Motores y Generadores

Un efecto significativo de voltajes y corrientes armónicas en máquinas rotativas (de inducción y sincrónicas) es el recalentamiento del equipo debido a las pérdidas de hierro y cobre a frecuencias armónicas. Por lo tanto, las componentes armónicas afectan la eficiencia de la máquina y el par de torsión desarrollado.

Las corrientes armónicas en un motor pueden aumentar la emisión de ruido auditivo al compararlo con una excitación sinusoidal. Las armónicas también producen una distribución de flujo resultante en la ranura de aire del motor, que puede provocar que el equipo se niegue a arrancar suavemente o altos deslizamientos en motores de inducción. Los pares de armónicos, como la quinta y sétima armónica, tienen la capacidad de generar oscilaciones mecánicas cuando se combinan generadores y turbinas o en un sistema de un motor y una carga. Las oscilaciones mecánicas se dan cuando pares de torsión oscilantes,

causados por la interacción entre corrientes armónicas y la frecuencia fundamental del campo magnético, excitan una frecuencia de resonancia mecánica. Por ejemplo, la quinta y sétima armónica pueden combinarse para producir un estímulo en el par de torsión en el rotor de un generador a la frecuencia de la sexta armónica. Si la frecuencia de la resonancia mecánica existe cerca de la frecuencia del estímulo eléctrico, se pueden desarrollar altas fuerzas de estrés mecánico.

La tabla 4.1 define los órdenes característicos de armónicos derivados de un convertidor de seis pulsos y muestra el efecto cuando se aplica a las terminales de una máquina rotativa. Cada voltaje armónico inducirá una corriente armónica correspondiente en el estator de la máquina. Cada una de estas armónicas es una componente simétrica con una secuencia positiva o negativa del total de la corriente. Estas corrientes inducirán calentamiento adicional a los devanados del estator, sumando al aumento de temperatura debido a la corriente fundamental.

Tabla 4.1 Armónicas de un Convertidor de Seis Pulsos (IEEE 519).

Otra consideración importante, es flujo de corrientes armónicas en el rotor, ya que el flujo de cada corriente en el estator provocará una fuerza magnetomotriz en la ranura de aire del motor que inducirá un flujo de corriente en el rotor de la máquina. Así como cada armónica característica puede ser definida con una secuencia positiva o negativa, la rotación de la

armónica será en adelanto o atraso con respecto a la rotación del rotor. La quinta armónica rotará con una dirección en atraso (secuencia negativa), induciendo una corriente armónica en el rotor con una frecuencia que corresponde a la diferencia rotacional neta entre la frecuencia fundamental de la ranura de aire del motor y la de la 5ta, es decir, la 5ta más una, o la sexta armónica. Como la sétima armónica rotará con una dirección en adelanto (secuencia positiva), se inducirá una corriente armónica en el rotor con una frecuencia fundamental que corresponde a la diferencia rotacional neta entre la sétima y la frecuencia fundamental de la ranura de aire del motor, es decir, la sétima menos una, o la sexta armónica. De esta manera, desde el punto de vista del calentamiento del rotor, la 5ta y sétima armónica se combinan en el estator para producir la sexta corriente armónica en el rotor. La 11va y 13va armónica actúan de la misma forma para producir la 12va corriente armónica en el rotor, y de forma similar con los órdenes mayores de pares de armónicas. Existen dos grandes preocupaciones con las armónicas en el rotor:

1) Calentamiento resultante en el rotor. 2) Pares de torsión intermitentes y reducidos.

La cantidad de calentamiento del rotor que puede ser tolerado, así como la cantidad que es provocado en un caso específico, depende del tipo de rotor involucrado. El efecto combinado de las armónicas es la reducción en eficiencia y vida útil de la maquinaria. Estos efectos no son significativos para un contenido normal de armónicos, pero normalmente el calentamiento armónico reduce el desempeño a un 90-95% del que se tendría cuando se aplica una onda sinusoidal fundamental pura.

Las armónicas también pueden provocar salidas de pares de torsión intermitentes. Lo que puede afectar la calidad de los productos donde la carga del motor es sensitiva a estas variaciones.

4.2 Transformadores

Los efectos de armónicas en los transformadores son aquellos que se presentan por calentamiento parásito, además de aumentar el ruido auditivo.

El efecto de armónicas en transformadores es doble: las corrientes armónicas provocan un aumento en las pérdidas en el cobre y las pérdidas de flujo rezagado, y los voltajes armónicos provocan un aumento en las pérdidas en el hierro. El efecto global es un aumento en el calentamiento del transformador al compararlo con la operación sinusoidal (fundamental) pura.

Se debe recalcar que las pérdidas en transformadores causados por voltajes y corrientes armónicos, son dependientes de la frecuencia. Las pérdidas aumentan con el aumento en frecuencia y por lo tanto, las componentes armónicas con alta frecuencia pueden provocar mayor calentamiento de transformadores que componentes armónicas de frecuencia baja.

4.3 Cables de Potencia

Los cables involucrados en la resonancia de un sistema, pueden ser expuestos a sobre voltajes y al efecto corona, que pueden conducir a fallas dieléctricas (aislamiento). Los cables que se someten a niveles ordinarios de armónicas son propensos a calentamientos. El flujo de corriente no-sinusoidal en un conductor provocará calentamiento adicional por encima del que se esperaría para el valor rms de la forma de onda.

4.4 Capacitores

Una preocupación importante del uso de capacitores en sistemas de potencia es la posibilidad de que el sistema entre en resonancia. Este efecto impone voltajes y corrientes mayores de las que se tienen en casos que no cuentan con resonancia.

La reactancia del banco de capacitores disminuye con la frecuencia, por lo que el banco actúa como un filtro de corrientes armónicas altas. Este efecto incrementa el calentamiento y estrés dieléctrico. La frecuente conmutación de componentes magnéticos no-lineales (por ejemplo, núcleo de hierro), como en transformadores y reactores, pueden producir corrientes armónicas que se agregarán a la carga de los capacitores.

El resultado del sobrecalentamiento y sobrevoltajes a consecuencia de las armónicas es la disminución de la vida útil de los capacitores.

4.5 Equipo Electrónico

El equipo de potencia electrónico es susceptible a fallas es su funcionamiento debido a distorsiones armónicas. Comúnmente éste tipo de equipo es dependiente de la precisa determinación de los cruces por cero de la señal de voltaje u otros aspectos de la forma de onda del voltaje. La distorsión armónica puede provocar el desplazamiento del cruce por cero de la señal de voltaje o el punto al que un voltaje de fase a fase se hace mayor que otro voltaje de fase a fase. Ambos son puntos críticos para muchos tipos de controles de circuitos electrónicos, y su mal funcionamiento puede ser consecuencia de estos desplazamientos.

Otros tipos de equipos electrónicos pueden ser afectados por la transmisión de armónicas de la fuente de corriente alterna a través de la fuente de poder del equipo o por uniones magnéticas de las armónicas hacia los componentes del equipo. Frecuentemente las computadoras y los equipos asociados como los controladores programables requieren fuentes de corriente alterna que contengan un factor de distorsión de voltaje armónico no mayor a un 5%, y que la mayor armónica individual sea no mayor a un 3% del voltaje fundamental. Mayores niveles de armónicas provocan un funcionamiento errático, a veces sutil, del equipo que en algunos casos puede tener consecuencias serias. Los instrumentos pueden ser afectados de forma similar, proporcionando datos erróneos o con un funcionamiento impredecible. Probablemente la situación más seria es el mal funcionamiento en instrumentos médicos. Por esta razón, muchos instrumentos médicos son provistos con una línea de potencia acondicionada. Los efectos de interferencia de las armónicas sobre equipos de radio y televisión son menos dramáticos, así como en grabadoras de video y sistemas de reproducción de audio.

Debido a que la mayoría de equipos electrónicos están alimentados por un nivel de voltaje menor que el sistema de distribución de poder asociado a ellos, frecuentemente se le expone a efectos provocados por huecos de tensión. Frecuentemente las depresiones de

voltaje introducen frecuencias armónicas y no armónicas que son mucho mayores que lo normalmente exhibido en sistemas de distribución de voltaje de 5kV y mayores. Estas frecuencias pueden ser en la escala de frecuencia de radio (RF) y como tales, pueden introducir efectos dañinos asociados con señales falsas de RF. Estos efectos son generalmente los de interferencia de señales introducidas en una lógica o circuitos de comunicación. Ocasionalmente, el efecto de los huecos de tensión es de suficiente potencia para sobrecargar los filtros de interferencia electromagnética (EMI) y circuitos capacitivos sensibles a altas frecuencias.

4.6 Mediciones

Los equipos de medición e instrumentación son afectados por componentes armónicas, particularmente si existen condiciones de resonancia que provocan altos voltajes y corrientes armónicas en el circuito. Dispositivos con discos de inducción, como medidores de watts por hora, normalmente miden únicamente la corriente fundamental, sin embargo, el desbalance de las fases del sistema producido por distorsiones armónicas puede provocar la operación errónea de estos dispositivos.

Varios estudios han demostrado que se pueden dar errores positivos y negativos al presentarse distorsiones armónicas en el sistema, dependiendo del tipo de medidor en consideración y de las armónicas involucradas.