Electrnica de potencia IIIUnidad 31) Describe el concepto de distorsin armnica e indicadores que la cuantifican.

2) Analiza la distorsin armnica en tensiones y corrientes presentes en Equipos Electrnicos de Potencia.

3) Analiza las tcnicas elctricas para atenuar la distorsin armnica generada por Equipos Electrnicos de Potencia.

4) Analiza el funcionamiento de un Rectificador Trifsico Puente no controlado con filtro eliminador de armnicas mediante simulaciones en software de electrnica.Contaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasAprendizajes esperados

Electrnica de potencia III 1) Describe el concepto de distorsin armnica e indicadores que la cuantifican.

Contaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasObjetivos: Describe el concepto de distorsin armnica desde el punto de vista matemtico y elctrico.

Describe los distintos indicadores matemticos utilizados para cuantificar la distorsin armnica de una seal elctrica.

Describe el procedimiento matemtico a seguir para determinar la distorsin armnica de una seal elctrica.

Reconoce los problemas que generan los armnicos en redes elctricas.

Identifica la norma chilena sobre limites de armnicas presentes en redes elctricas.Aprendizaje esperado:Sesin

Electrnica de potencia IIISeales peridicasLas seales peridicas son aquellas que muestran periodicidad respecto del tiempo, esto es, describen ciclos repetitivos. Matemticamente una onda peridica se puede representar como:T: periodo de la sealToda onda peridica es, por definicin, una onda determinista. Una onda determinstica es una seal en la cual cada valor est fijo y puede ser determinado por una expresin matemtica. Los valores futuros de esta seal pueden ser calculados usando sus valores anteriores teniendo una confianza absoluta en los resultadosTSeal peridica Contaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlas

Electrnica de potencia IIIOnda cuadradaDiente de sierraOnda senoidalOnda triangularContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasSeales peridicas tpicas en electrnicaMedia onda senoidal rectificada Onda completa senoidal rectificada

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasSeries de FourierUna serie de Fourier es una serie infinita que converge puntualmente a una funcin continua y peridica. Las series de Fourier constituyen la herramienta matemtica bsica para el anlisis de funciones peridicas a travs de la descomposicin de dicha funcin en una suma infinitesimal de funciones senoidales mucho ms simples (como combinacin de senos y cosenos con frecuencias enteras:Donde y son los coeficientes de Fourier: En electricidad corresponde al valor medio de la onda (componente dc)

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasArmnicosUna tensin armnica, es una tensin senoidal cuya frecuencia es mltiplo entero de la frecuencia fundamental. Si nos fijamos en la serie de Fourier de una onda peridica corresponderan a los senos y cosenos asociados a coeficientes con n>1. Valor medio Componente fundamental para n = 1Armnicos para n > 1

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasAl desarrollar la serie de Fourier para la seal V(t) se obtiene:Ejemplo:

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasSea Vcc = 10 VFundamentalResultante3 armnico5 armnico7 armnicoConsiderando hasta el armnico 7Fundamental3 armnico5 armnico7 armnico

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasConsiderando hasta el armnico 11FundamentalResultante357911Mientras ms trminos de la serie de fourier mejor es la aproximacin de la serie a la onda original.Comprobar con simulink

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasEspectro armnicoPermite descomponer una seal en sus armnicos y representarla grficamente1004.24 V12.7 V12742.425.41.81 V2.54 V1.41 V%35791

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Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasPorque son interesante las series de Fourier en electrnica de potencia?En electrnica de potencia las corrientes de salida o entrada son distorsionadas, debido a las cargas no lineales conectadas. El anlisis por medio de las series de Fourier permite una herramienta para el estudio de estas corrientes distorsionadas (deformadas). Tensin senoidal de entradaCorriente distorsionada (no senoidal) en la salidaConversor de potencia = carga no linealCorriente distorsionada (no senoidal) en la entrada

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlas Que son las cargas lineales ? IVIVCarga resistivaCarga inductivaCargas lineales no modifican la forma de onda de corriente en relacin a la tensin de entradaCargas linealesCarga lineal: Una carga se dice lineal cuando la corriente que ella absorbe tiene la misma forma que la tensin que la alimenta. Esta corriente no tiene componentes armnicos. Ejemplo: resistencias, cargas inductivas en rgimen permanente (motores, transformadores)

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlas Que son las cargas no lineales ? La corriente en la carga presenta distorsin armnica (no es senoidal pura) producida por una carga no lineal.Rectificador trifsico controladoid

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasConversin con bajo contenido armnicoConversin CA/CC con alto contenido armnico en la corriente de entradarea de la electrnica de potencia

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasEfectos producidos por la contaminacin armnica Corrientes armnicas de altas frecuencias provocan sobrecalentamiento de conductores, (debido al efecto pelicular skin effect) Efecto pelicularDisminuye rea efectiva del conductorAumenta la resistencia del conductorAumenta prdidas JouleSobrecalentamiento

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasEfecto pelicular: En las corrientes alternas circulando en un conductor los electrones tienden a circular por la zona mas externa del conductor, en forma de corona, en vez de hacerlo por toda su seccin, aumentando as la densidad de corriente en esa zona, este fenmeno se incrementa a medida que aumenta la frecuencia.En corriente continua los electrones se distribuyen uniformemente por todo la seccin del conductor por lo que la densidad de corriente es similar en todo el conductor. En corriente alterna los electrones circulan por la periferia del conductor por lo que la densidad de corriente en la zona externa aumenta. Conductor de seccin circularPortadores de cargaf1f2f2 > f1Mayor densidad en la periferia Sobrecalentamiento del conductor en esa zona

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasEn un sistema trifsico equilibrado con cargas lineales la corriente por el neutro debera ser cero. Si se conectan cargas no lineales a las fases aparecern armnicos de corrientes predominantemente de orden 3 (tercer armnico). As la corriente por el neutro ser la suma de las corrientes armnicas con frecuencia de 150 Hz (tercer armnico) de cada fase, pudiendo causar que el valor eficaz de la corriente del neutro sea de un valor elevado, excediendo las especificaciones del conductor neutronRST Aparicin de corrientes excesivas por el neutro de un sistema trifsico.Sistema equilibrado con cargas linealesnRSTSistema equilibrado con cargas no linealesNo hay armnicasPresencia de armnicas

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlas=3I3RMS

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasLa resultante puede alcanzar un valor superior al de la intensidad de las corrientes de las fases.

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasEfecto en motores de induccin: las prdidas en motores de induccin son bsicamente las prdidas Joule (IR) en el estator y rotor (llamadas tambin prdidas con carga) si el voltaje que se alimenta a un motor de induccin contiene componentes armnicas, entonces se incrementarn sus prdidas puesto que aumenta la resistencia de los devanados del rotor y estator (efecto pelicular).

Aumento de las prdidas en mquinas de corriente alterna (transformadores y motores).Efecto en transformadores: la mayora de los transformadores estn diseados para operar con corriente alterna a una frecuencia fundamental (50 60 Hz), lo que implica que operando en condiciones de carga nominal y con una temperatura no mayor a la temperatura ambiente especificada, el transformador debe ser capaz de disipar el calor producido por sus prdidas sin sobrecalentarse ni deteriorar su vida til. Las prdidas en los transformadores al igual que los motores consisten bsicamente en prdidas Joule que se incrementarn por la aparicin de corrientes armnicas.Corrientes armnicas Mayores prdidasMenor eficiencia

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlas Modificacin del torque y aparicin de vibraciones en motores de induccin.Fundamental2do.3ro.4to.El torque es proporcional a la corrienteMI(t)Alteracin del torque: Las armnicas de secuencia positiva producen en el motor de induccin un torque en el mismo sentido de la direccin de rotacin, en tanto que las de secuencia negativa tienen el efecto opuesto. Dependiendo del contenido armnico del voltaje aplicado, el par promedio de operacin puede verse disminuido considerablemente.

Aparicin de vibraciones: La interaccin de las corrientes armnicas del rotor con el flujo en el entrehierro de otra armnica resultan torques pulsantes en los motores. Estos torques pulsantes tambin pueden excitar una frecuencia de resonancia mecnica lo que resultara en vibraciones que pueden causar fatiga de las partes mecnicas conectadas. Corrientes en sentido inverso a la rotacin tienden a reducir el torque.

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasCualquier seal senoidal de corriente fluyendo por un cable conductor provoca la creacin de un campo electromagntico alrededor del cable. En una instalacin elctrica domstica existen muchos cables, los cules ante la presencia de armnicos de alta frecuencia y magnitud crearn campos electromagnticos que sern irradiados al exterior de la instalacin interfiriendo las comunicaciones de frecuencias cercanas a la de los armnicos. Ruido en sistemas de comunicaciones.IBInterferencia electromagntica en comunicacionesCampos magnticos irradiados

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasResumen efectos de los armnicosGrandes corrientes por el conductor neutro ( sobrecalentamiento de los cables)Sobrecalentamiento de cables por efecto piel (seales de alta frecuencia)Disparos indeseados de interruptoresBateras de condensadores ( resonancia. Amplificacin armnica)Acoplamiento lnea telefnicaSobrecalentamiento transformador ( desclasificacin ,aumento de K)

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlas Quienes son los principales causantes de la distorsin armnica? Televisiones Equipos de sonido Computadoras Hornos de microondas Lmparas fluorescentes Cargadores de bateras para telfonos celulares y para computadoras porttiles Variadores de velocidad (variadores de frecuencia) de motores de induccin. Hornos elctricos. Puentes rectificadores controlados y no controlados. Convertidores CD CD (Chopper) Equipos de soldadura.Cargas no lineales de uso domstico. Cargas no lineales de alta potencia y uso industrial.

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasDistorsin armnica total (DAT) El DAT es un parmetro que se utiliza para cuantificar la propiedad no senoidal de una forma de onda. El DAT es la relacin entre el valor eficaz de todos los trminos correspondientes a las frecuencias distintas de la fundamental y el valor eficaz del trmino correspondiente a la fundamental. DAT de corrienteDAT de tensin

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasFactor de distorsin (FD) El FD es un parmetro que representa la reduccin del factor de potencia debida a la propiedad no senoidal de la corriente.Donde: Corriente RMS Expresin similar para la tensin rmsLos armnicos siempre incrementan el rms valorArmnicos no necesariamente incrementan la potencia mediaSe incrementan las prdidas

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasFactor de potencia Recordar que:Factor de potenciaSiempre que se generan armnicos se reduce el factor de potencia (el desfase entre la corriente y la tensin) de la carga.El factor de potencia corresponde al ngulo de desfase entre la tensin de entrada de un circuito y la corriente en la carga.

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasFactor de forma y factor de pico Otros trminos que se utilizan para cuantificar la propiedad no sinusoidal de una onda son el factor de forma y factor de pico.Factor de formaFactor de pico

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasEjemplo: Una fuente de tensin sinusoidal: V(t)=110*cos(377t) se aplica a una carga no lineal, dando lugar a una corriente no sinusoidal que se expresa en forma de serie de fourier del siguiente modo:Determine:La potencia absorbida por la carga.El factor de potencia de la carga.El factor de distorsin de la corriente de carga.El DAT de corriente.

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasNorma vigente en chile sobre armnicosPara 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 utilizada en Chile es la IEEE 519 1992, por la que se rigen la mayora de los nuevos proyectos en Chile. Mximas distorsin armnica para corrientes armnicas individuales Distorsin armnica lmite de tensin

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasLa norma chilena define que las mediciones y el registro para determinar la calidad de suministro elctrico debern ser polifsicas segn sea el nmero de fases existentes y simultneas en cuanto a voltaje y corriente. Adems, debern utilizarse equipos adecuados para el rango de precisin esperado en las variables a obtener.

Segn se indica en condiciones normales de operacin, el registro deber efectuarse durante una semana completa o siete das consecutivos de cualquier perodo del ao y deber cumplir al menos con el 95% de los valores estadsticos de las corrientes o voltajes armnicos individuales ms el ndice de Distorsin Total (I.D.T.), llamado en ingls Total Harmonic Distortion (T.H.D.). El valor estadstico de las corrientes armnicas y de su I.D.T. ser obtenido despus de evaluar los resultados del conjunto de mediciones con intervalos de 10 minutos durante todo el perodo.

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasMedida

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasTcnicas para la atenuacin de armnicosFiltros pasivosLos componentes principales del filtro pasivo son las inductancias y condensadores, conectados en una configuracin de circuito resonante (en serie o en paralelo a la carga), sintonizados en el orden de las frecuencias armnicas a ser eliminadas. En algunos casos un filtro pasivo puede ser solamente un reactor de lnea (una bobina en serie con la carga). Reactor de lnea (inductor en serie a la carga). Filtro serie (conjunto L-C en paralelo). Filtro paralelo o Shunt (conjunto L-C en serie). Filtros paso alto.

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasReactor de lneaUn reactor en lnea consiste en una o ms bobinas inductoras conectadas en serie a la carga. Los reactores de lnea son un medio sencillo y econmico de aumentar la impedancia de fuente para una carga individual Aumentando la impedancia de fuente, se puede reducir la magnitud de la distorsin armnica para la carga a la que se aade el reactor. Sin embargo, los valores ms bajos de Distorsin armnica total (corriente) obtenidos normalmente utilizando reactores de lnea son de entre el 25% y el 45% THD-i dependiendo de la impedancia total del circuito de entrada.Caracterstica de frecuenciaReactancia del reactorLos reactores de lnea siempre se recomiendan para sistemas de accionamiento, puesto que reducen las armnicas justo en la entrada del accionamiento y, as, ayudan a reducir el costo de cualquier filtraje de armnicos corriente arriba que deba existir. Alimentacin senoidalCarga no lineal

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasFiltro serieCarga no linealUn filtro serie se conoce como un rejector (repelente) de corriente. Para valores cercanos de la frecuencia especificada (frecuencia del armnico a atenuar) el filtro presenta una alta impedancia serie, lo que provoca la atenuacin de la corriente armnica. 579Alta impedancia en la frecuencia del armnico a eliminarDisminucin de la amplitud del armnico La reactancia equivalente se hace mxima en la resonancia paralela !! Alimentacin senoidal

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasLos Filtros Shunt o paralelo proveen un paso alternativo de muy baja impedancia para las frecuencias armnicas (captura la corriente en las frecuencias de las armnicas), consisten en una rama resonante serie, compuesta por elementos RLC en conexin paralela con el sistema de alimentacin, entre otros. El filtro paralelo presenta mayores ventajas que el filtro serie porque: Es ms econmico, slo transporta las corrientes armnicas para las que fue sintonizado, proporciona una parte de la potencia reactiva al sistema.Baja impedancia en la frecuencia del armnico a eliminarCamino alternativo para las corrientes armnicasFiltro paralelo La reactancia equivalente se anula en la resonancia serie !!

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasEste filtro se sintoniza a la frecuencia armnica que se desea eliminar; o sea que, para esta frecuencia, las reactancias inductiva y capacitiva son iguales y por lo tanto se anulan, entonces la impedancia que presentar el filtro para esta frecuencia es mnima (valor igual a la resistencia), y absorber gran parte de la corriente armnica contaminante.Impedancia del filtroCaracterstica de frecuencia

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasSon utilizados para eliminar un amplio rango de frecuencias, y se emplean cuando las armnicas no tienen frecuencia fija. Este filtro, se sintoniza a alguna frecuencia especfica; pero debido a que posee una caracterstica amortiguada producto de la resistencia en paralelo con la inductancia, presenta una baja impedancia para la frecuencia de sintona y superiores a sta. O sea que, absorbe corrientes armnicas (si existen) de frecuencias desde la de sintona en adelante. Para frecuencias menores a la sintona, el filtro presenta impedancias altas. Filtro paso altoAlimentacin senoidalCarga no linealImpedancia del filtroCaracterstica de frecuencia

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasVentajas

Atena un amplio espectro de frecuencias armnicas de acuerdo a la eleccin del valor de la resistencia, sin la necesidad de subdivisin en ramas paralelas.

Es muy robusto frente a problemas de prdida de sintona comparado con el filtro sintonizado simple.Desventajas

Origina una frecuencia de resonancia paralela al interactuar con la red.

Las prdidas en la resistencia y en el inductor son generalmente altas.

Para alcanzar un nivel similar de filtrado (de una armnica especfica), que el sintonizado simple, el filtro pasa altos necesita ser diseado para una mayor potencia reactiva.

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasFiltros activosEl compensador activo es un equipo de electrnica de potencia, con control digital. Se utilizan sensores de corriente para la medicin de la corriente de carga de la lnea. El circuito de control digital calcula el contenido de la corriente armnica de estas corrientes de carga y genera las seales del orden adecuado en la unidad de potencia. La unidad de potencia genera la corriente en oposicin a las corrientes armnicas de la carga. La compensacin armnica cubre el rango desde el orden 2 al orden 25, o desde el orden 2 al orden 50 segn el compensador usado, con posibilidades de compensar parcial o totalmente.El filtro genera corrientes que se oponen a las corrientes armnicas creadas por las cargas no lineales

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasEl equipo se adapta automticamente a cualquier tipo de carga, monofsica o trifsica y puede ser conectado a cualquier red trifsica con o sin neutro.Una de las ventajas de esta tecnologa es que es menos crtica en su interaccin con las caractersticas de la instalacin, y se adaptan mucho mejor a las fluctuaciones de los parmetros.

Las aplicaciones tpicas de los compensadores activos estn en instalaciones de potencia baja y potencia media (desde pocas decenas de kVA a pocos cientos de kVA), incluyendo equipos de computacin, UPS, variadores de velocidad e iluminacin fluorescente, entre otras.

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasRECTIFICADORES TRIFSICOS EN PUENTE CARGA RESISTIVAEn el esquema elctrico se muestra un rectificador trifsico en puente compuesto por 6 diodos, se puede observar que en la terna de diodos superior del puente puede conducir slo un diodo a la vez, el que tenga su nodo conectado a la fase mas positivo. Lo mismo ocurre para la terna inferior, slo conducir un diodo pero el que tenga su ctodo conectado a la fase mas negativa en ese instante. De esta manera en cada instante la corriente pasa por un circuito cerrado constituido por la alimentacin y dos diodos (uno del terno superior, y otro del inferior) y la carga. La tensin de salida en la carga ser una de las tensiones de lnea a lnea del generador. La tensin de lnea a lnea de mayor valor determinar los diodos que estarn en conduccin. Existen 6 combinaciones posibles de tensiones lnea a lnea (tres fases combinadas de dos). Si consideramos que un periodo del generador son 360, la transicin de la tensin de lnea a lnea de mayor valor deber producirse cada 360 / 6 = 60. El circuito se denomina de seis pulsos debido a las seis transiciones que se producen.TRSD1D2D3D5D4D6RLConexin estrellaVRSVSTVRS, VRT, VST, VSR, VTR, VTS : Voltajes de lneas 6 combinaciones posibles !

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasFUNCIONAMIENTOEn la figura se muestran las tensiones de fase y las combinaciones de las tensiones de lnea a lnea resultante de un generador trifsico. Los diodos conducen por pares (6,1), (1,2), (2,3), (3,4), (4,5), (5,6) Los diodos se activan siguiendo la secuencia 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1,...SRTSe generan 6 pulsos en la salida por cada ciclo de entrada.0D6 D1Tensin en la carga60 120180240300360D1 D2D2 D3D3 D4D4 D5D5 D6VRSVRTVSTVSRVTRVTSLa tensin media en la carga es:V lnea60 = /3120 = 2/3Lmites de integracin

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasLa serie de Fourier para la tensin de salida del rectificador trifsico es:Armnico 12Armnico 6Armnico 18La tensin est compuesta por el valor medio ms los trminos armnicos de orden 6k, k=1,2,3,Valor medio

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasLa serie de Fourier para la corriente de salida del rectificador trifsico es:La corriente est compuesta por trminos a la frecuencia fundamental del sistema de alterna y en los armnicos de orden 6k 1, k=1,2,3,Armnico 5Armnico 7Armnico 11Armnico 13Fundamental

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasCarga no linealSISTEMA RECTIFICADOR SIN FILTRO DE ARMNICOScul ser el THD de tensin y corriente ?

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasReactor de lneaCarga no linealSISTEMA RECTIFICADOR CON FILTRO DE ARMNICOS TIPO REACTOR L=10mHLLL

Electrnica de potencia IIIContaminacin armnica y estrategias elctricas para atenuarlasL=200mHL=50mH