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Consecuencias del Contenido Armónico en Motores Eléctricos

Armónicos

Armónicos es el término usado en forma general para referirnos a la distorsión de las ondas sinuosidades por ondas de diferentes frecuencias.

Cualquiera sea la forma, una forma de onda no-sinusoidal (ondas que contienen armónicos, también conocidas como ondas complejas) puede ser dividida matemáticamente a sus componentes individuales: la frecuencia fundamental (también llamada primer armónico) y un número de “frecuencias armónicas”.

 

 

Frecuencia Fundamental

Una Frecuencia Fundamental (o primer armónico) es la onda sinusoidal que tiene la frecuencia suministro. La fundamental es la frecuencia más baja o frecuencia base, ƒ en la que la onda compleja es construida y como tal el tiempo periódico, T de la resultante onda compleja será igual al tiempo periódico de la frecuencia fundamental.

Consideremos la fundamental básica o la onda AC primera armónica como se muestra.

Donde: Vmax es el valor pico en voltios y ƒ es la frecuencia de onda en Hertz (Hz).Donde: Vmax es el valor pico en voltios y ƒ es la frecuencia de onda en Hertz (Hz).Nosotros podemos ver que una onda sinusoidal es un voltaje alternativo (o corriente), que varía como una función seno de ángulo, 2πƒ. La frecuencia de las ondas, ƒ es determinada por el número de ciclos por segundo. En el Reino Unido esta frecuencia fundamental está determinada a 50Hz   mientras que en Estados Unidos es 60Hz.

 

 

Ondas Complejas debido a Armónicos

 

Véase que las ondas rojas de la imagen, son las formas actuales de las ondas como vistas por una carga debido al contenido armónico que se agrega a la frecuencia fundamental.Véase que las ondas rojas de la imagen, son las formas actuales de las ondas como vistas por una carga debido al contenido armónico que se agrega a la frecuencia fundamental.La frecuencia fundamental también puede ser llamada 1ra onda armónica. Por lo tanto, una segunda armónica tiene una frecuencia del doble que la fundamental, la tercera armónica tiene una frecuencia tres veces la de la fundamental y la cuarta armónica tiene una cuatro veces la de la fundamental como se muestra en el lado izquierdo de la columna.


El lado derecho de la columna muestra la forma de la onda compleja generada como resultado del efecto entre la adición de la onda fundamental y las ondas armónicas a diferentes frecuencias armónicas. Nótese que la forma de la onda compleja resultante no dependerá únicamente del número y amplitud de la frecuencia armónica presente, pero también en la relación de fase entre la frecuencia fundamental o base y las frecuencias armónicas individuales.Podemos ver que la onda compleja se construye a partir de la onda fundamental más armónicos, cada una con su propio valor pico y ángulo de fase.

 

 

 

Sentido de giro de campo magnético

Si tomamos un motor de frente (como lo ilustra la imagen a continuación) el movimiento de la primera fundamental y la 2da Armónica se desplegarían de la siguiente manera:

 

¿Cómo operan los armónicos?

Los armónicos son voltajes o corrientes que operan a frecuencias (cantidades enteras) múltiplos de la frecuencia fundamental. De esta manera dada una onda fundamental de 50Hz, esto significa que una 2da frecuencia armónica sería de 100Hz (2 x 50Hz), una 3ra armónica seria de 150Hz (3 x 50Hz), una 5ta sería de 250Hz, una 7ma seria de 350Hz y así sucesivamente.

Lo mismo ocurre con una onda fundamental de 60Hz, las 2da, 3ra, 4ta y 5ta frecuencias armónicas serían de 120Hz, 180Hz, 240Hz y 300Hz respectivamente.

Secuencia Positiva, Negativa y Cero

De esta manera vemos que los armónicos son clasificados por sus nombres y frecuencias, por ejemplo una 2da onda armónica de la frecuencia fundamental a 100Hz.

Otra forma de clasificar los armónicos es por su secuencia. La secuencia de armónicos se refiere a la rotación del fasor de los voltajes y corrientes armónicos con respecto a la onda fundamental en un balanceado sistema 3-fase 4-cable.

 

 

Secuencia Positiva

Una secuencia armónica positiva (4ta, 7ma, 10ma, ...) rotaría en la misma dirección (hacia adelante) de la misma forma que la frecuencia fundamental.

Consecuencias

Generalmente, las secuencias de armónicos positivas son indeseables debido a que son responsables de sobre-calentamiento de:

  • Conductores
  • Líneas eléctricas
  • Transformadores a causa de la adición de las ondas.

 

 

Secuencia Negativa

Una secuencia armónica negativa (2da, 5ta, 8va, ...) rotaría en la dirección opuesta (en reversa) a la frecuencia fundamental.

Consecuencias

Las secuencias de armónicos negativas por otro lado circulan entre las fases creando problemas adicionales con motores ya que la rotación de fasor opuesta debilita el campo magnético que requieren los motores, y especialmente motores de inducción, logrando así que estos produzcan menos torque mecánico.

 

 

Triplens (cero)

Una tercera especie de armónicos llamados Triplens (múltiplos de tres) tienen una secuencia rotacional de cero. Los Triplens, múltiplos de la tercera armónica (3ra, 6ta, 9na, ...) de donde proviene su nombre, son desplazadas por cero grados. Las secuencias de armónicos circulan entre la fase y el neutral o el suelo.

A diferencia de las corrientes de secuencias armónicas positivas y negativas que se cancelan unas a otras, los armónicos Triplens no se cancelan. En su lugar se suman aritméticamente en el cable común neutral que es sujeto a corrientes desde las tres fases.

Consecuencias

El resultado es que la amplitud de la corriente en el cable neutral debido a estos armónicos Triplens pudiera ser de hasta 3 veces la amplitud de la corriente de fase en la frecuencia fundamental, causando que sea menos eficiente y que se sobre-caliente.

 

 

 

Proponemos los siguientes cuadros a forma de resumen:

 

 

 

Resumen de Armónicos

Los armónicos son ondas de frecuencia más altas superpuestas sobre frecuencia fundamental, siendo esta la frecuencia del circuito, y las cuales son suficientes para distorsionar su forma de onda. La cantidad de distorsión aplicada a la onda fundamental dependerá en su totalidad del tipo, cantidad y forma de los armónicos presentes.

Los armónicos en los sistemas de distribución de energía eléctrica se combinan con el suministro de frecuencia fundamental (50Hz o 60Hz) para crear distorsión de voltaje y/o corriente de las ondas. Esta distorsión crea una onda compleja hecha de un número de frecuencias armónicas que pueden tener un efecto adverso en equipo eléctrico y líneas eléctricas.

Los componentes armónicos más dominantes son los armónicos de menor orden del 2do al 19no, siendo los Triplens los peores.

 

 

 

 

 

Links de referencia:

www.electronics-tutorials.ws/accircuits/harmonics.html

www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating-current/chpt-10/harmonic-phase-sequences/

www.electricalindia.in/blog/post/id/12933/harmonics-causes--effects

 

 

 

 

 

Andrés Gajardo

MyG Inc.

www.motoresygeneradores.com