Armónicos del sistema eléctrico

Una razón particular por la que las compañías eléctricas piensan que los armónicos son malos es que tienen que suministrarlos (lo que significa un cable generalmente un poco más grueso en promedio) Y normalmente no pueden facturar al usuario por ellos. Por supuesto, hay excepciones (para usuarios de mayor energía) y se les anima (por el costo de su factura) a mantener bajos los armónicos y el factor de potencia lo más cerca posible de la unidad.

Un armónico es un término que casi siempre se aplica a una carga no lineal que distorsiona la corriente de carga normalmente sinusoidal. Básicamente, no se trata de un mayor consumo de energía, pero sí significa que la infraestructura debe ser capaz de hacer frente a las corrientes básicas facturables y los armónicos generalmente no facturables: -

Lo siguiente puede ayudar a comprender las cargas no lineales y cómo generan armónicos.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Figura 1. Un puente rectificador simple, capacitor de suavizado y carga resistiva.

El circuito de la Figura 1 debería ser bastante fácil de entender. Cuando la entrada de CA superior es positiva, la corriente fluye a través de D2, R1 y D3 de regreso a la otra línea de CA. C1 se carga y mantiene el voltaje en la carga. Para un ingeniero mecánico, esto sería análogo a tener dos suministros hidráulicos pulsados, cuatro válvulas de retención (D1 - 4), un depósito de presión (C1) y la carga (R1).

De lo anterior, debe verse que la corriente (flujo) en el primer pulso seguirá la presión de suministro, pero que en los pulsos subsiguientes no fluirá corriente hasta que la presión de suministro exceda la presión del depósito. El resultado es que la corriente requerida fluye en pulsos; vea las curvas negras en la Figura 2.

Figura 2. CA rectificada (rojo), voltaje del capacitor (azul) y corriente del rectificador (negro). La corriente CA (a la izquierda del rectificador en la Figura 1) se verá similar a la curva negra excepto que cada medio ciclo se alternará por encima y por debajo de la línea.

También debería ser intuitivo que, dado que el rectificador proporciona corriente en pulsos, la corriente máxima puede ser muchas veces la corriente promedio.

Dado que cualquier onda periódica puede formarse mediante la adición de una onda sinusoidal de la frecuencia fundamental y sus armónicos (en cantidades variables), la demanda de corriente distorsionada crea armónicos en el suministro de corriente.

Figura 3. Esta fabulosa ilustración de la Transformada de Fourier de Lucas V. Barbosa en la página de Transformada de Fourier de Wikipedia muestra la transformación de una forma de onda periódica del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia. El gráfico de frecuencia muestra la fuerza relativa de los armónicos con una claridad que no se podría obtener mirando el gráfico de tiempo.

Si comprende cómo los rodamientos de rodillos crean pulsos a partir de superficies irregulares, entonces puede imaginar que la corriente recibe golpes y armónicos debido a la impedancia irregular. Provoca más calor y desgaste. En magnetismo, una vez que la fuerza alcanza la saturación como un resorte que toca fondo, la fuerza aumenta bruscamente y causa daños por el exceso de corriente.

El comportamiento no lineal de todos los núcleos magnéticos es como el contragolpe de una transmisión por correa, pero quizás más suave. La histéresis y rigidez o pendiente pronunciada de unos frente a otros que son más suaves en motores de todo tipo afecta a la cantidad de armónicos generados. También es necesario corregir el factor de potencia activo de los suministros SMPS ahora si se trata de grandes suministros de CA-CC en los estándares IEC. El 50 % de THD reduce el PF en un 10 %, lo que se suma a la energía almacenada en la red y aumenta las pérdidas por conducción.

Los armónicos también son generados por pulsos de corriente de frecuencia de línea, como los viejos suministros lineales de tapa de puente de diodo lineal que son cualquier cosa menos lineales en el extremo frontal. La corriente solo carga ~ 10% o <30% según la carga y la clasificación y luego descarga a los reguladores el resto del tiempo entre cada medio ciclo. Estos pulsos crean armónicos pares más dañinos que se suman en fase en el cable neutro del transformador, mientras que los armónicos impares tienden a cancelarse cuando se encuentra en un modo diferencial o en un sistema trifásico delta. (las ondas cuadradas perfectas al 50 % no tienen armónicos pares)

Por lo tanto, los armónicos son como protuberancias en la impedancia de la superficie de un cojinete de rodillos que agregan exceso de calor, fuerzas de estrés, menor eficiencia, capacidades de aislamiento, lo que da como resultado una menor vida útil y un mayor costo de propiedad.