CAPÍTULO 1. MARCO DE REFERENCIA ACERCA DE LOS
1.9 La presencia de armónicos en los transformadores
Los síntomas de los armónicos suelen presentarse en el transformador de distribución de corriente que alimenta cargas no lineales. Estas cargas pueden ser básicamente de dos tipos: monofásicas y trifásicas. En las oficinas predominan las cargas monofásicas no lineales, mientras que en el ámbito industrial las más extendidas son las cargas trifásicas.
Los transformadores utilizados en grandes instalaciones, normalmente son del tipo delta - estrella. Las cargas monofásicas no lineales conectadas a las diferentes fases producen armónicos impares múltiplos de tres que se suman algebraicamente en el conductor neutro. Cuando esta corriente del neutro llega al transformador se refleja en el devanado del primario en delta y circula por él con el consiguiente sobrecalentamiento y averías del transformador.
Las cargas no lineales han existido en los sistemas eléctricos desde sus inicios, principalmente eran de tipo magnético, como las corrientes de excitación de los transformadores y los balastos magnéticos de luminarias tipo fluorescente. Su influencia en aquel entonces era escasa. Con la aparición de la electrónica, se han mejorado mucho las propiedades de los productos, pero ha traído consigo entre otros problemas, la generación de armónicos.
Por ejemplo: los variadores de frecuencia de motores de inducción mejoran la eficiencia de las máquinas, permitiendo variar la velocidad de funcionamiento según las necesidades de la aplicación, pero producen armónicos de orden 5, 7, 11 y 13. Los balastos electrónicos también se presentan como una importante mejora, tanto para la eficiencia como para la vida útil del equipo, pero aumentan el contenido de armónicos. Equipos como hornos de arco, cargadores de baterías, y sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI), son también productores de armónicos [12].
1.9.1 Efecto de los armónicos en los transformadores.
El efecto de los armónicos en los transformadores es doblemente perjudicial. Los armónicos de corriente causan un incremento en las pérdidas de cobre y en las pérdidas en el núcleo. Algunos de los efectos de los armónicos en el transformador son: incrementan el calentamiento, el esfuerzo sobre el aislamiento, pueden ocurrir posibles resonancias a la frecuencia del armónico entre los enrollados del transformador y la capacitancia de la línea y es posible que se produzcan pequeñas vibraciones del núcleo.
Las principales componentes de pérdida son: las pérdidas I2R en los enrollados, las pérdidas por corrientes parásitas y las pérdidas por el flujo de dispersión. Las pérdidas debido a la componente I2R se deben al calentamiento del conductor y al efecto pelicular. Las pérdidas por corrientes parásitas en el conductor se incrementan con el cuadrado de la corriente y con el cuadrado de la frecuencia [12]. El calentamiento adicional causado por los armónicos requiere desvalorizar la capacidad del transformador de forma que su temperatura permanezca dentro de
los límites establecidos por el fabricante o usar un transformador de construcción especial diseñado para corrientes de carga no sinusoidales. La vida del transformador se reducirá si el mismo opera por encima de la temperatura establecida. Los transformadores se diseñan para entregar energía a la frecuencia de la red, 50 Hz (60Hz). Las pérdidas en el hierro están compuestas por las pérdidas de la corriente circulante (que aumentan con el cuadrado de la frecuencia) y las pérdidas de histéresis (que aumentan linealmente con la frecuencia). Con frecuencias mayores las pérdidas aumentan, causando un calentamiento adicional en el transformador [12].
1.9.2 Como se manifiesta los armónicos en los transformadores trifásicos.
En los transformadores monofásicos, suele despreciarse los armónicos de la corriente de excitación, debido a su pequeño valor. Sin embargo, los fenómenos de armónicos en sistemas trifásicos pueden, en algunos casos, ejercer efectos importantes en las características del sistema, particularmente, en el comportamiento de los bancos trifásicos estrella-estrella.
Por otra parte, a pesar de su tamaño relativamente pequeño, los armónicos de la corriente de excitación de un banco trifásico pueden, en ciertas ocasiones, inducir en los circuitos de comunicaciones cercanos, tensiones que interfieran seriamente con el funcionamiento adecuado de dichos circuitos.
La corriente de excitación de un reactor con núcleo saturable (equivalente al comportamiento de un transformador en vacío), no es sinusoidal y se puede representar aproximadamente por:
) wt 5 cos( I ) wt 3 cos( I ) wt cos( I ) t ( i0 01 1 03 3 05 5 (20)
Donde se han despreciado los armónicos de orden superior a cinco.
En la realidad, el tercer armónico es el más importante debido a que en muchos casos su valor eficaz es comparativamente grande frente al valor de la fundamental y adicionalmente, como su período es un tercio del de ésta, las componentes de las tres fases quedan en fase [13], tal como se muestra en la
figura 22. Según esto, presentan características de componentes de secuencia cero.
Figura 22. Corriente de excitación de primer y tercer armónico en un transformador trifásico.
En cuanto a los quintos armónicos, de acuerdo con lo que se muestra en la Figura 23, presentan características de componentes de secuencia negativa; es decir, tienen invertido el orden de las corrientes de las fases [13].
Figura 23. Corriente de excitación de primer y quinto armónico en un transformador trifásico.