Armónicos y la norma IEEE 519 1992

La automatización de procesos industriales ha impulsado la incorporación de cargas no lineales, verdaderas fuentes de perturbación de los sistemas eléctricos, que inyectan armónicas de corriente, distorsionando su forma de onda. Al interactuar con la impedancia del sistema, ésta distorsiona el voltaje y provoca diferentes problemas en los equipos asociados al sistema. Para establecer responsabilidades entre Consumidor y Distribuidor, se han creado normas nacionales e internacionales, las cuales limitan los rangos permitidos de forma de onda de voltaje a suministrar por la distribuidora y a distorsionar por los consumidores. La norma más utilizada en México es la IEEE 519 1992, por la que se rigen la mayoría de los nuevos proyectos

En la actualidad, los problemas de armónicos son comunes en aplicaciones comerciales e industriales, debido principalmente a equipos como fuentes switching, variadores de frecuencia, entre otras cargas no lineales. Su proliferación las ha transformado en una importante parte de la carga total, según los sistemas descritos en la figura 1.

Armónicos característicos generados por un rectificador:

h = np +/-1, donde

h = Armónico

n = Número integral

p = Pulsos

Una carga es no lineal cuando su impedancia cambia al aplicar voltaje. Estas corrientes no sinusoidales contienen armónicas que interactúan con la impedancia del sistema creando distorsión de voltaje que puede afectar a los equipos del sistema de distribución y cargas conectadas. La mayoría de los sistemas de potencia tolera ciertos niveles de armónicas, pero tiene problemas cuando son parte significativa de la carga total. Asimismo, la distorsión de voltaje, no de corriente, afectará los equipamientos conectados al sistema.

El análisis de Fourier dice que la corriente de un rectificador de 6 pulsos tiene una componente de frecuencia fundamental más las armónicas impares 5, 7, 11, 13, etc. La caída de voltaje será de acuerdo a la ley de Ohm (Vh=Ih*Zh), donde Vh, Ih y Zh voltaje, corriente e impedancia a armónico h.

Figura 2: Relación entre impedancia del sistema y distorsión de voltaje.

La figura 2 muestra la relación entre impedancia del sistema y distorsión de corriente y voltaje en varios puntos en un sistema de potencia típico.

Distorsión total de armónicas o THD en porcentaje del valor de la componente fundamental es:

Figura 1: Formas de onda de corriente de cargas lineales y no lineales típicas.

Entonces, distorsión de voltaje es una función de impedancia y distorsión de corriente del sistema, mientras mayor es la impedancia del sistema mayor será la distorsión de voltaje. En la figura 2, podemos ver que la más grande distorsión de voltaje es en los terminales de las cargas, debido a la impedancia total del sistema en ese punto.

Algunos detalles sobre la norma

La IEEE 519 1992 trata principalmente con armónicos introducidos por cargas no lineales, con la finalidad de que los problemas de calidad de potencia puedan ser prevenidos. Su cumplimiento está siendo solicitado cada día más debido al crecimiento en la utilización de VDF y otras cargas no lineales.

Además, esta norma define distorsión total e individual de voltaje y corriente. La filosofía adoptada fue restringir la inyección de corrientes armónicas de consumidores individuales para no causar niveles de distorsión de voltaje inaceptables (ver figura 3).

Figura 3: Límites de distorsión de voltaje y corriente IEEE 519-1992.