2. PROBLEMÁTICA DE LA PRESENCIA ARMÓNICA EN LA RED. CAUSAS Y CONSECUENCIAS. 2.1 INTRODUCCIÓN Actualmente, y desde hace ya unos años se va presentando un aumento considerable de cargas no lineales que se conectan a la red, surgido por la aparición de nuevas tecnologías de índole electrónica que han desarrollado sistemas y dispositivos que consumen corrientes no sinusoidales y que vienen sustituyendo a equipos antiguos, dado el mayor rendimiento de los sistemas electrónicos, en detrimento de soluciones tradicionales para campos de la industria como accionamientos eléctricos ( variadores de velocidad arrancadores electrónicos), continuidad del servicio eléctrico ( SAI`S ), equipos de automatización y control industrial, así como equipos informáticos para industria y sectores terciario y doméstico, balastos electrónicos para la corrección del factor de potencia en elementos de alumbrado, controladores de flujo luminoso para alumbrado público, y demás cargas de tipo no lineal. Las corrientes absorbidas por estos equipos tienen una carga armónica que depende de la configuración interna de los mismos, y que básicamente provocan dos problemas: la deformación de la onda de tensión de suministro eléctrico, y con ello un empeoramiento notable de la calidad de la energía eléctrica, y en un segundo lugar, la aparición de diversos problemas de variado tipo en equipos eléctricos y líneas, tales como calentamientos excesivos de motores, transformadores y conductores, disparo intempestivo de protecciones sin causa aparente, vibraciones mecánicas en máquinas y diversos problemas que tienen todos su origen en la presencia armónica de la red. 2.2 CARACTERÍSTICAS DE DISTRIBUCIÓN ARMÓNICA EN LA RED. Las cargas no lineales, al ser alimentadas por una onda de tensión sinusoidal, consumen una corriente cuya forma de onda está distorsionada y tiene un contenido armónico. Esta característica provoca una gran diferencia
entre el impacto en la red eléctrica producido por este tipo de cargas, y el producido por las cargas lineales. En la figura 1 se presenta la corriente absorbida por un rectificador trifásico controlado. Figura 1. Se observa que la fase 1 al ser alimentada por una onda de tensión sinusoidal, absorbe una corriente que dista mucho a la de una carga lineal y que tiene contenido armónico. Dentro de un entorno industrial en el que se presenten cargas lineales con cargas de tipo no lineal, pueden presentarse problemas en diferentes puntos de la red debido a esta presencia armónica. Se debe de estudiar someramente la disposición de las cargas no lineales en una planta industrial u otro tipo de instalación, a fin de poder controlar y conocer los efectos de las cargas electrónicas en los diferentes puntos de consumo y distribución de energía eléctrica. En la figura 2 se observa como afecta una carga no lineal con contenido armónico, en este caso un rectificador trifásico, a un sistema de alimentación de energía eléctrica. Figura 2.
Se observa en la Figura 2, como la incidencia de la corrientes armónicas representada en la figura como Ih (t) dentro de la corriente de entrada Is(t), afecta al voltaje de alimentación u(t) proporcionado por el transformador de potencia suministrado en el cuadro general de baja tensión. Esta tensión u(t), se deforma bajo la acción de la impedancia de la red [1] y puede afectar al funcionamiento de los demás dispositivos implicados en la red de alimentación. La corriente de línea absorbida por el rectificador de 6 pulsos se puede obtener de la corriente media de salida del rectificador, usando la expresión: 2 Ir = 3 Id (2.1) donde: Id : valor de corriente continua de salida del rectificador Ir : valor del verdadero valor eficaz de la tensión de línea del rectificador El valor de la componente fundamental de la corriente de línea del rectificador viene determinado por la expresión: 3 I 1 = Ir (2.2) π En el caso de que la corriente de salida se pueda considerar idealmente como corriente continua limpia, la frecuencia de los distintos armónicos será n veces la frecuencia de la onda de corriente fundamental. En la siguiente figura se aporta un análisis espectral de la corriente de línea, donde se muestra la incidencia de amplitud que tiene la carga armónica presente.
Figura 3. Se observa que las diferentes amplitudes de los armónicos se relacionan con la amplitud del armónico fundamental, representando un porcentaje de la misma. Se aprecia que la incidencia de los armónicos disminuye a medida que aumenta el orden de los mismos, y para altas frecuencias su incidencia es despreciable. En este caso, los armónicos de orden 5 y 7 representarían un porcentaje a tener en cuenta para un filtrado y eliminación y mejorar la forma de onda de la corriente de línea. En la figura se muestra la forma de onda de la corriente de línea del rectificador, y como el armónico 5 se añade a la componente fundamental produciendo una forma de onda distorsionada. Figura 4.
Estas corrientes se propagan por la red de alimentación provocando diversos efectos como calentamientos en motores y transformadores, conductores, vibraciones mecánicas... En las inmediaciones de la carga o fuente no lineal, la distorsión será mucho más acentuada y se verá mitigada en puntos lejanos de la red de alimentación debido a la incidencia de la impedancia de red. 2.3 EQUIPOS CAUSANTES DE POLUCIÓN ARMÓNICA. En la actualidad hay una gran variedad de sistemas y equipos cuyo funcionamiento se basa en la conmutación de dispositivos electrónicos como transistores de potencia y tiristores, y que consumen corrientes no sinusoidales. Estos equipos son más frecuentes en la industria, utilizados para accionamientos eléctricos y control industrial, aunque la proliferación de los ordenadores personales, sistemas domóticos, etc... está favoreciendo la presencia armónica en redes de distribución para servicios terciarios y domésticos. Dentro del ámbito industrial, sector terciario y doméstico se pueden encontrar: Rectificadores controlados y no controlados para la conversión AC-DC. Su incidencia armónica en la red está ligada al tipo de carga que alimentan, generalmente inductiva. En la figura se presentan las topologías de los mismos y sus corrientes absorbidas. Figura 5.
Equipos para la conversión AC-AC. Dentro de estos se pueden encontrar los equipos para la regulación de corriente alterna por control de fase, empleados para la regulación de pequeños motores monofásicos y equipos de alumbrado por TRIACS y arrancadores electrónicos para motores trifásicos. Figura 6. Figura 7. Sistemas de variación de velocidad de motores trifásicos asíncronos basados en técnicas de conmutación PWM. Estos sistemas tiene actualmente un papel muy importante dentro del
campo de los accionamientos eléctricos, dado que permiten la regulación de velocidad del motor trifásico asíncrono, aspecto muy importante y que introduce ventajas de uso frente a los motores DC (anteriormente empleados en el campo de la tracción o de los accionamientos) debido a su mayor fiabilidad robustez y sencillez. La figura 8 muestra la topología general de estos dispositivos y su conexión con la red de alimentación y con el motor. Figura 8. En la figura 9, se presenta la tensión que es suministrada al motor por el variador de velocidad medida con un osciloscopio digital. Figura 9. Cicloconvertidores destinados para el control de la velocidad de motores trifásicos asíncronos de gran potencia. Permiten obtener una fuente de tensión AC variable en tensión y en frecuencia sin un paso intermedio a DC. Su incidencia armónica es elevada además de provocar interarmónicos, corrientes cuya frecuencia no es múltiplo entero de la fundamental.
Figura 10. Hornos de inducción y equipos de soldadura de arco. Estos equipos provocan una gran distorsión armónica además de flicker. Esto se debe a que son equipos que consumen una cantidad de energía grande en tiempos pequeños, básicamente cuando se produce el arco eléctrico. Ordenadores personales, industriales, plataformas de automatización, impresoras, instalaciones domóticas, equipos de alumbrado con arranque y compensación electrónicos... Este tipo de cargas funcionan con elementos en conmutación, y se van utilizando cada día más y son una fuente de polución armónica muy importante a considerar en las instalaciones presentes y futuras.
Figura 11. 2.4 MÉTODOS Y TÉCNICAS DE MEDIDA DEL CONTENIDO ARMÓNICO EN REDES ELÉCTRICAS. La gran proliferación de cargas no lineales (anteriormente expuestas), tanto en el sector industrial, como en el terciario y en el doméstico provoca que la corriente de estos dispositivos tenga un gran contenido armónico. Esto presenta un problema a la hora de realizar medidas tanto de tensión como de corriente en línea, ya que muchos dispositivos de medida no están preparados para medir un contenido armónico en una señal. Básicamente, cuando se habla del término valor eficaz de una tensión o de una corriente (valor RMS), se refiere al valor de AC equivalente [5] al valor de una corriente DC con la misma capacidad de disipación de energía en una resistencia. La manera más habitual de medir este valor eficaz con un multímetro convencional es rectificar la corriente AC, determinar el valor medio y multiplicar este valor por 1.1. Este factor representa la relación existente entre el valor medio y el valor eficaz de una señal sinusoidal perfecta y sin distorsión. Sin embargo si esta forma de onda no es perfecta no se puede aplicar esta relación. Para poder medir las corrientes y tensiones con contenido armónico, se necesita comprobar en primer lugar el tipo de señal presentada, para lo que sería recomendable disponer de un equipo que permita visualizar la forma de
onda, y usar un multímetro de verdadero valor eficaz (TRMS). Estos dispositivos utilizan técnicas de medida electrónica para proporcionar el verdadero valor eficaz de la señal que se pretenda analizar, independientemente que sea una onda sinusoidal perfecta o una onda distorsionada. Siempre que su factor de cresta (de la onda) sea inferior al factor de cresta del multímetro y teniendo en cuenta la especificación del ancho de banda del mismo. Existen a su vez índices y tasas proporcionadas por organismos de regulación de normativa (basados en la norma EN-50160) del sector eléctrico como el CIGREE que indican e informan sobre el contenido armónico de las corrientes: ( I 2)^2 + ( I3)^2 +... + ( In)^2 THD = (2.3) I1 donde: THD: tasa de distorsión armónica I2, I3,...,In : valor eficaz de cada una de las componentes armónicas de orden n. I1: valor eficaz de la componente fundamental de corriente. Estos índices y referencia a normas se tratarán con más detallen el capítulo 4. Además de los multímetros de verdadero valor eficaz existen en el mercado una serie de dispositivos denominados como analizadores de redes, que además de proporcionar el TRMS de una señal, permiten un mayor y profundo análisis, proporcionando distintos parámetros útiles para el control de la calidad de la energía eléctrica y numerosas herramientas para la realización de informes y documentos.
Figura 12. Como se puede apreciar en la Figura 12, estos dispositivos permiten una medida de la potencia activa, reactiva, factor de potencia, energía activa y reactiva, además de poder proporcionar un seguimiento de los armónicos hasta el 50º, y realizar representaciones espectrales de la señal con el fin de obtener la distribución de corrientes armónicas en una señal. 2.5 CONSECUENCIAS DE LA POLUCIÓN ARMÓNICA EN LA RED ELÉCTRICA. Todas las cargas, tanto lineales como no lineales sufren los efectos de ser alimentadas por una onda de tensión distorsionada, o por la existencia en una red de alimentación de corrientes armónicas. Esta distorsión será tanto más fuerte cuanto mayor sea la proliferación de las denominadas cargas no lineales, y algunos receptores son más sensibles [2] que otros a esta polución. Los armónicos de secuencia directa actúan en el mismo sentido que el sistema trifásico de alimentación, producirán una sobrecorriente en los motores y un sobrecalentamiento en los conductores. Los de secuencia inversa tienden a frenar los motores produciéndose calentamientos y vibraciones mecánicas, y los de secuencia homopolar no actúan sobre el funcionamiento de los motores, pero son especialmente peligrosos en sistemas trifásicos con neutro distribuido, ya que al estar en fase suman sus efectos y sobrecalientan los cables en especial el conductor neutro,
siendo especialmente peligroso el armónico de orden 3, provocando que se sumen las tres componentes de las fases en el neutro y por este circule una corriente tres veces superior a la de la fase. En las instalaciones eléctricas industriales y comerciales sólo existen armónicos de orden impar, ya que la señal suele ser simétrica, y no debería existir componente de corriente continua. A continuación se presenta una relación de los receptores más sensibles a la polución armónica. En el capítulo 4, se presentará la normativa de ámbito nacional e internacional que regula la presencia armónica en redes de distribución y alimentación eléctricas. Los receptores más sensibles y los resultados de su perturbación más comunes son: Motores síncronos: los armónicos provocan en ellos calentamientos suplementarios Transformadores: pérdidas y calentamientos suplementarios, aumento del sonido y vibración emitidos. Riesgos de saturación si se producen armónicos pares. Aumentos de pérdidas en el hierro. Motores asíncronos: Calentamientos suplementarios, principalmente en motores de jaula y en los de aletas. Pares pulsatorios que pueden producir vibraciones mecánicas perjudiciales. Conductores: además de la incidencia de las corrientes armónicas en el valor eficaz de la señal, las componentes de mayor frecuencia producen el efecto skin, reduciendo la sección efectiva de los conductores. Sobrecalentamiento de los conductores, disparos intempestivos de las protecciones. Ordenadores, impresoras, informática industrial: problemas de funcionamiento provocados, por ejemplo, por los pares pulsatorios de los motores (flicker). Electrónica de Potencia: problemas relacionados con la forma de onda: conmutación, sincronización. Reguladores, relés, contadores: mediciones falseadas, funcionamiento intempestivo, pérdida de precisión.
Mención especial aparte se merecen los condensadores o equipos convencionales destinados a la corrección del factor de potencia. Los condensadores son cargas lineales que no absorben carga armónica al ser excitados por una onda de tensión sinusoidal, pero presenta una impedancia baja ante componentes de frecuencia altas, lo que produce una amplificación de los armónicos existentes. Además, el condensador tiene un carácter de impedancia capacitiva, y toda la red eléctrica situada aguas arriba del embarrado al que está conectado en condensador en paralelo, se puede considerar como una impedancia inductiva (conductores, transformador), por lo que un sistema eléctrico que utilice condensadores para la corrección del factor de potencia se puede modelar según la figura. Figura 13. La asociación de impedancias inductiva y capacitiva en paralelo, provoca el fenómeno de la resonancia paralelo del sistema, por la cual, a una frecuencia determinada, el valor de la impedancia inductiva del sistema se hace muy alto.
Figura 14. En la figura, Z1 presenta la impedancia de la instalación sin condensadores, y Z2 con condensadores, la diferencia entre ambos valores es el factor de amplificación. La resonancia, puede provocar que aparezcan tensiones peligrosas en determinados receptores si la frecuencia de alguno de los armónicos es cercana a la frecuencia de resonancia del sistema. Como antes se ha mencionado, la presencia de los condensadores, no provoca armónicos, pero puede amplificar sus efectos. Al absorber las altas frecuencias, se amplifican sus efectos y esto puede ser perjudicial para los propios condensadores, reduciéndose considerablemente su vida de funcionamiento.