Razones para la aparición de armónicos más altos en los sistemas eléctricos modernos
El equipo eléctrico del mundo moderno se está volviendo cada vez más complejo, especialmente para las tecnologías de la información. Debido a esta tendencia, los sistemas de aseguramiento de la calidad de la energía deben cumplir con estos requisitos: simplemente deben manejar fácilmente las fluctuaciones, sobretensiones, caídas de voltaje, ruido, ruido impulsivo, etc., para que la red industrial y sus usuarios relacionados puedan funcionar normalmente.
La remodelación de la tensión de red debido a los armónicos provocados por las cargas no lineales es uno de los principales problemas a resolver. En este artículo, veremos los aspectos en profundidad de este problema.
¿Cuál es la esencia del problema?
La parte principal de los equipos de oficina, computadoras, oficinas y equipos multimedia actuales son generalmente cargas no lineales que, conectadas en la red eléctrica común en grandes cantidades, distorsionan la forma del voltaje de la red.
Esta tensión distorsionada es dolorosamente percibida por otros dispositivos eléctricos y, a veces, perturba significativamente su funcionamiento normal: provoca mal funcionamiento, sobrecalentamiento, interrumpe la sincronización, genera interferencias en las redes de transmisión de datos, en general, la tensión alterna no sinusoidal puede causar una gran variedad de equipos. , procesos y molestias a las personas, incluido el material.
La distorsión de tensión como tal se describe mediante un par de coeficientes: el factor sinusoidal, que refleja la relación entre el valor rms de los armónicos superiores y el valor rms del armónico fundamental de la tensión de red, y el factor de cresta de carga, igual a una relación entre el consumo de corriente pico y la corriente de carga efectiva.
¿Por qué son peligrosos los armónicos más altos?
Los efectos causados por la manifestación de armónicos superiores se pueden dividir según la duración de la exposición en inmediatos y a largo plazo. Es común mencionar instantáneos: distorsión de la forma del voltaje de suministro, caída de voltaje en la red de distribución, efectos armónicos que incluyen resonancia de frecuencia armónica, interferencia dañina en las redes de transmisión de datos, ruido en el rango acústico, vibración de maquinaria. Los problemas a largo plazo incluyen: pérdidas excesivas de calor en generadores y transformadores, sobrecalentamiento de capacitores y redes de distribución (cables).
Armónicos y forma de voltaje de línea
Las corrientes pico significativas en la mitad de la onda sinusoidal de la red conducen a un aumento en el factor de cresta.Cuanto más alto y más corto sea el pico de corriente, más fuerte será la distorsión, mientras que el factor de peine depende de las capacidades de la fuente de alimentación, de su resistencia interna, de si es capaz de entregar ese pico de corriente. Algunas fuentes deben sobrevalorarse en relación con su potencia nominal, por ejemplo, deben utilizarse bobinados especiales en los generadores.
Pero los sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) afrontan mucho mejor este problema: debido a la doble conversión, son capaces de controlar la corriente de carga en cualquier momento y regularla mediante PWM, lo que evita problemas por el alto coeficiente de peine de la corriente. . En otras palabras, el alto factor de cresta no es un problema para un UPS de calidad.
Mayores armónicos y caída de tensión
Como se indicó anteriormente, los UPS manejan bien los factores de cresta altos y su distorsión de forma de onda no supera el 6%. Los cables de conexión aquí, por regla general, no importan, son bastante cortos. Pero debido a la abundancia de armónicos en el voltaje de línea, la forma de onda actual se desviará de la sinusoidal, especialmente para los armónicos extraños de alta frecuencia introducidos por rectificadores monofásicos y trifásicos (ver figura).
La impedancia compleja de la red de distribución suele ser naturaleza inductiva, por lo tanto, los armónicos de corriente en grandes cantidades provocarán caídas de voltaje significativas en líneas de 100 metros de largo, y estas caídas pueden exceder las permitidas, como resultado de lo cual se distorsionará la forma del voltaje en la carga.
Como ejemplo, observe cómo cambia la corriente de salida de un rectificador de diodo monofásico a diferentes impedancias de la red, dependiendo de la resistencia del filtro de entrada de un dispositivo alimentado con una entrada sin transformador, y cómo esto afecta la forma de onda del voltaje.
El problema de los armónicos múltiplos de la tercera
Tercero, noveno, decimoquinto, etc. — los armónicos más altos de la corriente de red se caracterizan por coeficientes de amplitud elevados. Estos armónicos surgen de cargas monofásicas y su efecto en sistemas trifásicos es bastante específico. Si el sistema trifásico es simétrico, las corrientes están desplazadas entre sí 120 grados y la corriente total en el cable neutro es cero, no hay caída de voltaje en el cable.
Esto es cierto en teoría para la mayoría de los armónicos, pero algunos armónicos se caracterizan por la rotación del vector de corriente en la misma dirección que el vector de corriente del armónico fundamental. Como resultado, en el neutro se superponen los armónicos impares que son múltiplos del tercero. Y como estos armónicos son mayoritarios, la corriente de neutro total puede superar a las corrientes de fase: digamos, corrientes de fase de 20 amperios darán una corriente de neutro con una frecuencia de 150 Hz a 30 amperios.
Un cable diseñado sin tener en cuenta la influencia de los armónicos puede sobrecalentarse porque, según la mente, debería haberse aumentado su sección. Los múltiplos armónicos del tercero se compensan en un circuito trifásico en 360 grados entre sí.
Resonancia, interferencia, ruido, vibración, calentamiento
Las redes de distribución tienen peligro de resonancia a mayores armónicos de corriente o tensión, en estos casos la componente armónica resulta ser superior a la frecuencia fundamental, lo que afecta negativamente a los componentes y equipos del sistema.
Las redes de transmisión de datos ubicadas cerca de líneas eléctricas a través de las cuales fluyen corrientes con armónicos más altos están sujetas a interferencias, la señal de información en ellas se deteriora, mientras más corta es la distancia de la línea a la red, mayor es la longitud de su conexión, mayor es la frecuencia armónica: mayor es la señal de información de distorsión.
Los transformadores y los estranguladores comienzan a hacer más ruido debido a los armónicos más altos, los motores eléctricos experimentan pulsaciones en el flujo magnético, lo que genera vibraciones de torsión en el eje. Las máquinas eléctricas y los transformadores se sobrecalientan y se producen pérdidas de calor. En los condensadores, el ángulo de pérdida dieléctrica aumenta con una frecuencia superior a la de la red, y comienzan a sobrecalentarse, pudiendo producirse una ruptura dieléctrica. No hace falta hablar de las pérdidas en las líneas por el aumento de su temperatura...