Armonicos Hernandez.ortiz

7/21/2019 Armonicos Hernandez.ortiz

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DEPARTAMENTO DE ELECTRICA Y ELECTRNICA

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS

ESPE

ARMONICOS

MATERIA:

Control Electrnico de Potencia

NOMBRE:

Critian !ern"nde# Or$ait Orti#


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Contenido%& TEMA...................................................................................................................3

'& OB(ETIVOS...........................................................................................................3

General...............................................................................................................3

Especficos........................................................................................................... 3

)& RESUMEN............................................................................................................. 3

*& ABSTRACT............................................................................................................ 3

+& DESARROLLO.......................................................................................................3

,& CONCLUSIONES..................................................................................................12

-& RECOMENDACIONES.......................................................................................... 12

.& BIBLIO/RAF0A&..................................................................................................13


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% TEMAARMONICOS CAUSAS Y EFECTOS.

' OB(ETIVOS General

Entender los motivos por los cuales se producen los armnicos para as lo!rar

determinar cmo in"luir para #ue sus e"ectos sean mnimos.

Especficos

O$servar cada una de las causas por las #ue se producen armnicos lo!ando

determinar cu%les son las "ormas de minimi&arlos.

Anali&ar la "orma en la #ue se "orman los armnicos determinando cu%l es su "orma"undamental ' los m%s importantes #ue lo con"orman.

) RESUMEN

La tensin senoidal cuya frecuencia es mltiplo entero de la frecuencia es mltiplo entro de

la frecuencia fundamental de la tensin de alimentacin en el sistema. El matemtico francs

Fourier, definio este fenmeno afirmando que cualquier seal peridica, por compleja quesea, se pueda descomponer en la suma de seales senoidales cuya frecuencia es mltiplo de

la frecuencia fundamental o de referencia.

* ABSTRACT

!e sinusoidal "olta#e $!ose frequency is an inte#er multiple of t!e frequency entered is a

multiple of t!e fundamental frequency of t!e po$er supply in t!e system. !e Frenc!

mat!ematician Fourier, defined t!is p!enomenon, statin# t!at any periodic si#nal, !o$e"er

comple%, can &e decomposed into a sum of sine $a"es $!ose frequency is a multiple of t!e

fundamental frequency or reference.

+ DESARROLLO


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INTRODUCCION&

En un sistema de potencia el(ctrica) los aparatos ' e#uipos #ue se conectan a (l) tanto por la

propia empresa como por los clientes) est%n dise*ados para operar a +, -, ciclos) con unatensin ' corriente sinusoidal. or di"erentes ra&ones) se puede presentar un "lu/o el(ctrico a

otras "recuencias de +, -, ciclos so$re al!unas partes del sistema de potencia o dentro de

la instalacin de un usuario. 0a "orma de onda e1istente est% compuesta por un n2mero de

ondas sinusoidales de di"erentes "recuencias) inclu'endo una re"erida a la "recuencia

"undamental. En la "i!ura 3 se o$serva la descomposicin de una onda distorsionada en una

onda sinusoidal a la "recuencia "undamental 4-, 5&6 m%s una onda de "recuencia distinta. El

t(rmino componente armnico o simplemente armnico) se re"iere a cual#uiera de las

componentes sinusoidales mencionadas previamente) la cual es m2ltiplo de la "undamental.

0a amplitud de los armnicos es !eneralmente e1presada en porciento de la "undamental.

0os armnicos se de"inen 7a$itualmente con los dos datos m%s importantes #ue les

caracteri&an) #ue son8

Su amplitud8 7ace re"erencia al valor de la tensin o intensidad del armnico)

Su orden8 7ace re"erencia al valor de su "recuencia re"erido a la "undamental 4-, 5&6. As) un

armnico de orden 9 tiene una "recuencia 9 veces superior a la "undamental) es decir 9 : -,

5& ; 3


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Yn ; @alor rms de la componente 4nt76 armnica.

n;An!ulo de "ase de la componente 4nt76 armnica cuando t ;,.

0os armnicos por encima del orden 9 son desprecia$les =3>.

0a cantidad de armnicos es !eneralmente e1presada en t(rminos de su valor rms dado #ue el

e"ecto calor"ico depende de este valor de la onda distorsionada.

ara una onda sinusoidal el valor e"ica& es el m%1imo valor dividido por ra& de . ara una onda

distorsionada) $a/o condiciones de estado esta$le) la ener!a disipada por el e"ecto Boule es la

suma de las ener!as disipadas por cada una de las componentes armnicas8

R I2

T=R I12

t+R I22

t+ . R I n2

t

ORI/EN DE LOS ARMONICOS&

En !eneral) los armnicos son producidos por car!as no lineales) lo cual si!ni"ica #ue su

impedancia no es constante 4est% en "uncin de la tensin6. Estas car!as no lineales a pesar de ser

alimentadas con una tensin sinusoidal adsor$en una intensidad no sinusoidal) pudiendo estar la

corriente des"asada un %n!ulo / respecto a la tensin. ara simpli"icar se considera #ue las car!as

no lineales se comportan como "uentes de intensidad #ue in'ectan armnicos en la red.

0as car!as armnicas no lineales m%s comunes son las #ue se encuentran en los receptores

alimentados por electrnica de potencia tales como8 variadores de velocidad) recti"icadores)

convertidores) etc. Otro tipo de car!as tales como8 reactancias satura$les) e#uipos de soldadura)

7ornos de arco) etc.) tam$i(n in'ectan armnicos. El resto de las car!as tienen un

comportamiento lineal ' no !eneran armnicos inductancias) resistencias ' condensadores.


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E1isten dos cate!oras !eneradoras de armnicos. 0a primera es simplemente las car!as no

lineales en las #ue la corriente #ue "lu'e por ellas no es proporcional a la tensin. Como

resultado de esto) cuando se aplica una onda sinusoidal de una sola "recuencia) la corriente

resultante no es de una sola "recuencia. Trans"ormadores) re!uladores ' otros e#uipos conectados

al sistema pueden presentar un comportamiento de car!a no lineal ' ciertos tipos de $ancos de

trans"ormadores multi"ase conectados en estrellaestrella con car!as des$alanceadas o con

pro$lemas en su puesta a tierra. ?iodos) elementos semiconductores ' trans"ormadores #ue sesaturan son e/emplos de e#uipos !eneradores de armnicos) estos elementos se encuentran en

muc7os aparatos el(ctricos modernos. Invaria$lemente esta cate!ora de elementos !eneradores

de armnicos) lo 7ar%n siempre #ue est(n ener!i&ados con una tensin alterna. Estas son las

"uentes ori!inales de armnicos #ue se !eneran so$re el sistema de potencia.

El se!undo tipo de elementos #ue pueden !enerar armnicos son a#uellos #ue tienen una

impedancia dependiente de la "recuencia. ara entender esto m%s "%cilmente mencionaremos

al!unos conceptos previos. Se 7a representado la variacin de la impedancia de una inductancia

respecto a la "recuencia. 0a "rmula #ue determina dic7a "uncin es la si!uiente8

D0 ; 0 1 1 1 p 1 "

An%lo!amente) se 7a representado la misma curva para una impedancia capacitiva.

0a "rmula #ue determina dic7a "uncin es8


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Xc= 1

(2f)C

O sea) a una determinada "recuencia pueden tener una impedancia constante pero su impedancia

vara en "uncin de la "recuencia) e/emplo 9 a -, ciclos) + a 3, ciclos) etc.) Filtros

el(ctricos ' electrnicos) servomecanismos de motores) variadores de velocidad de motores

tienen estas caractersticas. Estos tipos de elementos no !eneran armnicos si son ener!i&ados

con una tensin de una sola "recuencia) sin em$ar!o) si distorsionan la entrada) si e1iste m%s de

una "recuencia ' pueden alterar el contenido de armnicos. Estos elementos pueden miti!ar o

incrementar el pro$lema del contenido de armnicos. 0as dos cate!oras de e#uipos !eneradores

de armnicos) pueden ori!inar una interaccin comple/a en la cual la ener!a de los armnicos es

trans"ormada o multiplicada de una "recuencia a otra.

En la ta$la 3 se indican los elementos !eneradores de armnicos m%s comunes. En determinadas

circunstancias la so$recar!a o da*o de e#uipos pueden ser la causa de !eneracin de armnicos.

0a !ran cantidad de los armnicos en la ma'ora de los sistemas de potencia son !enerados por

los e#uipos de los usuarios.

0os usuarios residenciales) comerciales e industriales) tienen una !ran cantidad de e#uipos como

7ornos de microondas) computadoras) sistemas con control ro$tico) televisin) @CR) est(reos '

otros e#uipos. Todos estos e#uipos contri$u'en con la !eneracin de cantidades varia$les de

armnicos. A2n ventiladores el(ctricos ' simples motores de induccin tra$a/ando so$recar!ados

pueden contri$uir a la creacin de armnicos. 0as salidas de armnicos de estos m2ltiplesaparatos pueden sumarse ' ori!inar pro$lemas en el sistema de potencia.

0os sistemas de iluminacin del tipo l%mparas de descar!a o l%mparas "luorescentes son

!eneradores de armnicos de corriente. Una tasa del + G del tercer armnico es o$servada en

ciertos casos =3>. 0a tasa individual del armnico 9ro puede incluso so$repasar el 3,, G para

ciertas l%mparas "luocompactadas modernas =>) ' por tanto 7a' #ue prestar una atencin

especial en el c%lculo de la seccin ' la proteccin del neutro) 'a #ue este conduce la suma de las

corrientes de tercera armnica de las tres "ases) por lo #ue puede ser sometido a peli!rosos

so$recalentamientos si no es seleccionado adecuadamente.

0a impedancia de un reactor saturado est% variando con la circulacin de corriente a trav(s de

ella) resultando en una considera$le distorsin de corriente. Este es el caso por e/emplo de

trans"ormadores sin car!a sometidos a un so$revolta/e continuo.


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0as m%#uinas rotativas producen armnicos de ranura de ran!o elevado ' de amplitud

normalmente desprecia$le. 0as pe#ue*as m%#uinas sincrnicas son sin em$ar!o) !eneradoras de

tensiones armnicas de 9er orden #ue pueden tener una incidencia so$re8

El calentamiento permanente 4aun sin de"ecto6 de las resistencias de puesta a tierra del neutro de

los alternadores.

El "uncionamiento de los rel(s amperim(tricos de proteccin contra los de"ectos de aislamiento.

0os armnicos son atenuados de una manera normal a medida #ue la potencia el(ctrica es

adsor$ida. En raros casos pueden contri$uir a la potencia real #ue toma un motor pero es mu'

raro ' no presentan nin!2n e"ecto positivo) en !eneral los armnicos producen calor a medida

#ue circulan por los conductores ' aparatos el(ctricos. or otro lado cuando los armnicos se

com$inan con armnicos !enerados por di"erentes "uentes) pueden propa!arse a di"erentesdistancias.

Tabla 1.

Fuentes de frecuencia armnicas

Convertidores de AC-DC Elementos magnticos saturables

Hornos de arco AC-DC Capacitores en paralelo

Balastros de lmparas

fluorescentes

Variadores de velocidad de motores

Motores de induccin

sobrecargados

scilaciones de ba!a frecuencia

Convertidores multifase "roblemas de neutro

Capacitores serie


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Corriente de #nrus$

%ransformadores estrella-estrella

E$ecto en lo $iltro 1ai2o&

En los "iltros pasivos tam$i(n pueden aparecer pro$lemas de so$rees"uer&o del aislamiento por

so$retensin o so$recorriente en sus elementos componentes. Como estos "iltros son los m%s

empleados en la descontaminacin armnica de los sistemas el(ctricos de$ido a su $a/o costo

econmico ' "acilidad de operacinH tam$i(n se 7ace necesario tener en cuenta en el dise*o de

los mismos la presencia de armnicos.

E$ecto en lo e34i1o electrnico eni5le&

E1isten numerosos e#uipos modernos #ue son mu' sensi$les a los cam$ios producidos en el

volta/e de alimentacin de los mismos. Entre ellos est%n8 las computadoras) los modems) las

tar/etas de electrnica comple/a 4de captacin de datos) de comunicaciones) etc.6) las car!as

re!istradoras ' muc7os otros e#uipos dom(sticos ' de o"icina. Estos e#uipos al estar constituidos

por comple/as ' delicadas con"i!uraciones de elementos de $a/a potencia) necesitan de una

"uente de alimentacin mu' esta$le #ue les provea de un volta/e dc de ri&ado casi nulo. ara ello

necesitan de una "uente primaria de ac ' de un $lo#ue recti"icador con "uente de volta/e

esta$ili&ada. En al!unos casos este $lo#ue de alimentacin no posee el !rado de invulnera$ilidad

necesario para soportar ciertos !rados de distorsin de la onda de volta/e. or esta ra&n los

delicados circuitos son sometidos a variaciones nota$les en el lado dc de sus "uentes) a"ectando

el "uncionamiento de los mismos. Esta es la causa del rearran#ue de computadoras ' de la

p(rdida de control de las ca/as re!istradoras sometidas a volta/es altamente contaminados.

Adem%s) los e#uipos con alto nivel de inte!racin en sus elementos componentes #ue est(n

sometidos a volta/es distorsionados por armnicos durante prolon!ados perodos de tiempo)

pueden presentar da*os irrepara$les.

En el caso de los e#uipos #ue necesitan de un potencial de tierra nulo) si est%n conectados a

conductores de neutro por los #ue circulan corrientes de armnicos) entonces se ver%n sometidos

a volta/es de neutro a tierra ciertamente peli!rosos #ue pueden causarles da*os.

E1isten adem%s e#uipos electrnicos #ue necesitan sensar las ma!nitudes de "ase para tener una

nocin de tiempo con respecto a los comien&os de los perodos de las corrientes ' volta/es de

alimentacin. Normalmente $asan su "uncionamiento en la deteccin del cruce por cero de las


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ma!nitudes #ue c7e#uean. Cuando estas est%n sometidas a los e"ectos de distorsin de las car!as

no lineales) puede darse el caso de #ue apare&can cruces por cero de las "ormas de onda en

momentos #ue no coinciden con el cam$io de si!no del l$ulo 4positivo o ne!ativo6 de la onda

#ue se tome de re"erencia. Estas detecciones incorrectas pueden dar lu!ar a operaciones errneas' en al!unos casos al no "uncionamiento de los e#uipos #ue controlan.

E$ecto en lo tran$or6adore&

Aun#ue los trans"ormadores son dimensionados para la operacin con car!as de -, 5&) cuando

estos alimentan car!as no lineales evidencian un incremento nota$le en sus p(rdidasH tanto en las

de n2cleo como las de co$re.

Corrientes armnicas de "recuencias m%s altas provocan p(rdidas de n2cleo incrementadas en

proporcin al cuadrado de la corriente de car!a rms ' en proporcin al cuadrado de "recuenciade$ido al e"ecto pelicular. El incremento en las p(rdidas de co$re se de$e a la circulacin de

corrientes armnicas de secuencia positiva ' ne!ativa transportadas en los conductores de "ase

provenientes de car!as !eneradoras de armnicos mono"%sicas ' tri"%sicas) ' a la circulacin de

las corrientes armnicas triples de secuencia cero #ue son transportadas en los conductores

neutros desde las car!as monolineales !eneradoras de armnicos.

0os armnicos triples de secuencia cero se suman al!e$raicamente en el neutro ' pasan a trav(s

del sistema de distri$ucin 7asta #ue alcan&an un trans"ormador conectado en deltaestrella.

Cuando las corrientes de neutro de armnicos triples alcan&an un trans"ormador deltaestrella la

misma es re"le/ada dentro del devanado primario en delta donde circula ' causa

so$recalentamiento ' "allas en el trans"ormador.

E$ecto en el cond4ctor ne4tro&

El dise*o de circuitos ramales en el pasado 7a$a permitido un conductor neutro com2n para tres

circuitos mono"%sicos. 0a l!ica dentro de este dise*o "ue #ue el conductor neutro car!ara

solamente con la corriente de des$alance de las tres car!as mono"%sicas. Un conductor neutro

com2n pareca adecuado para las car!as ' era econmicamente e"iciente puesto #ue un in!eniero

de dise*o $alanceara las car!as durante el dise*o) ' un electricista $alanceara las car!as durante

su construccin. En muc7os e/emplos el conductor neutro se disminua en tama*o con respecto a

los conductores de "ase por las mismas ra&ones.

a/o condiciones $alanceadas de operacin en car!as mono"%sicas no lineales) el neutro com2n

de los tres circuitos mono"%sicos es portador de armnicos triples de secuencia cero) los cuales

son aditivos en el conductor neutro. a/o condiciones de des$alance) el neutro com2n lleva

corrientes comprendidas por las corrientes de secuencia positiva procedentes el des$alance del


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sistema) las corrientes de secuencia ne!ativa procedentes del des$alance del sistema) ' las

corrientes aditivas de secuencia cero procedentes de los armnicos triples. Un conductor neutro

com2n para tres circuitos ramales mono"%sicos) puede "%cilmente so$recar!arse cuando alimenta)

car!as no lineales $alanceadas o des$alanceadas.

0as corrientes e1cesivas en el conductor neutro provocan cadas de volta/es ma'ores #ue los

normales entre el conductor neutro ' tierra en las tomas de 3, volts. Esto puede desesta$ili&ar la

operacin del e#uipamiento electrnico sensi$le) tales como computadoras) #ue pueden re#uerir

de un recept%culo de tierra aislado.

0as $arras de neutro de la pi&arra de control representan el primer punto com2n de cone1in de

las car!as mono"%sicas conectadas en delta. Recu(rdese #ue las corrientes armnicas de

secuencia positiva ' ne!ativa) asumiendo car!as $alanceadas) se cancelan en cual#uier punto

com2n de cone1in. 0a $arra del conductor neutro tam$i(n puede so$recar!arse de$ido a lose"ectos de cancelacin de las corrientes armnicas de secuencia positiva ' ne!ativa entre los

conductores #ue sirven a di"erentes car!as.

Adem%s) las corrientes armnicas triples de secuencia cero "lu'en en los conductores neutros) a

pesar del $alance de las car!as. 0as corrientes armnicas triples solamente) pueden so$recar!ar

las $arras de neutro. En la pr%ctica) los conductores neutros de circuitos ramales individuales

portan corrientes armnicas de secuencia positiva ' ne!ativa provenientes de los des$alances de

"ase /unto a las corrientes de armnicos triples de secuencia !enerados por la car!a. 0as $arras de

neutro #ue son dimensionadas para llevar el valor completo de la corriente de la corriente

nominal de "ase pueden "%cilmente so$recar!arse cuando el sistema de distri$ucin de potencia

alimenta car!as no lineales.

Lo ar6nico 7 el e$ecto 1elic4lar&

El e"ecto pelicular es el "enmeno donde las corrientes alternas de alta "recuencia tienden a "luir

cerca de la super"icie m%s e1terna de un conductor #ue "luir cerca de su centro. Esto se de$e al

7ec7o de #ue las concatenaciones de "lu/o no son de densidad constante a trav(s del conductor)

sino #ue tienden a decrecer cerca de la super"icie m%s e1terior) disminu'endo la inductancia e

incrementando el "lu/o de corriente. El resultado neto del e"ecto pelicular es #ue el %rea

transversal e"ectiva del conductor es reducida a medida #ue la "recuencia es incrementada.

Mientras ma'or es la "recuencia) menor es el %rea transversal ' ma'or es la resistencia ac.

Cuando una corriente de car!a armnica esta "lu'endo en un conductor) la resistencia ante

corriente alterna e#uivalente) Rac) para el conductor es elevada) aumentando las p(rdidas de

co$re I Rac.


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Este es el e"ecto #ue provoca #ue numerosos e#uipos) a di"erentes niveles en los sistemas de

distri$ucin de potencia) se vean sometidos a so$recalentamientos e1cesivos. A ello contri$u'e

tam$i(n el incremento de las corrientes de$ido a la circulacin de los armnicos de las di"erentes

secuencias. Este so$recalentamiento es el #ue causa "allas por la p(rdida del nivel de aislamientoen motores) trans"ormadores) inductores ' alimentadores en !eneral.

E$ecto en lo condenadore&

0a impedancia de los condensadores disminu'e al aumentar la "recuencia. or tanto) si la tensin

est% de"ormada) por los condensadores #ue se usan para la correccin del "actor de potencia

circulan corrientes armnicas relativamente importantes. or otra parte) la e1istencia de

inductancias en al!2n punto de la instalacin tiene el ries!o de #ue se produ&can resonancias con

los condensadores) lo #ue puede 7acer aumentar muc7o la amplitud de los armnicos en los

mismos. Este "enmeno de resonancia puede ocasionar #ue sea per"orado el aislamiento de loscapacitores) provocando da*os severos. Esta per"oracin puede ocurrir tanto por picos de volta/e

como de corriente a trav(s de los mismos a2n cuando el dise*o $%sico 4a la "recuencia de

operacin6 prevea pocas posi$ilidades de "alla ante los picos de car!as operados ' a los niveles

de volta/e ' de corrientes esperados.

En la pr%ctica) no se recomienda conectar condensadores en instalaciones #ue ten!an una tasa de

distorsin armnica superior al .

E34e6a e34i2alente de 4na intalacin ti1o&

ara proceder al an%lisis armnico de una instalacin) se reali&a una modeli&acin de la red

considerando las car!as no lineales como "uentes de intensidad armnicas.

Se 7a representado una instalacin tipo en la #ue se 7an a!rupado todas las car!as de la

instalacin en tres tipos8

Car!as !eneradoras de armnicos.

Car!as no !eneradoras 4lineales6.

Condensadores para compensacin de la ener!a reactiva.

ara ver el !r%"ico seleccione la opcin J?escar!arJ del men2 superior

Modeli&acin de una instalacin tipo


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Se muestra el es#uema e#uivalente de la instalacin modeli&ada anteriormente visto desde el

$arra/e !eneral de $a/a tensin. Todos los elementos el(ctricos situados a!uas arri$a del $arra/e

de $a/a tensin 4el trans"ormador ' la impedancia de la red6 son vistos como una impedancia

inductiva.

ara ver el !r%"ico seleccione la opcin J?escar!arJ del men2 superior

Es#uema e#uivalente de la instalacin.

0a resonancia paralelo.

Como se muestra) aparece una impedancia inductiva 4trans"ormador) conductor6 en paralelo con

la $atera de condensadores.

Esta asociacin inductancia ' condensador en paralelo provoca el "enmeno de la resonancia

paralelo del sistema) por lo cual) a una "recuencia determinada) el valor de la impedancia

inductiva del sistema se 7ace mu' elevado. 0a representacin de la impedancia en "uncin la

"recuencia para un sistema #ue representa resonancia paralelo) donde tam$i(n se representa la

impedancia del sistema sin $atera de condensadores.

, CONCLUSIONES

?eterminamos #ue cual#uier se*al peridica se puede descomponer en varias se*ales m2ltiplos de la

"undamental #ue sumadas tenemos la se*al ori!inal.

0os armnicos !eneran car!as no lineales) #ue conectadas a la red el(ctrica alterna ' senoidal a$sor$en

corrientes no lineales ' cu'a amplitud ' "recuencia depende de la de"ormacin de la onda de corriente

al aplicar una tensin senoidal.

Una tensin senoidal cu'a "recuencia es m2ltiplo entero de la "recuencia "undamental de la tensin de

alimentacin del sistema.

Entre los principales causantes de distorsin armnica son las reactancias electroma!n(ticas '

electrnicas de alum$rado) e#uipos de soldadura el(ctrica) arrancadores electrnicos.

- RECOMENDACIONES


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Reali&ar una investi!acin previa de las caractersticas de los armnicos ' de cmo disminuir sus

e"ectos en las redes el(ctricas.

Tener conocimiento previo de al!unos conceptos para poder entender el desarrollo del tema.

O$tener los datos adecuados para no reali&ar so$recar!as en los conductores de$ido a los armnicos.

Anali&ar de "orma detallada el ori!en de los armnicos para determinar ' prevenir posi$les causas en

los di"erentes e#uipos electrnicos

.

. BIBLIO/RAF0A& 7ttp8KK.rtrener!ia.esKrtrK"ic7erosKarmonicosL,3.pd".

7ttp8KK,+.a$$.comK!lo$alKscotKscot3.ns"Kverit'displa'K+a9d-9,-a9c3+

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