Puesta a punto para una mejor calidad de la energía

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1 Technology Review Filros del ercer armónico Puesa a puno para una mejor calidad de la energía Jouko Jaakkola La panalla de su PC parpadea, deja de parpadear, vuelve a hacerlo ora vez... Se raa de un fenómeno moleso que probablemene indica la exisencia de un problema armónicos de orden elevado y que se esá haciendo más frecuene a medida que la indusria y el comercio añaden a su invenario de cargas elécricas más equipos de elecrónica de corriene fuere y ordenadores, por no mencionar la iluminación fluorescene. Al mismo iempo, la proliferación de equipos elecrónicos en el pueso de rabajo ha converido en problemáico algo que el comercio y la indusria esperan y demandan: una energía de gran calidad. L os disposiivos elecrónicos de corriene monofásica, ales como ordenadores, impresoras, foocopiadoras, elevisores, equipos de elefax, sisemas de alimenación ininerrumpida e iluminación, son las fuenes principales de corrienes armónicas en conducores neuros. Las corrienes armónicas sobrecargan el cableado de la consrucción, aumenan las pérdidas de línea, reducen la capacidad del circuio y sobrecargan los condensadores empleados para la corrección del facor de poencia. Eso consiuye un problema especialmene en el conducor neuro, donde se acumulan las corrienes del ercer armónico que, generalmene, son las de mayor magniud en las fases. Incluso cabe la posibilidad de que las corrienes del ercer armónico ransporadas por el conducor neuro superen la corriene de los conducores de las fases. Los problemas relacionados con las corrienes armónicas de disposiivos elecrónicos monofásicos son más acusados en el comercio y en el secor de la elecrónica, donde la concenración de ese ipo de equipos es muy grande. Un problema adicional es que los sisemas elécricos de muchos edificios aniguos no fueron diseñados para soporar las oficinas acuales, basadas compleamene en la elecrónica. Un problema paricular de la mayoría de los disposiivos elecrónicos son las cargas no lineales, provocadas por las fuenes de alimenación conmuadas de los ordenadores y de oros equipos de oficina, y las fuenes consiuidas por un recificador puene y un condensador de filro. 46 Revisa ABB 3/2001

2 Transmission and Disribuion Esá embrujada su red? El número creciene de cargas elécricas no lineales que se insalan iluminación fluorescene, ordenadores, sisemas de alimenación ininerrumpida, equipos de soldadura, ec. esá haciendo senir su presencia de diversas maneras. Eso se debe a que generan armónicos, que pueden provocar problemas muy significaivos y con frecuencia difíciles de deecar para los demás usuarios conecados a la misma red elécrica. Pero qué son los armónicos, de dónde proceden exacamene y por qué consiuyen un problema? Qué son los armónicos puede decirse en pocas palabras: son múliplos de la forma de onda sinusoidal producida por el generador, que aparecen en el sisema elécrico. Por ejemplo, en una red en que la forma de onda fundamenal es 50 Hz, el ercer armónico es 150 Hz, el quino armónico 250 Hz, el sépimo 350 Hz, y así sucesivamene. Solamene son imporanes los armónicos de número impar, aunque odos los armónicos afecan a la forma de onda acual. El ercer armónico (150 Hz) y el quino armónico (250 Hz) son los que aparecen con más frecuencia. Generalmene las cargas monofásicas generan el ercer armónico, mienras que las cargas rifásicas son responsables del quino. (Los armónicos quino y sépimo se pueden filrar mediane los denominados circuios sinonizados pero hasa ahora no disponíamos de una forma económica de filrar el ercer armónico.) La carga elécrica deermina la corriene exraída del sisema, ya que la ensión de alimenación es esencialmene consane. Una carga lineal, como una resisencia óhmica, iene una impedancia consane y, por consiguiene, la corriene de carga que genera iene la misma forma de onda que la fuene de ensión y es perfecamene sinusoidal, siempre que la ensión de alimenación Onda de la fuene de ensión Onda de la corriene de carga Onda de la fuene de ensión Onda de la corriene de carga ambién lo sea. Por ora pare, una carga no lineal varía su impedancia, por ejemplo, cuando la ampliud del volaje cambia y, por lo ano, produce una corriene no sinusoidal y devuelve al sisema una onda de corriene disorsionada. Cargas no lineales ípicas son los ransformadores que funcionan cerca del puno de sauración y los recificadores de corriene. Dónde reside el problema? Desde siempre, los sisemas de disribución rifásicos, de cuaro hilos, que presan servicio a cargas monofásicas equilibradas han enido un conducor neuro común para llevar solamene un desequilibrio mínimo de corriene de las cargas. Sin embargo, en presencia de cargas no lineales monofásicas desequilibradas, el conducor neuro común puede llevar un exceso de corriene, debido al ercer armónico que se acumula en él. Por supueso, la sobrecarga del conducor neuro se puede eviar proporcionando a cada una de las fases un conducor neuro independiene y de sección adecuada de reorno al cuadro de alimenación, pero esa Inpedancia de la carga lineal Inpedancia de la carga no lineal es, obviamene, una solución poco económica. En un ejemplo de la vida real, se conecaron res PC de 120 V a un sisema rifásico de 208/120 V, un PC a cada fase. Cada PC consumía 1,2 A, pero el conducor neuro llevaba 2 A. Obviamene, exise un riesgo de incendio cuando se hacen pasar corrienes de inensidad muy ala por un conducor neuro de sección inadecuada, ya que no exise un fusible para proegerlo. Los problemas del ercer armónico se pueden eliminar mediane la insalación de un filro especial, como se comenó en ese arículo. Un cliene de ABB en Escandinavia que ha insalado recienemene un filro de ese ipo informa de un ahorro anual de unos dólares gracias a la reducción del consumo elécrico y a la mejora del rendimieno de los equipos. Y el elecrosmog generado por los equipos se ha reducido de forma especacular. Revisa ABB 3/

3 Technology Review 1 Las corrienes del ercer armónico se suman en el conducor neuro. Por ejemplo, una corriene del ercer armónico del 20% en cada fase (L1, L2, L3) asciende a un 60% en el conducor neuro () L1 L2 L3 L1 3.L1 L2 3.L2 L3 3.L Las fuenes de alimenación de modo conmuación conducen solamene pare de la semionda, de forma que el condensador de filro recibe una CA de impulsos no sinusoidal. Oros elemenos que generan corriene del ercer armónico son las lámparas de descarga, por ejemplo las luces fluorescenes y las nuevas lámparas de ahorro de energía. La corriene de la ercera armónica domina En sisemas rifásicos compensados, la corriene fundamenal y las de los armónicos 5º, 7º, ec. se anulan muuamene, mienras que las corrienes monofásicas del ercer armónico ienen el mismo decalaje de fase y, por consiguiene, se acumulan en el conducor neuro. Pueso que los equipos elecrónicos monofásicos generan corrienes armónicas elevadas, es posible que un sisema sufra problemas imporanes relacionados con los armónicos aunque la carga, en érminos de poencia aciva, sea relaivamene baja. La corriene del ercer armónico dominane puede añadir hasa 1 A por kw para equipos de iluminación y 4 A por kw para cargas de ordenadores, dependiendo de la impedancia del circuio de la red y de la concenración de la carga 1. Los armónicos, que, paradójicamene, son generados por las mismas fuenes que sufren la mayoría de sus consecuencias, provocan sobrecalenamieno, daños y pérdidas de poencia en los equipos. Además, generan campos elecromagnéicos y reducen la calidad de la corriene, haciendo que los aparaos sufran fallos de funcionamieno. Las corrienes neuras que se generan son lo basane grandes como para provocar incendios. Un esudio de casos recienes ha revelado que las corrienes neuras alcanzan valores de hasa A, mienras que las corrienes de fase compensadas sólo llegaban a 1000 A. El calenamieno debido a las corrienes armónicas puede hacer que se desconecen los inerrupores auomáicos y los fusibles. Pueso que los inerrupores auomáicos accionados por corriene residual son disposiivos elecromecánicos, las componenes de mayor frecuencia de la corriene se podrían sumar de forma incorreca, haciendo que los inerrupores auomáicos se desconecasen por error. Cuando exisen corrienes armónicas, por el circuio pasa más corriene de lo previso. Si los disposiivos y equipos elecrónicos disponen únicamene de sisemas de medición simples, las componenes de mayor frecuencia ambién podrían sumarse de forma errónea. Filros del ercer armónico: la forma renable de eliminar las corrienes del ercer armónico El filro de ercer armónico (THF) es un filro de resonancia en paralelo con una ala impedancia para la corriene del ercer armónico y una impedancia muy baja para la frecuencia fundamenal, an baja que al inroducir el THF en el conducor neuro sólo se aumena ligeramene el iempo de funcionamieno de los disposiivos de proección conra corocircuios y la impedancia del circuio de la red. La conexión en serie del THF en el conducor neuro ha sido paenada por ABB Conrol en Finlandia. El conducor neuro es el lugar lógico y más eficaz para insalar el THF, ya que es aquí donde las corrienes del ercer armónico se suman ariméicamene. Pueso que se raa de un elemeno pasivo, su nivel de ruido es muy bajo, y, dado que acúa como filro de bloqueo más que como filro de impedancia nula, no iene efecos negaivos sobre las señales digiales ni provoca inesabilidad o resonancia en la red. Una bobina de amoriguación incorporada garaniza que los elemenos del filro puedan soporar picos de ensión 2. El filro se insala en el conducor neuro o en el puno neuro del ransformador adyacene al panel de conmuación del sisema T-S 3. El THF esá equipado con 48 Revisa ABB 3/2001

4 2 El conducor neuro es un puno ideal para insalar el filro del ercer armónico (THF). Pueso que es un elemeno pasivo, el nivel de ruido es muy bajo y no provoca ninguna resonancia en la red. Gracias a una bobina de amoriguación incorporada, los componenes del filro pueden soporar picos de ensión. normas ales como la G5/3 del Reino Unido y la Conrad Emeraude en Francia ya han esablecido el límie de la corriene de THF emisión en 34 A y 4%, respecivamene, mienras que la IEEE 519 recomienda un 5% L R para los usuarios principales de la red. El THF puede reducir los niveles de emisión de los PCC de los consumidores en la red C pública, al iempo que reduce la disorsión de la onda de ensión en el puno de suminisro 4. un disposiivo de proección conra la corriene de desequilibrio fundamenal de 50 Hz y la sobrecorriene de 150 Hz. Aumeno de la capacidad de la red y reducción de las pérdidas de línea La corriene del ercer armónico en la red Reducción eficaz de las corrienes neura y de emisión Además de eliminar del orden del 95% del ercer armónico en el conducor neuro, el disposiivo THF ambién elimina la corriene de 150 Hz en los conducores de fase. Un reo imporane en el fuuro será manener los niveles de emisión en un nivel reducido en el puno de acoplamieno común (PCC); de BT (baja ensión) forma un bucle que se exiende, a ravés de los conducores de línea y los paneles de disribución, desde los disposiivos monofásicos hasa el puno neuro del ransformador y el conducor neuro, donde se induce en el devanado riángulo de MT (Media Tensión). En el esado equilibrado, la corriene del ercer armónico no se propaga a la red de MT, 3 Conexión del filro del ercer armónico (con unidad de proección) al puno neuro del ransformador Problemas provocados por los erceros armónicos Corrienes denro de la insalación Sobrecarga de conducores neuros Recalenamieno de ransformadores Disparo erróneo de inerrupores Sobredimensionado de los condensadores para corregir el facor de poencia Efeco Kelvin Recalenamieno de moores de inducción Corrienes en el puno de acoplamieno común Campos magnéicos Parpadeo de las panallas pero circula por el devanado riángulo, donde incremena las pérdidas resisivas y la emperaura de funcionamieno, al iempo que reduce la capacidad de carga efeciva. Las corrienes armónicas, que ienen una mayor frecuencia, ambién dan lugar a un aumeno de las pérdidas magnéicas en el núcleo y a un aumeno de la corriene parásia y de las pérdidas de efeco Kelvin en los devanados. L1 L2 L3 Transformador I O Tes PE Enrada THF 230 VAC PE 3 X 1.5 mm 2 PE Salida PE 10 A PE Cuadro general de disribución (PE) Ahorro de energía La reducción del componene del ercer armónico no sólo incremena la durabilidad de los componenes de la red, sino ambién reduce el componene de poencia y con ello la pérdida de esa. El propio THF consume muy poca poencia (la pérdida de poencia por unidad es de 40 W). Además de un menor riesgo de incendio debido a la sobrecarga del conducor, los usuarios ahorran coses gracias a la reducción de las significaivas pérdidas en el cableado, aribuidas a las elevadas corrien- Revisa ABB 3/

5 Technology Review 4 El programa ABB de filros para el ercer armónico, dimensionados para valores de enre 25 A y A, para ineriores y exeriores caracerísicas elécricas y de la carga real de las redes. Campos magnéicos A diferencia de los armónicos 5º y 7º, que se anulan unos a oros, la corriene provocada por el ercer armónico genera un campo magnéico alrededor de los conducores monofásicos y neuro. El THF miiga las corrienes monofásicas en el cableado de puesa a ierra de fase, conducor neuro y sisema de T-C. Mediane la reducción del componene del ercer armónico, el campo magnéico oal de un edificio de oficinas o de un edificio hospialario ípico se reduce en un 50% aproximadamene 5. es armónicas. En casos conocidos de concenraciones de cargas del ercer armónico se han medido ahorros de energía de enre un 4 y un 5%, lo que permie que el cose del THF se recupere en un plazo comprendido enre 3 y 10 años, dependiendo de las Especificación del filro El THF se dimensiona según el ransformador o fusible exisenes en el lado de la alimenación; el crierio de dimensionado es que dicho THF iene que soporar, en odas las circunsancias, los esfuerzos dinámicos y las ensiones érmicas en el puno neuro del ransformador o en el conducor neuro, independienemene de la magniud real de la carga aparene o reaciva o de la disorsión. Eso garanizará que el sisema permanezca esable a pesar de las variaciones de la carga. Los erceros armónicos y la ley Acualmene odos esamos familiarizados con las pegainas CE de los producos elecrónicos, un símbolo que nos dice que el disposiivo ha superado un ensayo: el disposiivo ha sido expueso a una radiación elecromagnéica enrane que se propaga por una amplia banda de frecuencias y que ha sido escuchado para deerminar qué frecuencias emie durane el funcionamieno. Se raa de una prueba de compaibilidad elecromagnéica (CEM) para la que exisen diversas normas que indican a los responsables de las pruebas los límies enre los que deberá funcionar el disposiivo. Sólo cuando se esé en conformidad con ellas, se puede uilizar el disinivo CE. CEI 1000, pare 3, párrafo 2 (IEC ) es la norma que esablece los límies para los armónicos que puede generar un disposiivo. Desde enero de 2001, odos los disposiivos que uilicen menos de 16 A deben cumplir esa norma o no podrán ser comercializados en la UE. Las normas para disposiivos que consumen corrienes mayores esán acualmene en preparación. Las Recomendaciones IEEE 519 para Armónicos, adopadas por muchos países no perenecienes a la UE, son similares a las CEI. A pesar de esas normas, exisen muchos millones de disposiivos que generan armónicos y que seguirán uilizándose durane las próximas décadas. A medida que la calidad elécrica de la red gane en imporancia y la buena calidad de la energía pase a ser un argumeno de vena, los filros descrios en ese arículo serán cada vez más relevanes como medio de luchar conra esos disposiivos elécricamene ruidosos. 50 Revisa ABB 3/2001

6 5 Gráfico de mediciones de campos magnéicos en diversos punos de un gran hospial. El filro de ercer armónico permiió alcanzar una reducción del 50% (gráfico azul). 6 Los filros de ercer armónico de ABB esán siendo insalados en el hoel Burj Al Arab de Dubai, uno de los nuevos complejos hoeleros más presigiosos del mundo. Las unidades de THF conribuyeron a reducir la emperaura del conducor, lo que permiió uilizar conducores vericales de menores dimensiones en las barras colecoras Insalaciones de referencia en odo el mundo Desde 1994, los THF insalados en odo el mundo en edificios de oficinas, salas de ordenadores, empresas de radiodifusión, indusrias de ransformación, hoeles 6, o en grandes complejos de iluminación o invernaderos han demosrado que reducen eficazmene la corriene neura en un 95% para un ahorro de energía ípico de un 4%. Mediane la mejora de las condiciones de la red, los coses iniciales de insalación de ese disposiivo generalmene se recuperan en un período de 3 a 10 años de duración. Para obener más información sobre el disposiivo THF descrio, visie la página hp:// También esá disponible un CD-ROM para ayudarle en la selección de diversas aplicaciones. Auor Jouko Jaakkola ABB Conrol Oy PO box 622 FI Vaasa, Finlandia jouko.jaakkola@fi.abb.com Fax: Revisa ABB 3/

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