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Aunque tradicionalmente los condensadores y los transformadores en condiciones de saturación generan distorsiones armónicas, en la actualidad existe una gran contribución de estas por parte de los modernos dispositivos electrónicos conectados al sistema de potencia. Generalmente estos ocurren cuando existe cargas conectadas tales como computadores personales, dispositivos variadores de frecuencia o convertidores (AC y DC) etc. Las cargas no lineales generan armónicos mediante unos cambios bruscos en la corriente sobre la forma de onda sinusoidal.

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Fig. 1.6. Diferencia entre una carga lineal y una no lineal

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El término “lineal” y “no lineal” define la relación entre las formas de onda de voltaje y corriente. La distorsión armónica es causada por cargas no lineales en el sistema de potencia. En un dispositivo no lineal o una fuente armónica, la corriente no es proporcional a la tensión aplicada. La Fig. 1.7 ilustra este concepto mediante el caso de una tensión sinusoidal monofásica aplicada a una carga no lineal, en la cual la tensión y la corriente varían de acuerdo a la curva mostrada. Mientras la tensión aplicada es perfectamente sinusoidal la corriente que circula esta distorsionada.

Fig. 1.7. Distorsión de corriente causada por una carga no lineal

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Jorge Mario Ruiz, Francisco Hernando, Metodologías para identificar fuentes armónicas en sistemas eléctricos, pág. 21.

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20 Pequeños incrementos de tensión pueden causar incrementos significantes en la corriente, generando así la distorsión. La no linealidad no debe ser confundida con la dependencia de la frecuencia; Por ejemplo, la impedancia de una línea de transmisión cambia con la frecuencia, pero esta es lineal para cada frecuencia, la dependencia de la frecuencia no causa distorsión en las formas de onda. En los sistemas de potencia, la mayoría de sus elementos de circuito son lineales (líneas, cables y transformadores), aunque los transformadores son elementos confusos ya que estos contienen características lineales y no lineales. Los armónicos de tensión son el resultado de la presencia de una corriente armónica en la carga, ya que las impedancias de las líneas del sistema de potencia se pueden considerar lineales. La Fig. 1.8 ilustra este principio.

Fig. 1.8. Flujo de corriente armónica a través de la red de impedancia causando una distorsión de voltaje

en la carga

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21 Se asume que la fuente de tensión del sistema de potencia tiene únicamente componente fundamental, de tal manera que no existe distorsión en el nodo 1, la fuente entrega potencia a la carga no lineal conectada en el nodo 2 a través del sistema de potencia lineal representado mediante la red de impedancia. La corriente armónica que circula a lo largo de la red de impedancia ocasiona que la tensión en el nodo 2 sea distorsionada.

Suponiendo que en el circuito de la Fig. 1.8 la carga genera dos componentes armónicas (i y r) para el voltaje V2, el cual puede ser descompuesto en:

(1.1)

Donde (1.1) es una ecuación fasorial, V1 es la tensión fundamental y Vh es el

armónico de tensión de orden h para el nodo 2. De igual forma la corriente I2 de la

carga puede ser descompuesta en sus dos componentes Iie Ir :

(1.2)

Usando la tensión y la corriente obtenidas en las ecuaciones (1.1) y (1.2), la potencia activa P2 transmitida a la carga armónica en el nodo 2 es:

(1.3)

Donde:

P2 es la potencia activa transmitida.

Pi es la potencia inyectada a la carga por el sistema.

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22 De esta manera, la potencia activa fundamental es convertida en potencia activa armónica a causa de la carga armónica. La potencia activa armónica Ph puede ser

positiva o negativa, es decir, la dirección puede ser la misma u opuesta a la dirección de P2. El aumento de la distorsión de tensión en el nodo 2 es dependiente de la red de impedancias, ya que si la red de impedancias es igual a cero, no existe distorsión de tensión para el nodo 2, aunque la distorsión de corriente esté presente. De esta manera dos cargas iguales para dos ubicaciones distintas en un sistema de distribución, presentan dos tensiones distorsionadas diferentes.

Los sistemas de potencia en algunas ocasiones pueden absorber corriente armónicas sin presentar problemas notables, siempre y cuando no existan condiciones de resonancia en la red. Las cargas no lineales son generalmente caracterizadas por las corrientes armónicas, por consiguiente es preferible expresar las emisiones y sus límites en términos de las corrientes. Para obtener los armónicos de tensión por medio de las corrientes inyectadas es necesario conocer el sistema de impedancias.

Como se había mencionado, los armónicos son tensiones o corrientes sinusoidales cuya frecuencia es múltiplo de la frecuencia del sistema, para el caso de nuestro país es de 60 Hz. Las formas de onda distorsionadas son descompuestas, conforme a lo establecido por Fourier, resultando ser la suma de una componente fundamental más las componentes armónicas.

La distorsión armónica se origina, principalmente, por la implementación de cargas no lineales en los sistemas de potencia. El nivel de distorsión armónica se calcula por el espectro total armónico mediante las magnitudes y el ángulo de fase de cada componente de forma individual. Es común, para éstos casos, utilizar un criterio denominado distorsión total armónica (THD) como una interpretación de la medición de la misma.

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23 Las armónicas se expresan en términos de su orden. Por ejemplo, las de segundo, tercer y cuarto orden tienen frecuencias de 120, 180 y 240 Hz respectivamente. En relación con que su orden aumenta, la frecuencia de una armónica se incremente y su magnitud por lo general disminuye.

Fig. 1.9. Flujo de corriente armónica a través de la red de impedancia causando una distorsión de voltaje

en la carga

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