Causas, efectos y soluciones para la distorsión armónica Déjanos tus comentarios

Los armónicos son una preocupación creciente en la gestión de sistemas eléctricos. Los ingenieros diseñadores y personal responsable buscan crear mejoras en su calidad. Estos fenómenos son generados por variadores de velocidad para motores de inducción.

La importancia de considerar los efectos de la distorsión armónica en las instalaciones eléctricas adquiere mayor relevancia debido a la proliferación de las cargas denominadas “no lineales”, como es el caso de los variadores de velocidad para motores eléctricos que accionan diversas aplicaciones en los sectores de la industria, calefacción y acondicionamiento de aire en edificios, infraestructura, etcétera. Este fenómeno contamina la red eléctrica de una instalación y puede afectar el funcionamiento de los aparatos conectados a ella cuando sobrepasa determinados límites. Hoy en día, se podría estimar que este tipo de cargas consume al menos entre 15 y 20 por ciento del total de los servicios públicos de distribución de electricidad, y en corto plazo se puede pronosticar que alcancen porcentajes muy superiores.

En contraste, durante décadas, los variadores de velocidad han demostrado los beneficios que aporta su implementación, sobre todo en las aplicaciones conocidas como “par cuadrático o variable”, como son las bombas centrífugas y ventiladores, donde, además de la capacidad para regular con sencillez los caudales o flujos, también es posible obtener ahorros de energía importantes e integrarlos en las arquitecturas de automatización.

Definición y expresiones para cálculo de armónicos

• Armónico. Componente de una onda periódica no senoidal, con una frecuencia entera múltiplo de la fundamental de la línea de alimentación
• Corriente RMS-Irms = I1 X ? 1+ THDi2
• Distorsión armónica total THD. Razón del valor RMS de la suma de todos los componentes armónicos hasta un orden especificado, sobre el valor RMS del componente fundamental:

THDi = ? i h52 + i h72 + i hn2
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I h1

• Armónicos característicos. Se basan en el número de rectificadores (pulsos) del circuito y se determinan mediante la expresión siguiente:
h = (n • p) ± 1

Donde: . n = número entero (1, 2, 3,..)
………… p = número de pisos o rectificadores

• Relación de cortocircuito Rsce. Valor característico de la relación entre la potencia de cortocircuito y la aparente, según IEC 61000-3-4 (-12). En el caso del estándar IEEE519, resulta del cociente entre la corriente máxima de cortocircuito disponible en el punto de conexión Pcc y la corriente de carga máxima fundamental.

Rsce = S SC = I SC
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S L I L

• Punto de conexión común Pcc. Localización en la cual se efectúan o calculan las mediciones de distorsión armónica de tensión y corriente. Estas mediciones o cálculos pueden realizarse en el primario y/o secundario del transformador conectado a la acometida. En plantas industriales, puede considerarse en el punto de conexión entre las cargas lineales y no lineales.
• Límites de distorsión THD. Normas internacionales que son tabuladas en función de la relación de cortocircuito (Rsce) en Pcc.

Tipos de cargas
De manera general, podemos clasificar las cargas en dos familias:

• Lineales. Aquéllas cuya forma de onda de la intensidad de corriente corresponde a la senoidal de la tensión de alimentación; por ejemplo: motores, bancos de capacitores, resistencias, etcétera.
• No lineales. De manera contraria a la familia anterior, ambas formas de onda son diferentes donde el consumo de la corriente se manifiesta con impulsos abruptos en lugar de una forma de onda senoidal. Este fenómeno se presenta debido a la conmutación de los dispositivos que contienen electrónica de potencia, como puentes rectificadores a base de diodos, tiristores, entre otros equipos.

Cómo generan armónicos los variadores de velocidad

Figura 1

En la figura 1, se muestra el esquema de un variador como fuente de tensión correspondiente a la etapa de rectificación con un puente no controlado en base a seis diodos (número de pulsos) y un capacitor conectado en el bus de corriente directa, el cual almacena campo eléctrico y filtra la señal para alimentar la etapa inversora para producir finalmente con tecnología de ancho de pulso modulado (PWM) señales de tensión y frecuencia variables para el motor. Sólo para fines informativos, se menciona que en el caso de los variadores en altas potencias, ya sean en baja o media tensión, es común la disponibilidad de diseños multi-pulsos, configurados en topologías de 12, 18, 24 y hasta 36, como método para la mitigación armónica.

Figura 2

La figura 2 presenta el proceso de carga de los capacitores conforme a la relación típica entre el voltaje y la corriente respecto del tiempo.

Figura 3

Las formas de onda mostradas en la figura 3 exponen los impulsos de corriente consumida por el variador (en rojo) en la fase 1 y corresponden al pico de voltaje entre las fases U12 (en morado) y U13 (verde), en ambas direcciones. Cada impulso de corriente inicia cuando la tensión de línea es mayor que la tensión entre las terminales del capacitor (+ / -).

La magnitud de los armónicos producidos por el variador depende de su diseño e interrelación con la impedancia del sistema de distribución, causando en menor o mayor medida la distorsión de la forma de onda de la tensión y afecta en diferentes formas a las otras cargas o dispositivos, dependiendo de su conexión, ya sea en serie o paralelo.

Cuando se analiza una instalación con varias cargas no lineales conectadas, se debe considerar la corriente individual de cada uno de los equipos y la combinación de las corrientes con las demás cargas, incluyendo las lineales.

La corriente con forma de onda distorsionada que fluye a través de la impedancia del sistema origina una caída de tensión o distorsión armónica de voltaje. Esta relación es proporcional a la corriente de falla disponible, así como a las características de su impedancia.

Efectos de la distorsión armónica
De acuerdo con la magnitud de este fenómeno, se pueden presentar efectos nocivos e ineficiencia en el sistema eléctrico de una instalación, lo que ocasionará desde operaciones espurias en alguno de los equipos conectados, hasta fallas severas en una planta. En términos generales, la presencia de estos fenómenos causa los efectos siguientes:

• Incremento del valor de corriente Irms, lo que genera sobrecargas, calentamiento y pérdidas suplementarias que aceleran su envejecimiento en cables de potencia, transformadores, bancos de capacitores
• Torques oscilatorios en motores y generadores
• Todos los aparatos y componentes eléctricos deben dimensionarse para la corriente Irms anteriormente mencionada
• Distorsión de la tensión de alimentación, causando perturbaciones en los equipos más sensibles
• Riesgos de resonancia con los bancos de capacitores para compensación del factor de potencia.

Estándares
El propósito de los modelos es asegurar que la distorsión del voltaje en Pcc sea reducida a los límites permisibles, de tal forma que no resulten afectados los demás consumidores conectados en el mismo punto de la red. Resulta conveniente la aplicación apropiada en cada caso; de otra forma, la consideración de límites demasiado estricta puede representar costos elevados para implementar su solución.

Rsce mínimo	Nivel de rango armónico In/Il*%				Distorsión armónica total permisible
	I3	I7	I11	I13	THD	PWHD
33	10.7	7.2	3.1	2	13	22
?120	40	25	15	10	48	46
* Il= corriente fundamental de referencia;
In= componente de corriente armónica.
En la tabla 1, se muestran los límites establecidos en la norma internacional IEC61000-3-12.

Soluciones
Existen diversas opciones para la mitigación armónica. Su selección apropiada radica en una variedad de factores:

Variadores con tecnología C-less. En combinación con un algoritmo avanzado, reducen el THD de corriente hasta en 35 por ciento. Son apropiados para aplicaciones HVAC

Reactores de línea o en el bus de CD. Solución eficaz para el diseño estándar o de manera opcional en los variadores de manera estándar, con potencias de hasta 500 kW

Multi-pulsos. Comunes para variadores con potencias mayores a 75 kW. La condición previa es la integración de un transformador con características específicas de construcción y diseño

Filtros pasivos. Consisten de reactores y capacitores sintonizados para determinadas frecuencias de resonancia con los armónicos que se desean abatir

Variadores de frente activo (AFE). Una de las mejores opciones concernientes a la mitigación armónica, limitando el THD (i) por niveles menores al cinco por ciento; adicionalmente, ofrecen la capacidad de regeneración de la energía para las cargas con torque arrastrante considerable. Particularmente, estos diseños están disponibles para potencias medianas y altas

Filtros activos. Es un método altamente eficiente de mitigación. Aporta beneficios importantes para evitar resonancias en equipos y mejora la disponibilidad de un sistema. Generalmente, se aplican para la mitigación de armónicos de manera global en una instalación.

La comprensión de la distorsión armónica, sus efectos, así como la interpretación apropiada de los estándares aplicables, aporta información útil para diagnosticar y elegir la solución más conveniente para su implementación en las instalaciones nuevas o existentes. A menudo, es posible encontrar más de una solución para una aplicación determinada o segmento de industria; para elegir la óptima, es conveniente evaluarla con base en el CAPEX y OPEX, además de incrementar la eficiencia energética.