Fuentes de armónicos en redes eléctricas

Dado que los elementos no lineales están invariablemente presentes en la electricidad moderna, especialmente en las redes industriales, como resultado, las curvas de corriente y las curvas de voltaje se distorsionan y aparecen armónicos más altos en las redes.

En primer lugar, la no sinusoidalidad se debe a la presencia de convertidores estáticos, luego: generadores síncronos, máquinas de soldar, lámparas fluorescentes, hornos de arco, transformadores, motores y otras cargas no lineales.

Matemáticamente, la no sinusoidalidad de las curvas de corriente y tensión se puede representar como la suma del armónico principal de la frecuencia de la red y sus armónicos superiores que son múltiplos de ella. El análisis armónico da como resultado una serie trigonométrica de Fourier, y los valores de frecuencias y fases de los armónicos resultantes se pueden calcular fácilmente mediante la fórmula:

De hecho, la combinación resultante de tensiones y corrientes no sinusoidales en una red trifásica puede ser asimétrica o simétrica.Un sistema simétrico de tensiones no sinusoidales para múltiplos de tres armónicos (k = 3n) conduce a la formación de un sistema de tensiones homopolares.

Además, en k = 3n + 1, el armónico en la red trifásica genera un sistema simétrico de tensiones de secuencia negativa. Entonces, cada k-armónico de un sistema simétrico de voltajes no sinusoidales da como resultado un sistema simétrico de voltajes de fase de secuencia directa, inversa o cero.

En la práctica, sin embargo, el sistema de tensiones no sinusoidales de fase resulta ser asimétrico. Entonces, núcleos magnéticos de transformadores trifásicos en sí mismos, son no lineales y asimétricos, ya que las longitudes de los caminos magnéticos para las fases intermedia y final difieren en un factor de 1,9. Como resultado, los valores efectivos de las corrientes magnetizantes de la fase intermedia son 1,3 — 1,55 veces menores que los valores de las corrientes magnetizantes de las fases finales.

Los armónicos asimétricos se descomponen en componentes simétricos cuando cada armónico k forma un sistema asimétrico de voltajes de fase y generalmente contiene componentes de tres secuencias: cero, directa e inversa.

Las redes trifásicas con neutro aislado se caracterizan por la ausencia de componentes homopolares en cada una de las fases, siempre que no existan faltas a tierra. Como resultado, no hay múltiplos de tres armónicos en las corrientes de fase, pero hay otros armónicos que contienen componentes de secuencia inversa y positiva.

Los rectificadores de potencia, por regla general, en el lado de CC tienen grandes inductancias, que son devanados de máquina de CC y reactores de suavizado.Estas inductancias son muchas veces más altas que la inductancia equivalente del lado de la corriente alterna, por lo que dichos rectificadores con respecto a la red de corriente alterna se comportan como fuentes de corriente armónica más alta. La corriente dirigida a la red con una frecuencia armónica tiene un valor que no depende de los parámetros de la red de suministro.

Para las redes eléctricas trifásicas, es característico utilizar rectificadores trifásicos de onda completa para 6 válvulas como tales convertidores, por lo que se denominan de seis pulsos o seis fases. La curva de corriente para cada una de las fases en este caso se puede describir mediante la ecuación (para la corriente de una fase A):

Se puede ver que las corrientes de fase contienen solo armónicos impares que no son múltiplos de tres, y los signos de estos armónicos se alternan: armónicos positivos de orden 6k + 1 y armónicos negativos de orden 6k-1.

Si se usa un rectificador de doce fases, cuando un par de rectificadores de seis fases está conectado a un par de transformadores trifásicos (los voltajes secundarios están desfasados ​​​​por pi / 6), entonces los armónicos de 12k + 1 y 12k- Aparecerán 1-órdenes, respectivamente.

Antes de que se usaran los rectificadores, solo los transformadores y varias máquinas eléctricas eran la principal fuente de armónicos más altos en las redes eléctricas. Pero aún hoy los transformadores son los elementos más comunes de las redes eléctricas.

La razón por la que los transformadores generan armónicos más altos es la curva de magnetización no lineal de los circuitos magnéticos y la presencia constante de bucles de histéresis… Una curva de magnetización no lineal y un bucle de histéresis generan distorsiones de la corriente de magnetización sinusoidal original sin carga y el resultado son armónicos más altos en la corriente que el transformador extrae de la red.

Los transformadores de la clase de 110 kV no tienen más del 1% de corriente sin carga, y los transformadores de la clase de 6-10 kV, no más del 2-3%. Estas son corrientes pequeñas y sus pérdidas activas en el circuito magnético son despreciables. Lo que importa es la curva de magnetización, no el bucle de histéresis.

La curva de magnetización es simétrica y ni siquiera hay armónicos en la expansión de la serie de Fourier. La distorsión de la corriente magnetizante está provocada por armónicos impares, entre los que se encuentran los múltiplos de tres. El tercer armónico es particularmente pronunciado, pero los armónicos quinto y séptimo también son los más significativos.

Los armónicos EMF y los armónicos de corriente también son característicos de los motores, tanto síncrono como asíncrono… Estos armónicos son causados ​​por los mismos fenómenos que los armónicos de corriente generados por los transformadores: la no linealidad de la curva de magnetización de los materiales de los que están hechos el estator y el rotor.

El espectro de frecuencias de los armónicos de corriente de los motores eléctricos, como el de los transformadores, incluye armónicos impares, entre los que obviamente se encuentran los múltiplos de tres. Los más significativos aquí son los armónicos 3, 5 y 7.

Como en el caso de los transformadores, cálculos aproximados nos permiten tomar el porcentaje de corrientes de los armónicos 3, 5 y 7 en 40% para el tercer armónico, 30% para el quinto armónico y 20% para el séptimo armónico (porcentaje de de la corriente ociosa).