼ 25.3 A

THD_i= √(18²+14²+11²)/70=0.36 x 100% = 36%

Calculando la corriente RMS – I_RMS

I1=70A; I₅=18A; I7=14A; I11=11A.

I_RMS= √(70²+18²+14²+11²)⁼ 74.4 A

Calculando amperios pico o cresta – I_peak

I_peak= (I₁+I₂+I₃…+I_n) x 1.414

I_peak=(70+18+14+11) x 1.414 =159.7 A

Calculando factor de cresta

CF = 159.7 A/74.4 A = 2.14

El factor de cresta es una medida de una forma de onda que muestra la relación entre el valor pico y el valor RMS. Un factor de cresta de 1.0 indica que no hay picos, como en el caso del voltaje DC.

Una forma de onda de voltaje con 0% THD tendrá un factor de cresta igual a 1.414. Los factores de cresta superiores a 1,414 generalmente indican la presencia de distorsión armónica.

La THD_i o THD_c son los mismos en cada punto de medición.

El THD_i o THD_c se utiliza para caracterizar la calidad de energía eléctrica y la corriente que fluye en los conductores de su sistema. El factor de distorsión es un término estrechamente relacionado y, a veces, se utiliza como término sustituto.

Que es el punto PCC y el estándar IEEE 519

Un estándar de uso común y muy importante es IEEE 519-1992 y, más recientemente, IEE 519-2014. La norma, entre otras cosas, impone dos requisitos a los armónicos; un nivel de THD_V máximo, y un nivel de TDD máximo.

Este documento…describe los límites de la distorsión armónica de voltaje y corriente medida en el punto de acoplamiento común (PCC), que generalmente se define como el lugar donde el consumidor se conecta al proveedor de energía. Sin entrar en un análisis exhaustivo, aquí hay varios aspectos de IEEE 519 que son particularmente relevantes.

• IEEE 519 no es un estándar individual, es un estándar de sistema. Por lo tanto, cualquier intento de aplicar sus límites a una pieza individual de equipo o una ubicación particular dentro de una instalación es un mal uso.
• La razón para limitar la distorsión de corriente en el PCC es asegurar que un consumidor no extraiga tanta corriente armónica a la red eléctrica o que la distorsión de voltaje de la red eléctrica sea excesiva.
• Limitar esta distorsión de voltaje evita que se propague a otras instalaciones.
• IEEE 519 está diseñado para proteger la integridad del voltaje del sistema de la red pública y no debe aplicarse a las operaciones dentro de una instalación en particular.

Todos los límites se aplican al punto de acoplamiento común (PCC), que es la interfaz entre la empresa de servicios públicos (a veces denominada operador) y el consumidor. El PCC se puede ubicar en cualquier nivel de voltaje. En algunos casos, el PCC se considera un punto interno de un sistema de particular interés; esto no está en línea con la intención original del IEEE 519, que consideraba solo el punto de conexión entre el operador y el usuario (consumidor). Estos conceptos se ilustran en la siguiente figura:

Límites de distorsión de corriente armónica para sistemas clasificados entre 120 v a 69 kv, según norma IEEE 519.

La Norma IEEE 519″ Prácticas y requisitos recomendados para el control de armónicos en sistemas de energía eléctrica», ​​proporciona límites sugeridos para la distorsión de corriente armónica como se muestra en las Tablas a continuación. Las tablas dependen de varias variables y conceptos definidos de la siguiente manera:

1. PCC: Punto de acoplamiento común. Este punto se define como el punto del servicio público a un cliente en particular. A menudo se elige como punto de medición de servicios públicos.
2. I _SC : corriente de cortocircuito disponible.
3. I _L : Corriente máxima de demanda de 15 o 30 minutos (promedio).
4. TDD_i: distorsión total de la demanda. TDD_i es idéntico a THD_i excepto que se usa I_L (como se definió anteriormente) en lugar del componente de corriente fundamental.
5. I _SC / I _L : Relación entre la corriente de cortocircuito y la corriente de demanda.

TABLA 1 (IEEE 519-2014) LÍMITES DE DISTORSIÓN DE CORRIENTE ARMONICA PARA SISTEMAS CLASIFICADOS ENTRE 120 V A 69 KV (En % de I_L)

I SC / I L	Límites armónicos individuales (armónicos impares) a, b					Se requiere TDDi
	3 ≤ h <11	11 ≤ h <17	17 ≤ h <23	23 ≤ h <35	35 ≤ h ≤ 50
<20 c	4.0	2.0	1,5	0,6	0,3	5,0
20 <50	7.0	3,5	2.5	1.0	0,5	8.0
50 <100	10.0	4.5	4.0	1,5	0,7	12,0
100 <1000	12,0	5.5	5,0	2.0	1.0	15.0
> 1000	15.0	7.0	6.0	2.5	1.4	20,0

^a Los armónicos pares están limitados al 25% de los límites de armónicos impares anteriores.
^b Las distorsiones de corriente que dan como resultado una compensación de dc, por ejemplo, convertidores de media onda, no están permitidas.
^c Todos los equipos de generación de energía están limitados a estos valores de distorsión de corriente, independientemente de I _sc / I _L .

Aclarando los términos THD_i y TDD_i

Otra parte mal entendida del estándar IEEE 519 es el término distorsión de demanda total o TDD_i, distorsión de corriente armónica en % de la corriente de carga de demanda máxima (demanda de 15 o 30 min). «TDD_i es muy similar a la distorsión armónica total, o THD_i. El THD_i y TDD_i se calculan en términos de corriente con las siguientes formulas:

I₁, I₂, I₃, etc. son corrientes armónicas, en amperios. I₁ se refiere a la corriente de frecuencia fundamental, más comúnmente 60 Hz en América del Norte. I₂ se refiere al segundo armónico, o la corriente al doble de la frecuencia fundamental (120 Hz, si la fundamental es 60 Hz) etc.

I_L se define como la «corriente de carga de demanda máxima (componente de frecuencia fundamental) en el PCC». Esta sería la corriente máxima promediada durante un intervalo de demanda (por ejemplo, 15 o 30 minutos) para un cliente determinado.

Las dos definiciones son muy parecidas. La única diferencia es el denominador. El cálculo compara los armónicos de medida momentáneos con la corriente fundamental momentánea. El cálculo de TDD_i compara los armónicos medidos momentáneamente (pero en estado estable) con la corriente de demanda máxima, que no es un número momentáneo en absoluto. De manera similar, los límites de corriente armónica individuales no se dan en términos de porcentaje de fundamental (como es típico de la mayoría de las mediciones de armónicos) en un momento dado.

Los límites de corriente se dan en términos de «Distorsión máxima de corriente armónica en porcentaje de I_L«.Por definición, I_L siempre será mayor que I₁ (I₁ puede exceder momentáneamente I_L, pero en un límite de armónicos en valores de estado estacionario).

Por lo tanto, la TDD_i y el porcentaje de las mediciones de I_L siempre serán menores que la THD_i y el porcentaje de las mediciones de I₁.

En una nueva instalación (o adición de carga propuesta), no se conoce la corriente de demanda (o el aumento de la corriente de demanda). Esto genera algunas dificultades a la hora de estimar los armónicos en una nueva instalación.

Sin saber cuál será la corriente de demanda real una vez que una instalación esté operativa, no es posible saber con certeza qué fila de límites de corriente armónica se aplica. En tales casos, es común utilizar la corriente de carga completa del transformador como una estimación de la corriente de demanda máxima.

La diferencia entre THD_i y TDD_i (y entre armónicos como porcentaje de I₁ y I_L) es importante porque evita que un usuario sea penalizado injustamente por armónicos durante períodos de carga ligera. Durante períodos de carga ligera, puede parecer que los niveles de armónicos han aumentado en términos de porcentaje, aunque las corrientes armónicas reales en amperios se han mantenido iguales o han disminuido.

Lo anterior se puede ver mas fácil con el siguiente ejemplo.

Ejemplo de calculo de TDD_i y diferencia con respecto a THD_i

Nuestra planta de ejemplo tiene dos áreas de fabricación distintas, una con carga armónica (No lineal) y otra con carga lineal. La parte de la planta con la carga armónica consume 100 A a 60 Hz (I₁), 14 A a 300 Hz (I₅) y 7A a 420 Hz (I₇).

La parte de la planta con solo carga lineal consume 100 A a 60 Hz (I₁). Ver el siguiente esquema del sistema de energía de ejemplo:

Supongamos que estas corrientes están en el secundario de un transformador con voltaje 12.470-480 V. El PCC (Punto de acople común) está en el primario del transformador y los MVA de cortocircuito trifásico (MVASC) en el primario son de 5 MVA (información proporcionada por la empresa de servicios públicos).

A menudo es más conveniente determinar la relación I_SC / I_L calculando la relación MVA_SC / MVA_L. Las dos relaciones son iguales y determinar la relación MVA suele ser un poco más fácil. En este caso, la carga en MVA es de 0,166 (166 kVA_L), lo que arroja una relación MVA_SC / MVA_L de 30,1.

Lo anterior significa que de la tabla 1 se aplica la segunda fila de límites de corriente armónica (limitando TDD_i al 8% y armónicos individuales hasta el 11th al 7% o menos).

Supongamos también que se pueden agregar simplemente corrientes a la misma frecuencia (sin cancelación debido a diferencias de ángulo de fase / factor de potencia).

Planta a plena carga

Con ambas partes de la planta en funcionamiento, tendríamos un total de 200 A a 60 Hz (I₁), 14 A a 300 Hz (I₅) y 7 A a 420 Hz (I₇). Suponiendo que esta es la carga máxima de la planta (promediada sobre el intervalo de demanda), calcularíamos que la corriente de demanda, I_L, es de 200 A (demanda máxima).

Esto daría como resultado los siguientes cálculos:

I₅ como porcentaje de I₁ sería 14/200, o 7,0%. I₅ como porcentaje de I_L también sería 14/200, o 7,0%. En este caso, los límites de corriente armónica para TDD y armónicos individuales como porcentaje de I_L apenas se cumplen. Los límites también se cumplirían si usáramos THD y armónicos individuales como un porcentaje de I₁. Estos últimos son los que comúnmente informan los instrumentos de medición de armónicos.

Planta a carga parcial

En este caso, solo está funcionando la parte armónica de la planta. Por lo tanto, solo tenemos 100 A a 60 Hz. Sin embargo, la corriente de demanda, I_L, calculada previamente no cambia.

Esto daría como resultado los siguientes cálculos:

I₅ como porcentaje de I₁ sería 14/100 o 14.0%. I₅ como porcentaje de I_L sería 14/200, o 7,0%.

En este caso, los límites de corriente armónica para TDD y armónicos individuales como porcentaje de I_L apenas se cumplen. Sin embargo, los límites no se cumplirían si usáramos THDi y armónicos individuales como porcentaje de I₁.

Los números como porcentaje de I₁, en lugar de I_L, pueden aumentar de manera bastante dramática según las cargas dentro de una planta en un momento dado. Pero la planta no debe ser penalizada en este caso porque no está inyectando más corriente armónica en el sistema de servicios públicos.

Aplicación del calculo del TDD

Todo lo anterior significa que hay una cierta cantidad de pos-procesamiento de datos de medición de armónicos que es necesario para evaluar adecuadamente el cumplimiento de los límites de corriente IEEE 519. Esto significa que, en la mayoría de los casos, cuando comparamos los datos de corriente armónica medidos (THD) y no TDD; armónicos individuales en porcentaje de I_{1 y} no en porcentaje de I_L, con los límites de IEEE 519, no estamos haciendo una comparación de manzanas con manzanas.

Para asegurarnos de que tenemos mediciones de armónicos válidas, debemos asegurarnos de que todas las cargas de armónicos estén funcionando normalmente durante las mediciones, por supuesto. Además de eso, para garantizar que las mediciones de THD (Mediciones de armónicos individuales calculadas como un porcentaje de I₁) coincidan estrechamente con las mediciones de TDD (Mediciones de armónicos individuales calculadas como un porcentaje de I_L) también debemos asegurarnos de que las mediciones se toman en un momento en el que todas las cargas lineales funcionan normalmente.

Al igual que con la discusión del PCC, esta el mundo perfecto y lo que realmente puede hacer en el mundo real. En el mundo real, a menudo no es necesario convertir la THD y el porcentaje de mediciones de I₁ en TDD y el porcentaje de mediciones de I_L. La mayoría de las veces, el THD y el porcentaje de mediciones de I₁ son suficientes. Si la THD y el porcentaje de mediciones de I₁ cumplen con los límites de IEEE 519, entonces la TDD y el porcentaje de mediciones de I_L también cumplirán, por definición de límites (El I_L es mayor que I₁, el TDD y el porcentaje de mediciones de I_L siempre serán menores que o igual a el THD y al porcentaje de las mediciones de I₁).

Si los límites se superan en gran medida al tomar las mediciones a plena carga o cerca de ella, tampoco es necesario convertir a TDD. Si los números están cerca, probablemente quiera pecar de cauteloso y reducir los armónicos de todos modos.

Ejemplo de calculo de la distorsión de voltaje (Tensión) armónica total (THD_v), voltaje de pico o cresta, V_RMS y factor de cresta:

La figura anterior ilustra la medición de voltaje en un sistema que alimenta una carga no lineal. El voltaje contiene tanto los valores fundamentales como los armónicos.

Cuanto más lejos mida de la fuente, mayor será el voltaje armónico generado (THD). El aumento de la impedancia, a través de la cual debe fluir la corriente armónica, da como resultado una mayor generación de voltaje armónico. Este es el efecto opuesto de la impedancia sobre el voltaje fundamental, mientras que el voltaje fundamental causa un flujo de corriente fundamental, el flujo de corriente armónica causa un voltaje armónico.

Ahora calculemos la distorsión de voltaje armónico total (THD_v), voltaje de pico o cresta, utilizando el valor de la voltaje rms y de pico «peak», mediante el uso de las siguientes ecuaciones:

Calculando el THD_v en el Punto (1)

V1st=480V; I_5th=8.4V; I7th=5.1V; I11th=3.3V.

Distorsión RMS= √(8.4²+5.1²+3.3²)⁼ 10.3 V

THD_v= √(8.4²+5.1²+3.3²)/480=0.022 x 100% = 2.2%

Calculando el voltaje RMS – V_RMS

V1st=480V; I_5th=8.4V; I7th=5.1V; I11th=3.3V

V_RMS= √(480²+8.4²+5.1²+3.3²)⁼ 480.1 V

Calculando voltaje pico o cresta – I_peak

I_peak= (V₁+V₂+V₃…+V_n) x 1.414

I_peak=(480+8.4+5.1+3.3) x 1.414 =702.48 V

Calculando factor de cresta

CF = 702.48V/480.1 V = 1.463

Nuevamente, vemos que aunque el voltaje fundamental ha caído de 480V en el Punto 1 a 465V en el Punto 3, el aumento en el voltaje armónico hace que el voltaje rms sea mayor en cada punto de medición que el voltaje fundamental.

La distorsión rms es el valor rms del voltaje armónico con respecto al fundamental dejado fuera de la suma, y ​​aumenta cuanto más lejos se mide de la fuente.

Límites de distorsión de voltaje armónico, según norma IEEE 519.

TABLA 1 (IEEE 519-2014) LÍMITES DE DISTORSIÓN DE VOLTAJE

Voltaje de bus V en PCC	Armónico individual (%)	Distorsión armónica total THD (%)
V ≤ 1,0 kV	5,0	8.0
1 kV < V ≤ 69 kV	3,0	5,0
69 kV < V ≤ 161 kV	1,5	2.5
161 kV < V	1.0	1,5 a

^a sistema de alto voltaje están permitidos hasta 2,0% THD donde la causa es un terminal de HVDC cuyos efectos han sido atenuados en los puntos de la red donde los futuros usuarios pueden estar conectados.

Una distorsión de voltaje del 5% apenas se nota en un gráfico de forma de onda de voltaje, pero puede provocar problemas de calidad de la energía. Esto es especialmente cierto en un entorno donde puede existir resonancia a la frecuencia del voltaje armónico individual que contribuye a la distorsión armónica total del voltaje.

Efectos de la distorsión de armónicos de corriente

Dado que la operación de cargas no lineales causa la corriente distorsionada, el efecto de la distorsión de la corriente en las cargas dentro de una instalación es mínimo. Por lo tanto, las corrientes armónicas no pueden fluir hacia equipos que no sean las cargas no lineales que las causaron. Sin embargo, el efecto de la distorsión de la corriente en los sistemas de distribución puede ser grave, principalmente debido al aumento de la corriente que fluye en el sistema.

Todos los sistemas de distribución tienen limitación de corriente rms. En un sistema que alimenta cargas trifásicas, por ejemplo, un transformador de 1000 kVA y 480 V, este estará certificado para entregar 1200 A rms. Pero cuanta más corriente armónica tiene que suministrar este transformador, menos corriente fundamental puede proporcionar para alimentar cargas. En otras palabras, debido a que la corriente armónica no entrega energía, su presencia simplemente consume la capacidad del sistema y reduce la cantidad de cargas que se pueden alimentar.

Las corrientes armónicas también aumentan las pérdidas de calor I²Z en transformadores y cableado. Dado que la impedancia del transformador depende de la frecuencia, aumentando con el número de armónicos, la impedancia en el quinto armónico es cinco veces mayor que la de la frecuencia fundamental. Por tanto, cada amperio de la 5^ta corriente armónica provoca cinco veces más calentamiento que un amperio de la corriente fundamental.

En un sistema que alimenta cargas conectadas de fase a neutro, los efectos perjudiciales se deben nuevamente a que las corrientes armónicas consumen la capacidad del sistema y reducen el número de cargas útiles que se pueden alimentar. Las corrientes de tercer armónico causan un perjuicio adicional, porque son aditivas en el conductor neutro, normalmente el 3er armónico es por cargas monofásicas.

Cuando se conectan muchas computadoras, que son cargas no lineales, la corriente neutra, principalmente el tercer armónico, puede ser mayor que cualquiera de las corrientes de fase. Estas corrientes del tercer armónico circulan en el primario (delta) del transformador de distribución que sirve a la parte del sistema que alimenta las computadoras y se disipan como calor.

Efectos de la distorsión de armónicos de voltaje

Además del sobrecalentamiento, el otro efecto importante de la distorsión de la corriente en un sistema eléctrico es la creación de distorsión de voltaje.

Esta distorsión tendrá un efecto mínimo en un sistema de distribución, pero a diferencia de la distorsión de corriente, no depende del camino. Por lo tanto, los voltajes armónicos generados en una parte de una instalación aparecerán en los barras comunes dentro de esa instalación.

La distorsión de voltaje en los terminales de una carga no lineal no significa que habrá una alta distorsión en todo el sistema. De hecho, la distorsión de voltaje se reduce cuanto más cerca se encuentra a las barras del transformador de servicio. Sin embargo, si existe una distorsión de voltaje excesiva en el transformador, puede atravesar la unidad y aparecer en instalaciones alejadas del origen, exportación de los problemas al operador de red.

El efecto sobre las cargas dentro de la instalación podría ser perjudicial en ciertos casos. Por ejemplo, la distorsión de voltaje extrema puede causar múltiples cruces por cero para la onda de voltaje. Para equipos donde la secuencia apropiada de operaciones depende de un cruce por cero para la sincronización, la distorsión de voltaje puede causar un mal funcionamiento. La mayoría de los equipos eléctricos modernos utilizan un reloj interno para sincronizar la secuencia, por lo que no se ve afectado por múltiples cruces por cero.

La distorsión de voltaje parece tener poco efecto en el funcionamiento de cargas no lineales conectadas fase a fase o fase a neutro.

Por otro lado, la distorsión de voltaje del quinto armónico puede causar serios problemas para los motores trifásicos. El quinto armónico es un armónico de secuencia negativa y, cuando se suministra a un motor de inducción, produce un par negativo. En otras palabras, intenta impulsar el motor en sentido inverso y ralentiza su rotación. Por lo tanto, el motor consume más corriente de 60 Hz para compensar el par inverso y recuperar su velocidad de funcionamiento normal. El resultado es una sobrecorriente en el motor, que hace que los dispositivos de protección se abran o que el motor se sobrecaliente y falle. Por esta razón, eliminar la corriente del quinto armónico de los sistemas que alimentan cargas trifásicas es a menudo una alta prioridad en las instalaciones industriales.

Pensando en los posibles efectos perjudiciales de una gran cantidad de distorsión de voltaje en una carga no lineal, debe recordar que la carga en sí misma causa esta distorsión. La distorsión de voltaje causada por el funcionamiento normal no es perjudicial para el funcionamiento de la carga.

En otro ejemplo, imagine que existe una carga no lineal como un variador de velocidad ajustable (ASD) o una carga no lineal conectada a un transformador de 1000 kVA y 480 V. La distorsión actual es de 25 A, o 35,7%, para esta unidad. Pero como porcentaje de la capacidad del transformador, la carga es insignificante. Entonces, el efecto de alimentar este variador del transformador, o en la generación de distorsión de voltaje en el PCC, es insignificante.

Los niveles de voltaje y distorsión armónica pueden variar drásticamente, dependiendo de la configuración de su sistema. Su trabajo es encontrarlos, diagnosticar la causa y eliminarlo antes de que tenga la posibilidad de dañar su equipo.