Conexiones de Transformadores para Eliminar Armónicas
Salvador Acevedo P. Miembro IEEE Departamento de Ingeniería Eléctrica ITESM, Campus Monterrey RESUMEN El uso de cargas no lineales en sistemas eléctricos, tales como los convertidores electrónicos de potencia, los hornos de arco eléctricos y varios más, produce distorsión en las formas de onda de las corrientes y los voltajes. El grado dedistorsión se cuantifica estudiando el contenido armónico de las señales. Cuando las armónicas producidas por una carga no lineal fluyen a otras partes del sistema, pueden originarse problemas tales como sobrecalentamiento de equipo, bajo factor de potencia y resonancia, con la consecuente reducción en la eficiencia de operación y, en algunas ocasiones, destrucción de equipo. Existen diversasprácticas para limitar el flujo de armónicas del equipo que las genera hacia donde la presencia de éstas es indeseable o para disminuirlas a niveles aceptables. En este artículo se estudian ciertas conexiones de transformadores que eliminan o reducen la circulación de determinadas armónicas y se presentan ejemplos de aplicaciones prácticas de estas conexiones. Otras metodologías existentes son lautilización de filtros activos o pasivos y técnicas de modulación en los propios convertidores electrónicos. I. INTRODUCCION
n Ic/
IB
En este artículo se analizan las conexiones de transformadores eléctricos para la eliminación de 3a, 5a, 7a, 11a y 13a armónicas. En cuanto a conexiones de transformadores trifásicos, las más comúnmente utilizadas son: ?-Y, Y-Y, Y-?, ?-?. La conexión ?-Y se muestra enla figura 1a. Si se asume que los transformadores tienen una relación de vueltas igual a “n”, entonces existen 30° de desfasamiento entre las corrientes de línea de primario y secundario, tal como se muestra en la figura 1b y 1c, mismo que depende de la secuencia de las corrientes. En el caso de secuencia negativa, el desfasamiento es opuesto al de secuencia positiva. La figura 2 muestra como laconexión ?-Y elimina el flujo de corrientes de secuencia CERO en las líneas del lado de la ? y éstas se limitan a circular dentro de la ?. En el caso de que la Y del secundario no esté conectada a tierra, entonces, debido a que la corriente del neutro es nula y las corrientes de secuencia CERO están en fase, no existe posible trayectoria para estas corrientes en el secundario. Una situación similarocurre cuando se deja sin conectar a tierra alguno de los lados de un transformador Y-Y.
IA IC
c C
Ia/n
Ib/ n
Ic
A a
Ia
El acelerado desarrollo de la electrónica de potencia ha propiciado un sinnúmero de aplicaciones en sistemas de transmisión, sistemas de distribución y sistemas de utilización (industriales y comerciales). No obstante, a pesar de la flexibilidad de losconvertidores electrónicos modernos, su comportamiento es no lineal y producen distorsión en las corrientes y, por ende, en los voltaje. Otros ejemplos de cargas no lineales son los hornos eléctricos. Algunos ejemplos de estos convertidores son los sistemas de transmisión de CD en alto voltaje (HVDC), los dispositivos para transmisión flexible de CA (FACTS), los compensadores estáticos de reactivos (SVC),los condensadores estáticos (STATCOM), algunos controles de iluminación, variadores de velocidad y equipo computacional. Entre los efectos negativos que las armónicas producen en el equipo eléctrico está el sobrecalentamiento del mismo, lo cual limita su vida útil. Existen diferentes técnicas que se utilizan para eliminar y disminuir las armónicas producidas por las cargas no lineales.
B
bIb
(a)
IC+ Ic+/n IA+ Ic+ Ia+ Ia+/n Ib+/n Ib+
IB+
(b)
IB Ib -/n Ia-/n IcIC Ic -/n IA Ib Ia –
(c) Figura 1. Conexión ?-Y de transformadores trifásicos (a) Conexión estándar (b) Corrientes de secuencia positiva (c) Corrientes de secuencia negativa
IA0=0 IC0 =0
iO 3I0
c C
iO
Ic 0
Las quintas armónicas se comportan como componentes de secuencia negativa:
ia5 = I 5…