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ARMÓNICOS ELÉCTRICOS
La reducción, o la eliminación, de los armónicos eléctricos en una instalación no son un gasto sino una inversión que crea una fuente de ingresos. En la industria actual el caballo de batalla es la reducción de costes de producción, incluidos los costes por averías que ocasionan paradas e imprevistos, los armónicos son una fuente generadora de imprevistos y averías que en la mayoría de empresas se resisten a tratar, debido al desconocimiento generalizado que existe sobre este tema por parte de responsables y técnicos. Los armónicos son un problema severo en las instalaciones eléctricas, que se vuelve cada vez más importantes a medida que se incorporan más cargas con alto nivel de control y accionamientos de conmutación que generan consumos de cargas no lineales. Ignorar las anomalías eléctricas por motivos de ahorro tiene como consecuencia que, el coste de no hacer nada será mayor comparado con las soluciones.
ORIGEN DEL DAÑO Y PERJUICIOS QUE CAUSAN LOS ARMONICOS
Los armónicos y las distorsiones causan mal funcionamiento, averías, y anomalías intermitentes de difícil solución, mayores consumos de energía, además de producir calor adicional que empeora el funcionamiento de los aparatos eléctricos de potencia y de las tarjetas electrónicas de control de los PC, PLC, comunicaciones inalámbricas, sensores de medida, etc. Haciendo una comparación imprecisa, los armónicos son para el funcionamiento de los receptores eléctricos equivalentes a un veneno concentrado que los perjudica seriamente. Un dato relevante de los armónicos que no aparece en la mayoría de textos técnicos es que, en los Centros de Transformación el aparato transformador es un componente de la instalación muy sensible a los armónicos, los cuales generan mucha más temperatura en el interior del aparato transformador durante su funcionamiento. El calor que no se usa para realizar trabajo es energía desperdiciada que no debemos despreciar, y en los transformadores reduce sustancialmente el rendimiento eléctrico y su vida útil, y multiplica las averías del mismo, duplicándolas por cada aumento de diez grados centígrados en la temperatura, durante su operación (regla de los 10 grados, ecuación desarrollada por el premio Novel de química sueco Svante Arrhenius).
Respecto a los fenomenos asociados a los problemas eléctricos relacionados con armónicos destacamos los siguientes efectos como principales anomalías a corregir:
Los armónicos son producidos por dispositivos electrónicos que no tienen una respuesta lineal a las señales eléctricas, como los rectificadores, y los inversores. El origen de estos problemas se encuentra en la naturaleza de “las frecuencias” de los armónicos que son muy superiores a la frecuencia de la red de alimentación eléctrica, ello afecta principalmente a las capacidades o condensadores que se encuentran en toda clase de aparatos eléctricos de pequeña y gran potencia, y a los aparatos electrónicos, a las tarjetas de control, las cuales son fabricadas para funcionar a la frecuencia de la red de 50-60 Hz igual que todo el resto de receptores eléctricos de cualquier industria.
Existen condensadores en toda clase de aparatos eléctricos como variadores de frecuencia, fuentes de alimentación, PLCs, tarjetas de control, sensores, baterías de condensadores para la compensación de la energía reactiva, circuitos electrónicos, cargadores de vehiculos eléctricos, etc., es decir, existen condensadores de mayor o menor tamaño prácticamente en todos los aparatos de la industria eléctrica.
La raíz de los problemas que ocasionan los armónicos a los condensadores consiste en que los condensadores generan un consumo de corriente directamente proporcional a la frecuencia, o frecuencias que los alimenta, de modo que, por ejemplo, una frecuencia del doble de “hercios” producirá un consumo del doble de amperios en el mismo condensador, en este sentido, una frecuencia cinco veces la de diseño del condensador o del circuito que contiene el condesador, producirá un consumo cinco veces superior en el mismo condensador, lo cual puede generar anomalías en su funcionamiento, e incluso su destrucción.
Esto es debido a que la "Xc" (Reactancia Capacitiva) de los condensadores, se muestra inversamente proporcional a la frecuencia que alimenta al condensador, según la siguiente ecuación: Xc = 1 / (2 X Pi F C) el resultado es la "Reactancia capacitiva del condensador", es decir, la resistencia que el condensador ofrece al paso de una corriente de naturaleza alterna que cambia de polaridad, como la red eléctrica, y se expresa en "Ω" (Ohmios). En la ecuación anterior tenemos "F" que es la frecuencia en "Hz" (Hercios) que alimenta al condensador, y "C" que es la capacidad del condensador expresada en "F" (Faradios). Como C es la propia capacidad física del condensador, y por lo tanto es fija y no cambia, si cambiásemos F que es la frecuencia a la cual alimentamos el condensador, por ejemplo, con la onda eléctrica de un armónico, tendríamos un consumo en amperios de: U (voltaje compuesto por la alimentación) / Xc (reactancia capacitiva del condensador), es decir, cuanto más baja es la reactancia capacitiva del condensador, mayor es la corriente que consume. Al igual que el resto de aparatos eléctricos, los condensadores son fabricados con unas tolerancias para admitir una determinada sobre corriente sin que se "queme" el condensador. Para mejor comprensión pondremos un ejemplo referido al gráfico siguiente registrado durante un análisis de armónicos.
EJEMPLO DE SOBRE CONSUMO PROVOCADO POR LOS ARMONICOS EN UN CONDENSADOR
Como introducción para el siguiente ejemplo y para no extendernos en cáculos, resumiremos que la capacidad aparente de un condensador trifásico, por ejemplo, de 40 KVAR a 400 V para la frecuencia de la red de 50 Hz, es de 398 µF (micro Faradios) = 0,000398 F (Faradios).
El consumo nominal en amperios de un condensador trifásico para corrección de energía reactiva de 40 KVAR de potencia alimentado a la tensión de 400 V a la frecuencia de la red de 50 Hz, es de: 40 / (U X √³) X 1000 = 40 / (400 X 1,732) X 1000 = 57,74 A, si a este consumo sumamos el consumo adicional provocado solamente por los armónicos 5º, 7º, y 11º que aparecen en el gráfico del registro siguiente, la corriente consumida por el mismo condensador será de:
LLegados a este punto se puede pensar que instalando condensadores con una tensión de diseño 40% superior, los mismos podrán soportar el consumo adicional provocado por los armónicos, pues la mayor tensión nominal del condensador tambien provocará un consumo menor, pero también se ha de tener en cuenta que generarán menor potencnia reactiva, por lo cual esta medida no es efectiva, porque la potencia del condensador no disminuye de forma lineal con la tensión que lo alimenta.
Por ejemplo, un condensador de 40 KVAR nominales sobredimensionado en tensión un 40% equivale a que la tensión nominal de diseño del condensador es de 560 V, con esto tendremos que la potencia reactiva que devuelve un condensador de 40 KVAR a 560 V nominales, alimentado con 400 V es de: Q_efectiva (KVAR) = Q_nominal (U1 / U2)² = 40 (400/560)² = 20,41 KVAR, Como se puede ver, sobredimensionar los condensadores en tensión no es la solución que evita los problemas de los armónicos, y además, en el ejemplo anterior no hemos contado con las intensidades de los demás armónicos que no los hemos calculado, y que suman una buena proporción adicional de intensidades, lo cual incrementa aun más el consumo.
Grafico 1, Registro del análisis de armónicos aplicando los datos obtenidos al cálculo realizado anteriormente, obsérvese que el valor del THDV es de 9,3 %, lo cual significa que nos encontramos ante una magnitud de distorsión muy elevada que producirá con seguridad toda clase de anomalías y averías en la instalación eléctrica. Este registro se ha realizado hasta el orden de armónico Nº 50 = 2,5 KHz, sin incluir los Inter armónicos (armónicos intermedios), ni los armónicos de "AF" (Alta Frecuencia), estos últimos, aunque son de menor magnitud, son los que más perjudican a los circuitos electrónicos y tarjetas de control, por sus elevadas frecuencias que alcanzan el rango de "MHz" (Mega Hercios) y no se pueden medir facilmente.
Estas explicaciones y el ejemplo anterior se refiere a condensadores para la compensación de la energía reactiva, pero este ejemplo aplicado a los demás tipos de condensadores que existen en toda clase de aparatos eléctricos provocan que, con una magnitud elevada de armónicos los condensadores de las fuentes de alimentación, tarjetas electrónicas, PLCs, PC, aparatos de control de potencia, inversores, etc., en ocasiones se encuentren funcionando por encima del límite máximo de sobretensión y corriente que pueden soportar, y de ahí, que la duración efectiva o esperanza de vida útil de estos productos eléctricos y electrónicos no sea la esperada.
TASA MÁXIMA DE DISTORSIÓN ARMÓNICA
Atendiendo a la mayoría de fabricantes de condensadores y equipos eléctricos de todo tipo, éstos consideran que las distorsiones máximas por THDV (tasa de distorsión por armónicos de tensión) en cada caso son las siguientes:
<1,5 % No es problemática, es admisible o no necesita corrección, también se puede corregir antes de que evolucione a peor.
>1,5 %, y <3 % Necesita corrección.
>3 % y <5 % Es un problema severo que necesita corrección.
>5 % Es muy problemática y también es fundamental su corrección. Necesidad de aplicación del "Factor K" para desclasificación de potencia de los transformadores del CT.
>7,5 % Muy problemática o Peligrosa, se produciran averías de todo tipo con cierta facilidad, mayores consumos, calor excesivo, y mal funcionamientos intermitentes a los cuales no se les encuentra explicación coherente. Disminución drástica del "Factor K" de los transformadores de potencia del CT, mayor temperatura de operación en los conductores eléctricos, motores, etc.
Sin embargo, atendiendo a normas más permisivas, los límites de compatibilidad armónica seran los siguientes:
Consecuencias de la presencia de armónicos en la instalación
Para evitar estos fenómenos, las normas establecen un mínimo de calidad, que se fija limitando los niveles máximos de distorsión en la onda de tensión suministrada en el punto de acoplo a la red pública (PCC). Estos límites se denominan límites de compatibilidad. La siguiente tabla ofrece un resumen de dichos límites, en lo que se refiere a armónicos en redes industriales de BT. Las distintas clases mencionadas en dicha tabla corresponden a:
Tabla de límites de compatibilidad: Armónicos de tensión (Un%) en redes industriales de BT (IEC-61000-2-4)
RESONANCIA EN LOS CONDENSADORES (RIESGO SEVERO DE DESTRUCCION)
Después del cortocircuito, la "resonancia" es el fenómeno eléctrico más destructor de materiales eléctricos, que además puede provocar un siniestro.
Se produce resonancia de los condensadores cuando la reactancia capacitiva de los condensadores (Xc) iguala en magnitud a la reactancia inductiva de la instalación (XL), lo cual sucede con cierta facilidad en las instalaciones con cargas variables, que compensan energía reactiva mediante baterías de condensadores.
Funcionando en resonancia un circuito eléctrico consume la máxima intensidad "I" posible, solo limitada por la resistencia "R" de los conductores, es decir, se produce un gran aumento de la temperatura de forma inmediata en los materiales eléctricos que entran en resonancia. Después de ello solo podemos esperar que las protecciones contra sobre corriente actúen a tiempo.
En las baterías de condensadores con filtros de armónicos, se pierde capacidad en los condensadores por envejecimiento, causado por numerosos factores como la temperatura excesiva, baja calidad del dieléctrico de los condensadores, Tangente Delta de los condensadores elevada, micro cortes del suministro, sobretensiones, etc. Segun la ecuación para calcular la "Fr" (Frecuencia de resonancia) de un circuito eléctrico compuesto por LC (Inductancia y Condensador) Fr = 1/ 2π √ (LC), la pérdida de capacidad en los condensadores eleva la frecuencia de sintonía del filtrado LC compuesto por la inductancia "L" del filtro, y por la capacidad "C" del condensador. Esto hace que la frecuencia de sintonía del filtrado se eleve, acercándose peligrosamente a las frecuencias superiores de los armónicos, pudiendo entrar en resonancia los condensadores fácilmente, de hecho, cuando nos encontramos un condensador que dispone de filtro, averiado, casi siempre ha sucedido anteriormente una resonancia que ha destruido el condensador. Por lo tanto, las baterías de condensadores con filtro, mal calculadas, o construidas con componentes de baja calidad, e incluso con componentes de calidad normal, en las cuales solo se atiende al precio más económico, son una mala inversión.
Para prevenir estas situaciones, la única solución consiste en calcular una batería con filtros anti armónicos, construida con componentes sobredimensionados en calidad como, inductancias de muy bajas pérdidas, contactores sobredimensionados, y condensadores con una Tangente Delta muy baja. Como es de esperar, este tipo de componentes de calidad superior no se encuentran en los catálogos de baterías de condensadores estándar.
Gráfico explicativo de la "Fr" (Frecuencia de Resonancia). Cuando un circuito eléctrico entra en resonancia, la intensidad de corriente "I" (traza negra) crece casi hasta el infinito, limitada solamente por la resistencia "R" (traza azul) de los conductores del circuito eléctrico. Por lo tanto, se puede afirmar que la impedancia "Z" (oposición al paso de la corriente alterna) (traza roja) de un circuito eléctrico funcionando en resonancia es "casi" igual a la resistencia de los conductores de ese circuito, lo cual genera intensidades de corriente anormalmente elevadas debidas a la bajísima resistencia del circuito funcionando en resonancia.
Básicamente se puede concluir que el origen de las resonancias reside en los armónicos generados en nuestra instalación, causados por variadores de frecuencia, inversores fotovoltaicos, y en menor medida por los armónicos provenientes del suministro exterior. Para todos los tipos de armónicos, los condensadores individuales y las baterías de condensadores para compensar energía reactiva se comportan como amplificadores naturales de armónicos. Para que no suceda la amplificación de los armónicos producida por los condensadores de la batería de compensación de energía reactiva, se necesitan filtros adecuados más condensadores adecuados. Los condensadores individuales sin filtro, y las baterías de condensadores sin filtros, no pueden coexistir en la misma instalación con baterías de condensadores con filtros.
RIESGO PARA LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA, EL FACTOR K (PERDIDA DE EFICIENCIA)
En la siguiente imagen podemos ver la curva de potencia aplicable a un transformador de potencia de un Centro de Transformación en función de la potencia armónica (carga no lineal) presente en la instalación que alimenta el transformador, denominada (Factor K). Por ejemplo, si la carga no lineal de potencia armónica presente en la instalación es del 40 %, la potencia del transformador debemos desclasificarla según el grafico siguiente un 40 %. Esto significa, que, si disponemos de un transformador, por ejemplo, de 1.000 KVA de potencia nominal en el CT, aplicando la desclasificación de potencia por Factor K tendremos solo 600 KVA disponibles. No respetar la desclasificación de potencia por armónicos acarrea mayores consumos que no son fácilmente medibles, los cuales se muestran en forma de calor excesivo en el transformador, cuando en apariencia podemos creer desacertadamente que va sobrado de potencia si observamos mediciones de intensidad o potencia. Atendiendo a la temperatura máxima de funcionamiento que aparece en la placa de características de un transformador, cuando el mismo opera a la temperatura máxima mostrada en su "placa de características", quiere decir, que la suma de las cargas "no lineales" (cargas producidas por los armónicos) más las cargas lineales ( las cargas normales que no son producidas por los armónicos), en estas condiciones se extrae el 100 % de potencia del transformador, aunque en apariencia el transformador no opere sobrecargado, incluso aunque sus instrumentos de medida muestren menor carga, el transformador en realidad se encuentra en su límite máximo de carga. Al respecto de lo anterior, la temperatura máxima de operación de un transformador en baño de aceitr ronda los 65ºC, para los transformadores secos es menor. Los instrumentos de medida de parámetros eléctricos están diseñados para medir a la frecuencia de la red eléctrica de 50-60 Hz, por este motivo los instrumentos para medir difícilmente podrán mostrar parámetros eléctricos de los armónicos que tienen unas frecuencias muy superiores que la de red. Por este motivo con la proliferación del control de las cargas mediante la electrónica de potencia, la carga real de los transformadores está compuesta por la suma de las cargas lineales que son las que se pueden medir con facilidad, y por las cargas no lineales generadas en mayoría por los Variadores de Frecuencia, e Inversores Fotovoltaicos, alumbrado LED, fuentes de alimentación conmutada, SAI, etc.
Elevación de la temperatura de operación en los transformadores debido al Factor K
Los aislamientos eléctricos presentan una determinada rigidez dieléctrica que es dependiente de la temperatura de operación del material aislante, de modo que, por cada diez grados centígrados de aumento en la temperatura de operación del aislamiento, su rigidez dieléctrica se reduce a la mitad. Este hecho está avalado por todos los fabricantes de equipos de medida de aislamientos, y puede ser verificado facilmente midiendo la rigidez dieléctrica de un aislamiento cualquiera con una diferencia de diez grados centígrados. Un Factor K elevado en un transformador incrementa su temperatura de operación desperdiciando energía eléctrica que no realiza ninguna función, pero reduce la vida útil de los aislamientos. La reducción del aislamiento en transformadores que operan a mayor temperatura se debe a un aumento de la actividad de las "DP" (Descargas Parciales) en el interior del aislante, un aumento de las DP reduce considerablemente la vida útil del aislante, porque lad DP producen carbonización en los aislantes. En consonancia con la "regla de los diez grados" contenida en la ecuación desarrollada por Svante Arrhenius, premio Novel de qímica sueco, dicha regla confirma que, un aumento de diez grados centígrados en la temperatura de operación de una máquina, aumenta la probabilidad de averías, y reduce su vida útil a la mitad. De estos fenómenos eléctricos se desprende que es esencial, que los transformadores funcionen con la mínima tasa posible de armónicos para reducir las averías y prolongar su vida útil.
El calentamiento resistivo provocado por los armónicos es proporcional al cuadrado del orden armónico, por lo tanto, cuanto mayor es el número de armónicos de orden superior que existen, mayor es el efecto de calentamiento en en núcleo magnético de los transformadores y de los motores.
Un problema fundamental que se produce con las protecciones para los transformadores referido a protecciones de A.T. como de B.T. consiste en que las mismas no funcionan adecuadamente con presencia de armónicos. En efecto, los aparatos de medida habituales determinan el valor eficaz de la corriente midiendo el valor máximo de la onda de intensidad y dividiéndolo por el factor de cresta ( 2 ), o miden el valor medio y lo multiplican por el factor de forma (1,11) para ondas senoidales. Al dejar de ser la onda senoidal pura por causa de la deformación por distorsión armónica, la medida de los aparatos es errónea, quedando desprotegidos los devanados de A.T. y B.T. de los transformadores.
La industria actual ha incorporado una proporción considerable de accionamientos mediante VFs (Variadores de Frecuencia), inversores fotovoltaicos, PCs, SAI, y aparatos de todo tipo que realizan control de la potencia eléctrica rectificándola o modificando la forma de onda, esto provoca que el aumento de las cargas no lineales generadoras de armónicos haya aumentado igualmente en la misma proporción, donde los transformadores de potencia y las baterías de condensadores son los más perjudicados, funcionando en ocasiones en el caso de los transformadores a temperaturas muy por encima de las de diseño, sin haber alcanzado su potencia máxima nominal, nos referimos a la potencia máxima disponible en el transformador funcionando con cargas lineales a 50 Hz, para lo que el transformador está diseñado. Por estos motivos la esperanza de vida de los transformadores, incluso de los aparatos nuevos, no es la esperada, siendo frecuentes las averías mayormente en transformadores con más años de funcionamiento que alimentan cargas no lineales.
DEGRADACIÓN DEL ACEITE DIELÉCTRICO EN LOS TRANSFORMADORES, CAUSADA POR LOS ARMÓNICOS
DEGRADACIÓN DEL ACEITE DIELÉCTRICO EN LOS TRANSFORMADORES, CAUSADA POR LOS ARMÓNICOS
El aceite dieléctrico de los transformadores sufre un proceso de degradación causado por los armónicos de Alta Frecuencia de la red eléctrica, esto de debe principalmente a que en el interior de la cuba de los transformadores que operan con elevadas tasas de THD causadas por armónicos, las ondas de vibración que generan los armónicos de AF situados en el rango del espectro de frecuencias AE que abarca desde unos pocos KHz hasta cientos de KHz, e incluso varios MHz. Dichas vibraciones producen resonancias en las partículas del aceite descomponiendo las molecular aromáticas del aceite, este proceso genera descompuestos que no son aislantes, sino semiconductores, lo cual reduce la esperanza de vida de los aislamientos en los transformadores.
Proceso de restitución del aceite dieléctrico de un transformador por intercambio de partículas, observar el color del residuo del aceite en la mirilla del depósito que está muy oscuto, y el color del aceite a la salida del tratamiento realizado por el filtro en la verilla de nivel situada en la parte baja del mismo deposito, que a la salida está completamente "claro".
ESPECTRO DE FRECUENCIAS Y ANCHO DE BANDA DE LOS ARMONICOS
Grafico 2, Registro de análisis de espectro de armónicos de "AF" (Alta Frecuencia) analizado hasta el rango de frecuencias de 990 KHz, realizado en la misma instalación eléctrica del Gráfico 1 del análisis anterior. Conviene recordar que los armónicos de AF no se pueden medir con analizadores de redes eléctricas, ya que se encuentran fuera de su alcance en ancho de banda, por lo tanto los filtros del propio analizador de red introducen una gran atenuación.
Gráfico 3, Registro de Supraarmónicos / Inter Armónicos, del mismo modo que los armónicos de AF, en este caso los Inter Armónicos tampoco pueden ser medidos con analizadores de redes eléctricas convencional, debido al ancho de banda que en el mejor de los casos es de 80-100 KHz. Para realizar este tipo de análisis se necesita un analizador con ancho de banda de 20 MHz, para poden medir con precisión tensiones, intensidades, potencia, coseno, y formas de onda, en armónicos hasta el rango de 30 KHz. Los Inter Armónicos generan frecuencias cruzadas en combinación con los armónicos fundamentales produciendo distorsión adicional en la red eléctrica, que no puede ser medida con instrumentos convencionales. Este fenómeno es generado principalmente por la presencia de distorsiones elevadas de los armónicos fundamentales, sus consecuencias son, averías intermitentes de difícil o imposible diagnostico en placas electrónicas y circuitos de control sensibles como, PLCs, ordenadores, sensores, aparatos de comunicaciones, etc., y afectan a los controles de procesos de los PLCs que pueden verse afactados. Este registro ha sido realizado en la misma instalación eléctrica donde se realizó el registro anterior del Grafico 1.
Cuando la magnitud de la distorsión THDV producida por los armónicos es muy elevada como sucede en el caso analizado anteriormente, se crea un "plasma" de frecuencias que se cruzan unas con otras generando otras frecuencias que no existían, este fenómeno de denomina "intermodulación cruzada". En las instalaciones eléctricas con altos niveles de distorsión son frecuentes las averías de aparatos de gran potencia como, variadores de frecuencia para motores de elevada frecuencia, y máquinas de producción de "O³" (ozono), los cuales operan a frecuencias de hasta 400 Hz, donde las fuentes proveedoras de dicha distorsión THDV son los propios VFs cuando funcionan a elevada frecuencia y los generadores de O³. Las averías y mal funcionamientos suceden porque el plasma compuesto por los armónicos, Inter Armónicos, y armónicos de AF, es reinyectado en los embarrados y acometida de la instalación eléctrica que alimenta los VFs y los generadores de O³, amplificando las anomalías y generando mayores consumos de energía eléctrica, calor, ruido eléctrico, y averías, en las tarjetas de control de los propios aparatos que producen dichas distorsiones. A todo esto se le suma la amplificación que producen los condensadores de las baterías para corrección de la energía reactiva, en efecto, los condensadores son sensibles a la frecuencia como ya hemos explicado en el ejemplo anterior, provocando amplificación y mayor distorsión.
Como referencia tenemos que las distorsiones presentes en entornos industriales contaminados por armónicos, donde la mayoría del proceso productivo se realiza mediante el accionamiento con VFs, la distorsión THDV rondaba el 2,5% a 3,5%, siendo el caso que hemos estudiado anteriormente, el que mayor THDV hemos constatado hasta la fecha con 9,3%, dicha magnitud solo puede acarrear problemas frecuentes y averías, además de mayores consumos de energía.
EFECTOS DEL ESPECTRO DE FRECUENCIAS DE LOS ARMONICOS SOBRE LOS MOTORES
Los armónicos de secuencia negativa (2, 5, 8, 11, 14, etc.) desarrollan campos magnéticos y corrientes que giran en dirección opuesta al conjunto de frecuencias positivas, y los armónicos de secuencia cero (3, 9, 15, 21, etc.) no desarrollan un par utilizable, pero producen pérdidas adicionales en la máquina. La interacción entre los campos magnéticos de secuencia positiva y negativa y las corrientes producen oscilaciones torsionales del eje en los motores. Estas oscilaciones dan como resultado vibraciones del eje y, si la frecuencia de las oscilaciones coincide con la frecuencia mecánica natural del eje, se amplifican por resonancia y pueden producirse daños graves en el eje del motor.
Debido a que las corrientes armónicas se combinan y afectan el flujo giratorio de la máquina es necesaria más corriente para producir el mismo trabajo, por lo tanto, la eficiencia disminuye. Cuando se trabaja con motores alimentados con tensiones no sinusoidales, (cargas no lineales) debe tenerse en cuenta que no pueden operar a su capacidad nominal, debido a las pérdidas adicionales por conmutación que afectan al núcleo magnético. La imagen siguiente muestra el factor de reducción de la capacidad del motor de acuerdo con el factor de tensión armónica.
SECUENCIA DE GIRO DE LOS ARMONICOS
Los armónicos de orden (3n + 1) en tensión generan en los motores un campo giratorio en el mismo sentido de la componente de tensión fundamental de la red. Los armónicos de orden (3n - 1) en tensión generan en los motores un campo giratorio en sentido contrario al generado por la componente de tensión fundamental de la red.
Secuencia de giro de los armónicos en la red, La frecuencia Fundamental de la red eléctrica es de "50 Hz" (Periodos por segundo), esto quiere decir que la tensión cambia de polaridad 50 veces por segundo, en otros países la frecuencia fundamental es de 60 Hz. La secuencia de los armónicos puede ser "+" positiva, "-" negativa, y "0" cero. Los armónicos de secuencia negativa tienen un sentido de giro contrario a la secuencia de la Frecuencia Fundamental de la red. Esto quiere decir que la potencia de los armónicos de secuencia "-" negativa se opone al campo magnético creado por los motores para generar "par" de giro de su eje. Este fenómeno se traduce en pérdidas de energía y menor rendimiento mecánico de la máquina. Los armónicos de secuencia "0" cero producen "bloqueo magnético" del campo giratorio del eje de los motores, es decir no giran en ningún sentido, pero producen "frenado" del eje del motor. Los armónicos de secuencia "+" positiva como el armónico de orden 4º rara vez aparece, y cuando lo hace dispone de una potencia insignificante, por su parte el armónico de secuencia positiva de orden 7º suele disponer de poca potencia, lo cual hace que colabore muy poco con la frecuencia fundamental de la red.
Sentido de giro de los armónicos en un motor eléctrico.
LOS ARMONICOS Y LAS PROTECCIONES ELECTRICAS (DESPROTECCION)
La presencia de armónicos en las redes eléctricas industriales afecta a los aparatos de protección térmica y a los de protección diferencial, distorsionando su funcionamiento, lo que produce dos situaciones de desprotección diferentes:
A) Las protecciones contra sobre corriente no miden las intensidades adicionales que aportan los armónicos y por lo tanto, los relés de protección térmica y los interruptores de protección automáticos magneto térmicos, no ven las corrientes adicionales de los armónicos, lo cual provoca que dichas protecciones no sean 100% efectivas contra las sobrecargas de intensidad, y en ocasiones dichas protecciones se calientan en exceso sin motivo aparente, cuando en realidad lo que sucede es que circula por las mismas, sobre intensidades que no son medidas, las cuales no producirán el disparo de sus relés de protección, dejando desprotegidos a los receptores eléctricos que pretenden proteger. Esto sucede porque las protecciones contra sobrecargas de intensidad son diseñadas para responder a la frecuencia de la red eléctrica de 50-60 Hz que es donde se encuentran sintonizadas, y no a las frecuencias de los armónicos que son muy superiores.
B) Los armónicos producen disparos intempestivos de las protecciones diferenciales, debido a las corrientes capacitivas de Baja y Alta Frecuencia que son intrínsecas de los conductores eléctricos, de los filtros, y de todos los receptores eléctricos. Estas corrientes capacitivas en muchas ocasiones superan los umbrales de intensidad de defecto ajustados en las protecciones diferenciales para realizar el disparo. Como consecuencia indirecta de ello se suele "reajustar" con frecuencia el umbral de intensidad de la protección diferencial, elevando el ajuste del relé para que éste no dispare con facilidad, esto a su vez acarrea que el relé no dispare en presencia de fugas de corriente reales de menor magnitud que la del ajuste del relé, lo que provoca situaciones de desprotección. Esto sucede porque los transformadores de medida de corriente residual (transformador toroidal de medida de corriente diferencial) tienen un ancho de banda en frecuencia que en la mayoría de ocasiones cubre las frecuencias de los armónicos, y por esta causa las corrientes armónicas captadas por el transformador toroidal diferencial, llegan al relé de protección, provocando disparos intempestivos. Más adelante se exponen los detalles del ancho de banda en frecuencia de los transformadores toroidales diferenciales, mediante un "Ejemplo de solución".
INTERFERENCIAS ELECTROMAGNETICAS GENERADAS POR LOS ARMONICOS DE ALTA FRECUENCIA
Cuando se ponen en marcha variadores de frecuencia para el accionamiento de motores de pequeña o elevada potencia surgen siempre problemas con las tele comunicaciones, con las tele medidas, con las medidas realizadas por los sensores que captan señales sensibles de baja magnitud, y con el funcionamiento de las fuentes de alimentación que dan servicio a los PLCs de control. Esto se debe en gran medida a que los conductores eléctricos que transportan la energía eléctrica desde los VFs hasta los motores se comportan como antenas de emisores de radio de gran potencia, que radian energía al aire, y no en menor medida porque dicha energía es inducida por los conductores en las masas metálicas de toda la instalación, y es conducida por los conductores de puesta a tierra hacia todos los receptores de la instalación eléctrica. Hablamos de la energía de radio frecuencia, la cual no se puede eliminar instalando simplemente cables apantallados entre el VF y el motor, esto sucede por desadaptación de las impedancias del VF, los cables, y el motor, que son todas ellas diferentes, y no podemos adaptarlas. Estas anomalías producen armónicos de AF (Alta Frecuencia) y retornos de tensión entre el motor y el VF lo cual agrava este fenómeno incrementando el voltaje en el motor y en el VF, disminuyendo la esperanza de vida de los componentes de potencia del VF y de los aislamientos en el devanado eléctrico del motor. Los armónicos de AF se acoplan de forma inductiva en los conductores de la instalación eléctrica provocando desequilibrios de tensión que contribuyen a un mayor consumo de energía. Del mismo modo los armónicos de AF alcanzan a los condensadores de las baterías para corrección de le energía reactiva, provocando averías tempranas.
Las acometidas eléctricas de gran longitud que parten desde un VF a su salida, para alimentar al motor, son fuentes generadoras de graves problemas y anomalías eléctricas. Las inductancias de salida del VF y los cables apantallados solo pueden reducir en parte la magnitud de los fenómenos que se producen en la acometida al motor. Por ejemplo, en acometidas de gran longitud que parten de un VF para alimentar a una electrobomba sumergida en un pozo a gran profundidad, se producirá una magnitud de electrólisis muy elevada en la parte hidráulica de la electrobomba, y en menor medida en la parte motor. Además de lo anterior, el aumento de electrólisis también alcanza a la chapa del sondeo del pozo, mermando de forma acelerada su vida útil. Otro fenómeno no menos destructivo es, que las distancias largas de conductores eléctricos por los cuales son conducidas las formas de onda "PWM" que generan los VF durante su funcionamiento para alimentar al motor, provocan retornos de tensión que pueden llegar a alcanzar varias veces el voltaje nominal de la alimentación, esto degrada de forma acelerada, el aislamiento de los conductores eléctricos, el aislamiento del devanado del motor, y el aislamiento de los semiconductores de potencia del VF. Estas y otras anomalías que no hemos comentado ahora, que se producen en las acometidas de pequeña o gran longitud que parten de los VFs, tienen solución 100% efectiva y garantizada mediante la instalación de Resonadores Vectoriales instalados entre el VF y el motor. Los cables especiales apantallados de coste elevado, así como los cables balanceados, los filtros de salida de los VF, las puestas a tierra individuales para los VF, y las buenas prácticas para la instalación de los VFs. se convierten en gastos "inútiles" con la instalación de Resonadores Vectoriales, con éstos los cables pueden ser de cualquier longitud, no hacen falta cables apantallados, ni cables balanceados, ni filtros de salida del VF, ni puestas a tierra especiales separadas para el motor o el VF, tampoco se producen interferencias electromagnéticas de gran amplitud generadas por la acometida al motor, ni electroerosión en los rodamientos de los motores que son alimentados mediante VF. Más adelante se muestra un Ejemplo de solución, donde podemos comprobar la eficacia de los Resonadores Vectoriales.
SOLUCIONES
Existen varios métodos para reducir en parte la distorsión que producen los armónicos de pequeña o mediana magnitud a base de filtros pasivos, pero éstos reducen solo los armónicos individuales y producen otros fenómenos por intermodulación cruzada que también se deberían corregir, por lo cual no son 100% efectivos. Para las distorsiones elevadas solamente podremos tratarla, eliminando primero las amplificaciones que producen los condensadores de las baterías para la corrección de energía reactiva, instalando condensadores de muy baja inductancia con filtros dimensionados adecuadamente para desintonizar los condensadores con objeto de que éstos no amplifiquen los armónicos existentes, posteriormente la distorsión residual resultante podremos tratarla para eliminarla recurriendo a circuitos de potencia con resonancia vectorial activa. Para el caso de los disparos intempestivos de las protecciones diferenciales contra fugas de corriente a masa o tierra la única solución 100% efectiva para todos los casos consiste en instalar filtros diferenciales activos que se conectan en serie entre el transformador toroidal de medida diferencial (que mide la corriente de defecto por fuga a tierra), y el relé de protección diferencial, con objeto de que al relé solo le lleguen las fugas de las intensidades de corriente residual pertenecientes a la frecuencia de la red de 50-60 Hz. En Montajes Alhama S.L.U. somos expertos en proporcionar estas soluciones a la medida de sus necesidades, diseñando baterías de condensadores especiales que operan con cualquier magnitud existente de armónicos sin producir amplificación ni distorsión, las cuales garantizan un funcionamiento sin averías durante más de treinta años, funcionando en condiciones nominales. Igualmente podemos diseñar circuitos de potencia con resonadores vectoriales activos para eliminar las distorsiones producidas por los armónicos. Los filtros diferenciales activos constituyen la unica solución efectiva 100% frente al los disparos fortuitos de las protecciones diferenciales.
Ejemplo de solución
Imagen de Filtro Diferencial Activo instalado en serie con la protección diferencial de una planta de generación de energía eléctrica fotovoltaica de 500 KW. Antes de la instalación del filtro el ajuste del relé de protección diferencial no se podía bajar de 10 Amperios porque se producían disparos fortuitos a diario. Para que se hubiesen cumplido las condiciones reglamentarias mínimas de seguridad prescritas por el R.E.B.T. (Reglamento Eléctrico para Baja Tensión), para un ajuste de sensibilidad de disparo de 10 Amperios en el relé de protección diferencial, la resistencia de la puesta a tierra de protección nunca debería ser mayor que 0,1 ohmios que es un valor muy bajo, hecho que no se cumplía antes de la instalación del filtro diferencial activo, y que es improbable que pueda cumplirse, al menos de forma prolongada en el tiempo, porque aunque se hubiese conseguido bajar la resistencia de la puesta a tierra hasta los 0,1 ohmios, la resistencia de la puesta a tierra cambia por diversos factores y además no se encuentra un técnico realizando la medida de forma continua las veinticuatro horas del día. Actualmente el ajuste de sensibilidad de disparo del relé de protección diferencial en dicho circuito se encuentra en 0,3 Amperios, sin que hasta el momento se hubiese producido disparo alguno.
Ejemplo de solución
Desde que se instaló la planta fotovoltaica en una industria para ahorrar coste en energía eléctrica, venían sucediendo averías en los condensadores de la batería para corregir el factor de potencia de la instalación. Después de varios análisis realizados por diversos técnicos, a dichas averías en los condensadores no se les encontraba explicación coherente alguna, para poder evaluar cual era la solución. En respuesta a estos problemas Montajes Alhama S.L.U. instalo un Resonador Vectorial para eliminar los armónicos de Alta Frecuencia que eran los que provocaban las averías en los condensadores, desde entonces no se han averiado ningún condensador.
Ejemplo de solución
Análisis de respuesta en frecuencia de Filtros Pasivos de AF diseñados por Montajes Alhama S.L.U. para conectar en serie con las protecciones diferenciales. Este tipo de filtros elimina los armónicos y transitorios de AF que causan disparos fortuitos en los relés de protección diferencial.
Ejemplo de solución
A) Espectro de armónicos y forma de onda de la alimentación eléctrica a una electrobomba de 400 KW accionada mediante Variador de Frecuencia. Los motores eléctricos no son diseñados por los fabricantes para soportar de forma indefinida las formas de onda PWM que parten de un Variador de Frecuencia hacia el motor, por esta causa los motores que son accionados mediante VFs no alcanzan la esperanza de vida útil que tienen el resto de motores que no son accionados con VFs, que es del doble o más de vida útil, ello se debe a las sobretensiones de conmutación y a la elevada velocidad de ascenso y descenso de los voltajes PWM. Las formas de onda PWM generan toda clase de anomalías en el motor, y en el entorno. Estos problemas tienen solución instalando un Resonador Vectorial entre el VF y el motor como veremos a continuación.
Vista de la magnitud del espectro de armónicos y forma de onda PWM que llega al motor (medida en la Fase L1 del motor) cuando éste se encuentra en funcionamiento, antes de instalar un Resonador Vectorial. A la vista de las magnitudes que aparecen en todo el ancho de banda del espectro de armónicos, es evidente que se generan interferencias electromagnéticas "EMI" de gran amplitud en todas las bandas de frecuencias. También podemos comprobar que las formas de onda PWM suponen un "caos" para la alimentación del motor, pues ningún motor se fabrica para recibir semejantes formas de onda, las cuales se producen a millares en tiempos de subida y bajada de tensión extremadamente buscos, lo cual crea un estrés severo para el aislamiento de los devanados eléctricos de los motores que son accionados mediante VF, ello reduce drasticamente la vida útil del devanado.
B) Espectro de armónicos y forma de onda a la salida del Resonador Vectorial, instalado para el motor comentado en la imagen anterior (medida en la Fase L1 del motor). Como podemos ver en la imagen siguiente, la magnitud del espectro de armónicos se ha reducido considerablemente, y la forma de onda que llega al motor con el seno casi perfecto es la que se espera para un motor eléctrico que funciona con "AC" (Corriente Alterna).
Ejemplo de solución
La respuesta en frecuencia de todos los Transformadores Toroidales Diderenciales de cualquier fabricante "amplifican" la magnitud de las frecuencias de los armónicos de AF (Alta Frecuencia), además de amplificar las frecuencias de los armónicos de BF (Baja Frecuencia) superiores a los 50 Hz de la red eléctrica. Esto constituye un problema para la sensibilidad y respuesta de cualquier relé de protección diferencial, pues las señales de frecuencias que no deben provocar disparos del relé, resulta que son las que mayor potencia tienen a la salida del transformador toroidal de medida, y por lo tanto tambien son las que provocan disparos intempestivos del relé de protección diferencial con mayor facilidad.
En la imagen siguiente podemos ver la respuesta de salida de un Transformador Toroidal Diferencial bajo ensayo, realizando un barrido de Frecuencias comenzando en 50 Hz y terminando en 300 KHz (traza en color verde). Como podemos ver, la magnitud de la señal de salida del transformador toroidal aumenta con la frecuencia hasta llegar a 20 KHz, y después disminuye, pero queda por encima de la magnitud que tiene la frecuencia de 50 Hz. En esta ocasión en el análisis realizado a este transformador toroidal existe una "Ganancia" de 27,4 dB = 550 veces la tensión de orígen a la frecuencia de 20 KHz, en comparación con la frecuencia de 50 Hz de la red eléctrica, esto constituye un grave problema para los relés de protección diferencial, los cuales no puede distinguir de que señal se trata, es decir, el relé no puede discriminar si se trata de una señal de fuga de corriente por defecto de aislamiento a la frecuencia de la red, o son armónicos amplificados de cualquier frecuencia.
Fotografía del análisis de Respuesta por Barrido de Frecuencia, sin filtro, con el transformador toroidal diferencial conectado directamente al analizador.
En la siguiente imagen tenemos bajo ensayo al mismo Transformador Toroidal Diferencial del ensayo anterior, pero conectado a un filtro pasivo diseñado por Montajes Alhama S.L.U. a su salida. Podemos observar que la respuesta en frecuencia (traza en color verde) desde 50 Hz es completamente plana hasta llegar a 1 KHz donde comienza a disminuir, es decir, tiene (atenuación) hasta -100 dB a 3,5 KHz, el resto de la banda de frecuencias hasta los 300 KHz del ensayo ya no es de interés pues su magnitud ha caído anteriormente desde 1 KHz hasta alcanzar -100 dB, y el resto de frecuencias de AF son ya poco significativas. Gracias al funcionamiento de este filtro, al relé de protección diferencial no llegan señales amplificadas de armónicos de AF, que son las que mayor potencia y magnitud tienen, causada por acción de la amplificación proporcionada por el propio transformador toroidal diferencial. Con esta solución se elimina el 95% de los disparos fortuitos de las protecciones diferenciales, pues el relé de protección solo deberá atender a corrientes de fugas en una banda reducida de frecuencias de tan solo 1 KHz.
Fotografía del análisis de Respuesta por Barrio de Frecuencia, con filtro pasivo diseñado por Montajes Alhama S.L.U. (componente en color rojo) conectado a la salida del transformador toroidal diferencial.
Ejemplo de solución
Las baterías de condensadores normales, o condensadores sobredimensionados en tensión, no evitan la amplificación de los armónicos ni las resonancias a frecuencias armónicas que destruyen los condensadores. Para garantizar el 100% de inmunidad frente a los armónicos y resonancias, se deben calcular batería con condensadores del tipo HF, compuestas por filtros sobredimensionados en corriente para reducir al mínimo la generación de calor, la temperatura elevada es el mayor enemigo de los condensadores. En la imagen siguiente podemos observar el ensayo de respuesta en frecuencia de los filtros anti armónicos realizado por barrido SFRA, a una batería de condensadores del tipo HF, diseñada para funcionar en entornos con alta contaminación por armónicos. Las baterías de condensadores HF diseñadas por Montajes Alhama S.L.U. están calculadas y desarrolladas para funcionar en instalaciones con cualquier tasa de THD (Distorsión Armónica Total), sin que la distorsión afecte lo más mínimo a los condensadores de la batería, garantizando más de veinticinco años de funcionamiento sin averías.
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