1. Introducción

La revolución industrial ha transformado toda la vida con las mejoras tecnológicas avanzadas. La contribución importante en la revolución industrial se debe a la disponibilidad de energía eléctrica que se distribuye a través de las compañías eléctricas de todo el mundo. El concepto de calidad de la energía en este contexto, se está convirtiendo en un "derecho básico" de usuario para la seguridad, así como para el funcionamiento ininterrumpido de sus equipos. Los usuarios de electricidad ya sea doméstico o industrial, energía de la necesidad, libre de interferencias, distorsiones, parpadeo, el ruido y las interrupciones. La utilidad desea que los usuarios utilizan equipos de buena calidad para que no producen amenazas de calidad de energía para el sistema. El uso de dispositivos basados ​​en electrónica de potencia en este mundo industrial ha salvado bondades en términos de ahorro de combustible y electricidad, pero por otro lado ha creado problemas debido a la generación de armónicos. Tanto los usuarios comerciales y domésticos utilizan los dispositivos con conmutación basada en la electrónica de potencia que el consumo de corriente armónica. Esta corriente es un factor dominante en la producción de los voltajes armónicamente contaminadas. El "derecho básico" del usuario es contar con un suministro de energía limpia, mientras que la demanda de servicios públicos es contar con instrumentos / equipos de buena calidad. Esto hace que la calidad de energía de un punto de interés común tanto para los usuarios, así como la utilidad. Armónicos siendo un tema candente dentro del dominio de calidad de energía ha sido un área de debate desde hace décadas y varias normas de diseño se han ideado y publicado por varias organizaciones e instituciones internacionales para el mantenimiento de una fuente de alimentación armónicamente libre. En un escenario más amplio, el medio ambiente armónicamente libre significa que los armónicos generados por los dispositivos y su presencia en el sistema se limita en los límites permisibles de modo que no causan ningún daño a los componentes del sistema de potencia que incluye los transformadores, aisladores, interruptores-engranajes, etc. La desregulación de los sistemas de energía está forzando a las empresas de servicios públicos para purgar los armónicos en el final de su generación antes de que llegue a la línea de corriente principal y se convierte en una posible causa del sistema de la ONU-la estabilidad. El posible plan de tres etapas para el control de armónicos es

• Identificación de las fuentes de armónicos
• Medición del nivel de armónicos
• Técnicas de purga posibles

Para seguir el esquema anterior las compañías eléctricas tienen R&Secciones D que están involucrados en la investigación continua para mantener los niveles de armónicos dentro de los límites permitidos. Armónicos de la frecuencia industrial los problemas que han sido un área constante de la investigación son:

• Corrección del factor de potencia en el entorno armónicamente contaminado
• La falta de aislamiento del sistema de coordinación
• Distorsión de forma de onda
• Disminución de potencia del transformador, cables, interruptores-engranajes y capacitores de corrección del factor de potencia

Los retos de la investigación mencionados anteriormente se las arreglaron con la ayuda de los organismos reguladores que se centran mucho en el diseño y aplicación de las normas para el control de armónicos. Consorcios de ingeniería como el IEEE, S, e IEC han diseñado normas que describen los límites permisibles para los armónicos. La estimación, medición, análisis y purga técnicas de armónicos son un área de estrés importante que necesita un firme control de los ingenieros de calidad de energía. Hoy en día, además de los métodos tradicionales, como la conexión Y-Δ para 3^rd la supresión de armónicos, métodos modernos basados ​​en técnicas de inteligencia artificial ayuda a los ingenieros de servicios públicos para reprimir y purgar los armónicos de una manera mejor. Los enfoques modernos incluyen:

El objetivo de este capítulo es explicar todas las posibles fuentes de generación de armónicos, identificación de armónicos, su nivel de medición, así como sus técnicas de purga / supresión. Este capítulo será útil para todos los ingenieros eléctricos en general y de los ingenieros de servicios públicos, en particular,.

2. ¿Cuáles son los armónicos?

En la ingeniería de energía eléctrica el término armónicos hace referencia a una forma de onda sinusoidal que es un múltiplo de la frecuencia de sistema. Por lo tanto, la frecuencia que es tres veces la frecuencia fundamental se conoce como tercera armónicos; cinco veces el fundamental sea el quinto armónico; etcétera. Los armónicos de un sistema se pueden definir en general el uso de la eq. 1

Los armónicos siguen una ley inversa en el sentido de que mayor es el nivel de armónicos de una frecuencia armónica en particular, el inferior es su amplitud como se muestra en Fig.1. Por lo tanto, por lo general en los armónicos de línea eléctrica no se dan los armónicos de orden superior mucha importancia. Los armónicos vitales y el más problemáticos son por lo tanto 3^rd, 5^ª, 7^ª, 9^ª, 11^ª y 13^ª. La expresión general de armónicos formas de onda se da en eq. 2

Donde, En_rn es la tensión eficaz de cualquier frecuencia particular (línea armónica o el poder).

Los armónicos que son múltiplos impares de la frecuencia fundamental se conocen como armónicos impares y los que son múltiplos de la frecuencia fundamental, incluso se llaman como armónicos pares. Las frecuencias que están entre los armónicos pares e impares se denominan interacciones armónicas.

Aunque, la demanda ideal para cualquier compañía eléctrica es tener corrientes sinusoidales y las tensiones en el sistema de aire acondicionado, esto no es para todos los tiempos prometedores, las corrientes y tensiones con formas de onda complejas se producen en la práctica. Por lo tanto cualquier forma de onda compleja generada por tales dispositivos es una mezcla de fundamental y los armónicos. Por lo tanto, el voltaje a través de un sistema armónicamente contaminado puede expresarse numéricamente en eq. 3,

Donde,

En_fp = Valor de pico de la frecuencia fundamental

En_np= Valor pico del n^ª componente armónico

φ = Ángulo de la frecuencia respetado

Del mismo modo, la expresión para la corriente a través de un circuito dado en un sistema armónicamente contaminada está dada por la expresión dada en eq. 4

Componentes armónicas también se denominan como positivo, negativa y secuencia cero. En este caso, los armónicos que cambia con el fundamental se llaman positivos y los que tienen fasor dirección opuesta con el fundamental son los llamados componentes de secuencia negativa. Los componentes cero no tienen ningún efecto de la fundamental y se considera neutral en su comportamiento. Dirección fasorial es más o menos importante en el caso de los motores. Positivo componente de secuencia tiende a mover el motor en la dirección correcta. Mientras que el componente de secuencia negativa disminuye el par útil. La 7^ª, 13^ª, 19^ª etc. son componentes de secuencia positiva. Los componentes de secuencia negativa son 5^ª, 11^ª, 17^ª etcétera. Los armónicos componentes son cero 3^rd, 9^ª, 15^ª etc. Como la amplitud de los armónicos disminuye con el aumento de la orden armónico, por lo tanto, en los sistemas eléctricos de los servicios públicos están más preocupados por los armónicos hasta 11^ª sólo para.

3. Generación de armónicos

En la mayoría de los casos los armónicos de la tensión es un producto directo de los armónicos de corriente. Por lo tanto, Los armónicos de corriente es la causa real de la generación de armónicos. Armónicos de la línea eléctrica se generan cuando una carga dibuja una corriente no lineal de una tensión sinusoidal. Hoy en día todos los equipos utilizan Switch Mode Power Supplies (SMPS) que convierten la tensión de CA utilidad para regular CC de baja tensión para la electrónica interna. Estas fuentes de alimentación tienen una mayor eficiencia en comparación con las fuentes de alimentación lineales y tienen algunas otras ventajas. Pero basándose en el principio de conmutación, estas fuentes de alimentación no lineales, la corriente presenta gran amplitud de pulsos cortos. Estos pulsos son ricas en armónicos y producen caída de tensión en la impedancia del sistema. Así, crea muchas fuentes de tensión pequeñas en serie con la fuente principal de CA como se muestra en Fig.2. Aquí en Fig.2 Yo₃ se refiere a la tercera componente armónico de la corriente consumida por la carga no lineal, Yo₅ es el quinto componente armónico de la corriente de carga y así sucesivamente. R muestra la resistencia distribuida de la línea y las fuentes de tensión se muestra para elaborar el factor explica más arriba. Por lo tanto, estos pulsos cortos de corriente crean una distorsión significativa en la forma de onda eléctrica de corriente y tensión. Esta distorsión de la forma se denomina como una distorsión armónica y su medición se lleva a cabo en términos de distorsión armónica total (THD). Esta distorsión viaja de nuevo a la fuente de poder y puede afectar a otros equipos conectados a la misma fuente. Cualquier equipo SMPS instalado en cualquier parte del sistema tiene una propiedad inherente de generar distorsión continua de la fuente de energía que pone una carga adicional en el sistema de servicios públicos y de los componentes instalados en la misma. Los armónicos también son producidas por motores eléctricos y convertidores DC-DC instalados en configuraciones industriales. Fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) y lámparas fluorescentes compactas (CFL) son también una fuente importante de armónicos en un sistema. Por lo general, altos armónicos impares resultados de un convertidor de electrónica de potencia. En resumen, los armónicos se producen en una red eléctrica por [2, 16, 26, 42]

• Rectificadores
• El uso de núcleo de hierro en los transformadores de potencia
• Equipos de soldadura
• Los variadores de velocidad
• Conmutación periódica de la tensión y corrientes
• Generadores de corriente alterna por espacio de aire no sinusoidal, distribución o diente flujo ondulación
• Equipos de conmutación, como SMPS, UPS y CFL

Vale la pena mencionar aquí que los armónicos de tensión pueden surgir directamente debido a un generador de corriente alterna, debido a un espacio de aire no sinusoidal, distribución de flujo, o para la ondulación del diente, que es causada por el efecto de las ranuras, que la casa de los bobinados. En los sistemas de abastecimiento de las grandes, se toma el mayor cuidado para asegurar una salida sinusoidal del generador, pero incluso en este caso, cualquier no linealidad en el circuito dará lugar a armónicos en la forma de onda de corriente. Los armónicos también se pueden generar debido a los núcleos de hierro en los transformadores. Tales núcleos de los transformadores tienen una curva de BH no lineal [37].

4. Los problemas asociados con los armónicos

Sistema Armónicamente contaminado tiene muchas amenazas para su estabilidad. No sólo dificulta la calidad de la energía (PQ) pero cuando una corriente rica en armónicos, sea ​​sacado a algún dispositivo, se sobrecarga el sistema. Por ejemplo tercera corriente armónica tiene una propiedad que a diferencia de otros componentes armónicas que se suma en el alambre neutro del sistema. Esto da lugar a falsos disparos de disyuntor. También afecta el aislamiento del cable de neutro. La sobrecarga de los cables debido a la corriente armónica contaminado aumenta las pérdidas asociadas con los alambres. También debe tenerse en cuenta que sólo la potencia de componente fundamental es la potencia útil, resto todos son pérdidas. Estas pérdidas adicionales hacen a los pobres del factor de potencia que se traduce en más pérdidas de potencia. Los efectos generales resumidos de armónicos en el sistema de energía son las siguientes [9, 18, 39]

• Las frecuencias armónicas pueden causar condiciones de resonancia cuando se combina con capacitores de corrección del factor de potencia
• El aumento de las pérdidas en los elementos del sistema, incluyendo transformadores y la generación de plantas
• Envejecimiento de aislamiento
• La interrupción en el sistema de comunicación
• Activación falsa de disyuntores
• Las grandes corrientes en los cables neutros

Los transformadores de distribución tienen una conexión Δ-Y. En caso de una altamente tercera corriente armónica de la corriente que está atrapado en el conductor neutro crea calor que aumenta el calor en el interior del transformador. Esto puede llevar a la vida reducida y una reducción de potencia del transformador. Los diferentes tipos de armónicos tienen su propio impacto en el sistema de potencia. Por ejemplo, consideremos la 3^rd armónico. Contrariamente al sistema trifásico equilibrado, donde la suma de todas las tres fases es cero en un sistema neutro, el tercer armónico de todas las tres fases es idéntica. Por lo que se suma en el cable neutro. Lo mismo es aplicable en el triple n armónicos (múltiplos impares de 3 veces la fundamental como 9^ª, 15^ª etc.). Estas corrientes armónicas son la principal causa de falsos disparos y el fracaso de relé de protección de fallo a tierra. También producen calor en el cable neutro así un sistema necesita un cable neutro más gruesa si tiene tercio contaminación armónica en ella. Si un motor se suministra una forma de onda de tensión con tercera contenido de armónicos en él, sólo desarrollará pérdidas adicionales, como la potencia útil viene sólo de la componente fundamental.

5. Normas de control de armónicos

La identificación de los armónicos como un problema en las redes de alimentación de CA, ha obligado a las empresas de servicios públicos y las autoridades reguladoras para idear las normas para los armónicos de seguimiento y evaluación. Las normas para el control de armónicos así frente tanto a los consumidores y la utilidad. Por lo tanto, si el cliente no está cumpliendo con las regulaciones y está creando distorsión de la tensión en el punto de acoplamiento común la utilidad puede penalizar a él / ella. Varios renombrados institutos de ingeniería como IEEE, IEC e IET han ideado leyes para limitar la inyección de contenido de armónicos en la red. Estas normas son principalmente útiles para lograr un sistema de calidad de la energía saludable fácil de usar. Estándares IEEE son ampliamente citados por su capacidad para hacer frente a todas las regiones del mundo. Hay más de 1000 Estándares de IEEE en los campos de ingeniería eléctrica. Estándares de IEEE en la calidad de energía, sin embargo, son nuestra principal fuente de inspiración aquí. IEEE estándar en control de armónicos en el sistema de energía eléctrica fue publicado en 1992 y cubre todos los aspectos relacionados con los armónicos [7]. En él se definen los armónicos distorsión máxima hasta 5 % en los niveles de tensión ≤ 69kV. Sin embargo, ya que los niveles de tensión se incrementan los límites permisibles para armónicos en la presente norma se reducen a 1.5 % sobre todo las tensiones ≥ 161 kV. También vale la pena mencionar que la distorsión de voltaje individuo comienza desde 3 % y termina en 1.0 % los niveles de tensión de 69kV y ≤ ≥ 161 kV respectivamente. Además de las normas que son teniendo en cuenta las necesidades globales diseñados, autoridades regionales elaboran sus propias normas de acuerdo a su perfil de la carga y de las condiciones climáticas. La mayoría de las normas se hacen de acuerdo a las necesidades regionales del país, mientras que unos pocos se basan en las necesidades y requerimientos globales. En Arabia Saudí no existe un organismo regulador que define los límites permisibles y procedimientos operativos estándar para la transmisión de electricidad, distribución y generación. Este cuerpo se conoce como la electricidad y la autoridad reguladora de cogeneración [38]. Además de la elaboración de normas que también siguen algunas normas definidas por los Emiratos Árabes Unidos las empresas de distribución de energía. Una de esas normas definidas por Arabia Electric Company (SEC) en 2007 y se conoce como "Arabia Código de la Red". Armónicos límite fijado por las autoridades saudíes es casi el mismo que el IEEE estándar, pero con un límite flexible, poco 3% THD para todas las redes que operan dentro de la gama de 22kV-400kV [35, 38]. Mesa 1 compara el estándar IEEE, la empresa de distribución de Abu Dhabi y la norma SEC para el límite de los armónicos en la red eléctrica. Es interesante mencionar que el estándar IEEE para el control de armónicos es silencio por las condiciones en las que un sistema está contaminado con inter-armónicos (frecuencias no enteros de la frecuencia fundamental). Para este tipo de utilidades condiciones de poder utilizar el número de la norma IEC 61000-2-2.El IEC también define las categorías para los diferentes dispositivos electrónicos en número estándar 61000-3-2. Estos dispositivos se someten entonces a diversos límites admisibles de THD. Por ejemplo, clase A tiene todo el equipo equilibrada trifásica, herramientas no portátiles, equipo de audio, dimmers para sólo la lámpara incandescente. El límite de la clase A se varía de acuerdo con el orden armónico. Así que para los dispositivos de la clase A de la corriente armónica máxima permitida es 1.08 A para 2^nd, 2.3A para 3^rd, 0.43A para 4^ª, 1.14A para 5^ª armonía. La belleza de esta norma IEC es que también es apto para el factor de potencia. Por ejemplo, todos los dispositivos de la clase C (aparatos de iluminación que no sea el más tenue de la lámpara incandescente) tener 3^rd límite de corriente de armónicos como una función de factor de potencia del circuito.

Los sistemas modernos basados ​​en técnicas de inteligencia artificial como la lógica difusa, ANFIS y cálculos basados ​​en CI están reduciendo la dificultad de minería de datos que ayuda en el rediseño de las normas para los armónicos de calidad de energía [24, 25]. En países desarrollados como Australia, Canadá, EE.UU. las empresas la distribución de energía están ya parcialmente desplazan a las redes inteligentes y están utilizando sofisticados sensores e instrumentos de medición.

En términos de medio ambiente de redes inteligentes estos sensores ayudarán a mitigar los problemas mediante la predicción de antemano. Red inteligente, tomando mediciones inteligentes y con la ayuda de algoritmos sofisticados será capaz de predecir los problemas de PQ como armónicos, corriente de falla de antemano. Es pertinente mencionar que el monitoreo de la calidad de potencia utilizando las tecnologías 3G en curso ha sido implementada por investigadores chinos. Utilizaron módulo de GPRS que es capaz de analizar los datos en tiempo real y su algoritmo hace que sea lo suficientemente inteligente como para obtener la información deseada PQ [22].

5. Medición de armónicos

El verdadero reto en un entorno contaminado armónicamente es entender y designar el mejor punto para la medición de los armónicos. Hoy en día la revolución en la electrónica ha jodido al sistema de aire acondicionado tanto que casi todos los usuarios en una utilidad es un contribuyente a la corriente armónica. Además, el perfil de la carga en cualquier área interna varía de una hora a otra dentro de un día. Así que para hacer frente a la demanda de energía y mejorar el factor de potencia, servicios públicos tienen que encender y apagar los capacitores de corrección del factor de potencia. Esta conmutación periódica y no uniforme también crea armónicos en el sistema. La información de la carga en un área aunque, proporcionar información básica sobre el orden de armónicos presentes en un sistema de. Esta información es muy útil, ya que ofrece una vista de pájaro de contenido armónico. Pero para la identificación exacta de los armónicos es necesario para sintetizar la forma de onda distorsionada usando el analizador de calidad de la energía o el uso de algunos osciloscopio digital para Transformada Rápida de Fourier (FFT). Por ejemplo Fig.3 muestra una síntesis general de la corriente consumida por un rectificador controlado. Una vez identificado, el nivel y tipo de armónicos (3^rd, 5^ª etc.) las medidas de mitigación se pueden idear. Se debe tener en cuenta que la medición adecuada es la clave para el diseño adecuado de los filtros de armónicos. Pero el nivel de armónicos puede ser diferente en diferentes puntos de medición en un sistema de. Por lo tanto, utilidades necesitan ser muy preciso en la identificación de el punto correcto para la medición de armónicos en un sistema. Entre las normas, es el estándar IEEE 519-1992 que describe los procedimientos operativos para la realización de las mediciones armónicas. Esta norma, sin embargo no establece ninguna restricción en cuanto a la duración de la integración de los equipos de medida con el sistema. Es sin embargo, limita la utilidad de mantener un registro de registros mensuales de la demanda máxima [5]. Varios dispositivos se utilizan en apoyo entre sí para llevar a cabo las mediciones de armónicos en un sistema. Estos incluyen los siguientes

Varias empresas de renombre están diseñando y produciendo excelentes analizadores de PQ. Estos incluyen FLUKE, AeMC, HIOKI, DRANETZ y Elspec. Estas empresas de diseño de una sola fase y tres analizadores de PQ de fase que son capaces de medir todas las frecuencias armónicas dominantes. El equipo que se utiliza para la medición de armónicos también está obligado a algunas limitaciones para la medición de armónicos adecuada. Esta limitación es de carácter técnico como para la medición exacta de todas las corrientes armónicas por debajo del 65^ª armónico, la frecuencia de muestreo debe ser al menos dos veces el ancho de banda de entrada deseada o 8k muestras por segundo en este caso, para cubrir los sistemas de 50 y 60 Hz [5]. En su mayoría, los analizadores de PQ se suministran junto con las sondas basadas CT pero dependiendo del voltaje y corriente a un diseñador puede elegir el CT y PT con amplio rango de frecuencias de funcionamiento y baja distorsión. La distancia de los equipos con el transductor es también muy importante en la medición de armónicos. Si la distancia es larga y luego el ruido puede afectar a la medición, por lo tanto los cables adecuadamente blindados como los cables de fibra óptica o cable coaxial son altamente recomendados por los expertos [5]. En breve, la medición de armónicos debe hacerse en punto de acoplamiento común (PCC) o en el punto donde se une la carga no lineal. Esto incluye los sitios industriales en especial, ya que son los contribuyentes principales en la inyección de corrientes armónicas en el sistema.

6. Armónicos purgar técnicas

Las técnicas han sido diseñados y probados para hacer frente a este problema de calidad de energía ya que el problema es identificado por los investigadores. Hay varias técnicas en la bibliografía que se refiere a la mitigación de armónicos. Todas estas técnicas se pueden clasificar bajo el paraguas de la siguiente

7. Conclusión

Este capítulo resume uno de los principales problemas de calidad de energía que es la causa de las muchas perturbaciones del sistema de energía en una red eléctrica. Las posibles fuentes de armónicos se discuten junto con sus efectos en los componentes del sistema de distribución incluyendo los transformadores, cambiar de marcha y el sistema de protección. Las normas reglamentarias para la limitación de armónicos y sus técnicas de medición también se presentan aquí. También se presentan las técnicas de purga de armónicos y diversos tipos de filtros de armónicos se presentan brevemente. Fortalecer la base de conocimientos, este capítulo también se ha discutido el control de armónicos mediante técnicas PWM. Por este capítulo hemos tratado de reunir la información técnica en este campo. Una comprensión profunda de los armónicos proporcionará a los ingenieros de servicios públicos de un marco que a menudo se requiere en la solución de los trabajos de investigación relacionados con los armónicos.