Sobre las armónicas y su control

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1. ¿Qué son las armónicas? La causa fundamental de la generación de armónicos en los sistemas eléctricos es la presencia de cargas no lineales. Cuando la corriente fluye a través de la carga, no existe una relación lineal con la tensión aplicada; esto genera una corriente no sinusoidal, y por lo tanto, se producen armónicos. La frecuencia armónica es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental. Según los principios analíticos del matemático francés Fourier, cualquier forma de onda periódica puede descomponerse en componentes de ondas senoidales que contienen la frecuencia fundamental y una serie de frecuencias armónicas que son múltiplos de dicha frecuencia fundamental. Las armónicas son ondas sinusoidales; cada una de ellas tiene una frecuencia, amplitud y ángulo de fase diferentes. Las armónicas se pueden clasificar en armónicas pares e impares. Las armónicas numeradas 3, 5 y 7 son armónicas impares, mientras que las armónicas 2, 4, 6 y 8 son armónicas pares. Por ejemplo, si la frecuencia fundamental es de 50 Hz, la armónica de orden 2 será de 100 Hz, y la armónica de orden 3 será de 150 Hz. En general, los daños causados por las armónicas impares son mayores y más significativos que los causados por las armónicas pares. En un sistema trifásico equilibrado, debido a la simetría, las armónicas de orden par se han eliminado; solo existen las armónicas de orden impar. En el caso de cargas de rectificación trifásica, las corrientes armónicas que se generan son las armónicas de orden 6n±1; por ejemplo, 5, 7, 11, 13, 17, 19, etc. El convertidor de frecuencia genera principalmente las armónicas de orden 5 y 7. “La palabra “armónicos” tiene su origen en la acústica. El análisis matemático de las armónicas ya sentó unas bases sólidas en los siglos XVIII y XIX. El método de análisis armónico propuesto por Fourier y otros sigue siendo ampliamente utilizado hasta el día de hoy. El problema de las armónicas en los sistemas eléctricos ya llamó la atención de las personas en las décadas de 1920 y 1930. En aquel entonces, en Alemania, la utilización de convertidores de arco de mercurio estacionario causaba distorsiones en las formas de onda de voltaje y corriente. El artículo publicado en 1945 por J.C. Read sobre las armónicas de los convertidores es un trabajo clásico de los primeros estudios sobre este tema. En las décadas de 1950 y 1960, gracias al desarrollo de la tecnología de transmisión de corriente continua a alta tensión, se publicaron numerosos artículos sobre los problemas de armónicos en los sistemas eléctricos causados por los convertidores. Desde la década de 1970, gracias al rápido desarrollo de la tecnología de electrónica de potencia, los diversos dispositivos relacionados con esta tecnología se han ido utilizando cada vez más en los sistemas eléctricos, la industria, el transporte y los hogares. Por ello, los daños causados por las armónicas también se han vuelto cada vez más graves. Todos los países del mundo prestan una atención plena al problema de las armónicas. Se han celebrado numerosas conferencias académicas a nivel internacional sobre el problema de las armónicas. Diversas organizaciones académicas internacionales han establecido estándares y regulaciones para limitar las armónicas en los sistemas eléctricos y en los dispositivos eléctricos. La importancia de la investigación en armónicos radica en su naturaleza moral, ya que los daños causados por los armónicos son muy graves. Las armónicas disminuyen la eficiencia en la producción, transmisión y uso de la energía eléctrica. Además, causan sobrecalentamiento en los equipos eléctricos, generan vibraciones y ruidos, aceleran el envejecimiento del aislamiento, reducen su vida útil e incluso pueden provocar fallos o daños irreversibles. Las armónicas pueden provocar resonancia en paralelo o en serie dentro del sistema eléctrico, lo que a su vez aumenta el contenido de armónicas y puede causar la destrucción de equipos como los condensadores. Las armónicas también pueden causar un funcionamiento incorrecto de los dispositivos de protección y control automático, lo que genera confusión en la medición de la energía eléctrica. Fuera del sistema eléctrico, las armónicas causan graves interferencias en los equipos de comunicación y en los dispositivos electrónicos. 2. La supresión de armónicos, como solución al problema de la contaminación por armónicos causada por los dispositivos electrónicos de potencia y otras fuentes de armónicos, se basa en dos enfoques principales: uno de ellos es instalar dispositivos de compensación de armónicos para neutralizarlos; este método es aplicable a todo tipo de fuentes de armónicos ； Otra opción es modificar los propios dispositivos de electrónica de potencia, de modo que no generen armónicos y que el factor de potencia pueda controlarse en 1. Por supuesto, esto solo es aplicable a aquellos dispositivos de electrónica de potencia que son la principal fuente de armónicos. El método tradicional para instalar dispositivos de compensación de armónicos es utilizar filtros de sintonización LC. Este método permite compensar tanto las armónicas como la potencia reactiva; además, su estructura es sencilla, por lo que se ha utilizado ampliamente. La principal desventaja de este método es que las características de compensación se ven afectadas por la impedancia de la red eléctrica y por las condiciones de operación. Esto puede provocar resonancia en paralelo con el sistema, lo que a su vez lleva a una amplificación de las armónicas. Como resultado, el filtro LC puede sobrecargarse e incluso quemarse. Además, solo puede compensar las armónicas de frecuencia fija, y su efecto de compensación no es muy bueno. 3. Compensación reactiva. Es muy fácil comprender qué es la potencia activa, pero no resulta tan sencillo entender en profundidad qué es la potencia reactiva. En los circuitos sinusoidales, el concepto de potencia reactiva está bien definido. Sin embargo, en los casos en que hay armónicos, aún no existe una definición aceptada de potencia reactiva. Sin embargo, la importancia del concepto de potencia reactiva, así como la importancia de la compensación de potencia reactiva, es algo que se reconoce por igual. La compensación reactiva debe incluir la compensación de la potencia reactiva de la onda fundamental, así como la compensación de la potencia reactiva causada por las armónicas. La potencia reactiva es de suma importancia tanto para el funcionamiento del sistema de suministro eléctrico como para las cargas conectadas a él. La impedancia de los elementos de la red del sistema eléctrico es, en su mayor parte, inductiva. Por lo tanto, en términos generales, para transmitir potencia activa, es necesario que exista una diferencia de fase entre las tensiones en el extremo emisor y en el extremo receptor; esto se puede lograr dentro de un rango bastante amplio ； Y para transportar potencia reactiva, es necesario que haya una diferencia de amplitud en las tensiones en los dos extremos; esto solo puede lograrse dentro de un rango muy estrecho. No solo la mayoría de los componentes de red consumen potencia reactiva, sino que también la mayoría de las cargas necesitan consumir potencia reactiva. La potencia reactiva necesaria para los componentes de la red y las cargas debe obtenerse de algún lugar dentro de la red. Obviamente, no es razonable, ni tampoco posible, que toda esta potencia reactiva sea suministrada por los generadores y transportada a grandes distancias. El método adecuado es generar potencia reactiva en aquellos lugares donde sea necesaria su consumo; eso es lo que se conoce como compensación de potencia reactiva. Las funciones principales de la compensación reactiva son las siguientes: (1) Mejorar el factor de potencia del sistema de suministro y consumo de energía, así como de las cargas conectadas; esto permite reducir la capacidad de los equipos y disminuir las pérdidas de energía. (2) Estabilizar la tensión en el extremo receptor de energía y en la red eléctrica, mejorando así la calidad del suministro de energía. Instalar dispositivos de compensación dinámica de reactivos en los lugares adecuados a lo largo de las líneas de transmisión a larga distancia también puede mejorar la estabilidad del sistema de transmisión y aumentar su capacidad de transmisión. (3) En casos como los ferrocarriles electrificados, donde existe un desequilibrio en las cargas trifásicas, se puede equilibrar la carga activa y reactiva de las tres fases mediante el uso adecuado de potencia reactiva.