¿Qué son los armónicos en los transformadores?

Answer 1

Para obtener información general sobre armónicos, wiki tiene un artículo bastante decente: Harmonic
En términos generales, un armónico es un múltiplo entero de la frecuencia original (fundamental).
Un transformador funcionará a la frecuencia de la red 50 o 60Hz. El problema es que la red en sí no está completamente limpia y no transfiere una onda sinusoidal pura.

La conmutación debida a cargas dinámicas es una de las principales causas de armónicos en una red eléctrica. Puede haber otras causas, como los rayos X del sol, el viento que mueve las líneas aéreas y otras fuentes de radiación EMG.

En particular, los convertidores de potencia tradicionales y algunos circuitos como los amplificadores de clase B pueden presentar muchos elementos que normalmente cambian el doble del período de la onda. Estos pequeños armónicos de conmutación, que generalmente son de un orden de magnitud mayor que la señal de potencia original (deben ser al menos 10 veces más pequeños) vuelven a la red y pueden hacer que los elementos basados ​​en inductores, como los transformadores, resuenen en las circunstancias correctas.

Las cargas “no lineales” incluyen variadores de velocidad, fuentes de alimentación ininterrumpibles, PLC, computadoras, impresoras, controladores de motores de voltaje reducido, rectificadores de estado sólido, equipos de calentamiento por inducción, iluminación fluorescente, HID, sodio y vapor de mercurio, hornos de arco, soldadura equipos, convertidores AC / DC y balastos electrónicos.

Esta es la razón por la cual los puntos de distribución de medio (10-40kV) y alto voltaje (110kV +) zumban a veces en lugar de producir una onda sinusoidal agradable y agradable. El zumbido se debe a la adición de estos armónicos.
Un ejemplo extremo de distorsión armónica. Si se pusiera tan mal en su casa, probablemente fallarían muchos electrodomésticos. Esta forma se debe a una serie de interferencias constructivas y deconstructivas con la onda principal.

Una forma de evitar que su equipo esté protegido contra estos picos de voltaje es tener una fuente de alimentación de corrección del factor de potencia activa, que desafortunadamente es muy costosa de diseñar para cargas pesadas como una secadora. Las computadoras portátiles y otros pequeños dispositivos electrónicos vienen con ellos hoy en día.

Las empresas energéticas asocian los armónicos con pérdida de eficiencia y caídas en la calidad de la energía.

Otros 2 ejemplos causados ​​por armónicos debido a un rectificador de silicio de conmutación (atenuador de luz) .

Como era de esperar, los armónicos más fuertes están en los multiplicadores enteros bajos:

De hecho, el problema es tan grave que los diseñadores de redes eléctricas tienen en cuenta un factor de disminución de la capacidad de los transformadores grandes [3] para tener en cuenta los picos transitorios en la energía.
Tenga en cuenta que los armónicos quinto y séptimo son muy fuertes en este gráfico. El siguiente video explica esto con mayor claridad de lo que podría (no podemos eliminarlos fácilmente a través de los métodos convencionales de energía trifásica).

Un voltaje más alto no suele ser un problema para los transformadores, pero definitivamente lo es una corriente más alta. las corrientes más altas sobrecalientan la delgada lámina del transformador que actúa como medio de transferencia de flujo magnético y puede causar delaminaciones locales que eventualmente conducen a cortocircuitos. Eso es malo. grado de explosión malo, seguido de un apagón prolongado en el área afectada. Los despachos de red monitorean la potencia activa y reactiva y el VI, reduciéndolo para encajar en la clasificación del transformador. Esto puede causar un apagón, pero es preferible al daño permanente.

Referencias
[1] Enm. J. Applied Sci., 3 (12): 2131-2133, 2006
[2] Análisis de distorsión armónica
[3] Pérdidas adicionales del transformador debido a armónicos
[4] Página sobre soluciones de Hammondpowers
[5] Página en Researchgate

Answer 2

A los fines de esta pregunta, estoy limitando la respuesta a los transformadores de potencia con núcleo de hierro.

Cuando se energiza un transformador de este tipo, la corriente de entrada típicamente contendrá grandes cantidades de armónicos pares e impares, siendo dominante el segundo armónico. He usado la palabra ‘típicamente’ porque la corriente de entrada depende de la relación del flujo magnético almacenado inicial en el núcleo antes de ser energizado (la orientación de los dominios magnéticos en el núcleo) y el punto en la forma de onda de voltaje en el instante Está energizado. Cuando el flujo almacenado está en oposición al flujo que satisface la ley de Faraday [matemáticas] e = d \ phi / {dt} [/ matemáticas], la corriente de entrada será grande en magnitud RMS y contendrá grandes cantidades de armónicos pares e impares . Cuando el flujo almacenado está alineado con el punto de la onda de voltaje que satisface la ley de Faraday, la corriente de entrada se minimizará en magnitud RMS y contenido armónico. Como puede ver, la corriente de entrada es una variable aleatoria que depende del flujo almacenado en relación con el punto de la onda cuando se energiza. El flujo almacenado es una función de los niveles de carga anteriores y el punto en la onda de voltaje cuando el transformador se desenergizó por última vez.

Después de que se ha energizado y alcanza una condición de estado estable, la corriente de excitación que fluye en el devanado primario contendrá armónicos impares solo con magnitudes que dependen del grado de saturación del núcleo de hierro. A medida que aumenta el voltaje de excitación, el núcleo se impulsa más hacia la región de saturación no lineal, lo que resulta en un mayor contenido armónico impar.

En condiciones de estado estacionario, un transformador monofásico contendrá 3, 5, 7, … armónicos; un transformador trifásico que tenga un primario en estrella delta o sin conexión a tierra contendrá 5, 7, 11, 13, etc. (sin múltiplos impares de 3); si el primario es una estrella en tierra, entonces contendrá todos los armónicos impares: 3, 5, 7 …

Si el transformador está suministrando cargas que también contienen armónicos, esos componentes también estarán presentes en el primario además de los armónicos de excitación.

Answer 3

Los armónicos son anormalidades del sistema de distribución de corriente alterna. No se limita a los transformadores y no es exclusivo de los transformadores. Si un sistema tiene armónicos, todo el sistema de distribución está expuesto a los armónicos.

En la imagen dada, la forma de onda del tercer armónico se muestra superpuesta a la forma de onda de potencia, que es una onda sinusoidal pura. Tenga en cuenta que dentro de un ciclo de la (fase específica) de la potencia principal, los armónicos completan 3 ciclos. De esta manera, puede haber 5º armónico, 7º, 9º hasta 37º y 49º armónicos registrados y observados.

Tales armónicos aumentarán la corriente en el circuito de fase y el circuito neutro. Esto provocará un sobrecalentamiento del equipo y una pérdida de potencia innecesaria en el circuito.

Los VFD, SMPS, rectificadores y tales componentes electrónicos estáticos son la causa conocida de la generación de armónicos en el sistema de distribución de energía.

Answer 4

En términos simples, los armónicos son las “frecuencias no deseadas”, o se puede decir que son las frecuencias distintas de 50 Hz.

Los armónicos son causados ​​por cargas no lineales, es decir, cargas que extraen una corriente no sinusoidal de una fuente de voltaje sinusoidal. Algunos ejemplos de cargas que producen armónicos son hornos de arco eléctrico, compensadores estáticos de VAR, convertidores de CC, elevadores, etc.

Answer 5

http://www.dw-inductionheating.com
Los armónicos son voltajes y corrientes de CA con frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental.
En un sistema de 60 Hz, esto podría incluir armónicos de segundo orden (120 Hz), armónicos de tercer orden (180 Hz), armónicos de cuarto orden (240 Hz), etc.

Answer 6

Lea el contenido de este enlace http://nptel.ac.in/courses/10810 …

Answer 7

Este video responderá a su pregunta por usted, mejor que yo dedicando tiempo a escribir una respuesta larga.