Armónicos. Un disturbio del siglo XXI -15 técnicas.

Uno de los fenómenos más agudos que enfrenta la industria eléctrica actual es la generación de armónicos en las redes, los cuales son creados por las nuevas tecnologías electrónicas y de automatización. Contrarrestar este fenómeno es crucial, pues la permanencia de estos disturbios incrementa la velocidad de envejecimiento de los equipos, lo que puede desencadenar situaciones de riesgo para las personas, daños a los equipos, reducción de la productividad e inconvenientes financieros

La producción de los llamados armónicos o su efecto, denominado distorsión armónica (Total Harmonic Distortion: THD) es propio de la inmensa mayoría de los dispositivos de control y automatización, debido a que se alimentan por una forma de onda senoidal (señal de entrada), la cual es diferente de su forma de onda de salida, con la que ejercen su acción de control (señal de salida).

Típicamente, la señal de salida es una onda cuadrada, dentada o de cualquier otra forma, pero diferente a la onda senoidal que los alimenta. La consecuencia de esta no linealidad entre las ondas de entrada y salida es que los armónicos se superponen a la forma de onda senoidal original de 60 Hertz (Hz) y la forma de onda resultante es una deformación de la original. Dicha deformación será más grave en cuanto haya un mayor nivel de armónicos presente en la red eléctrica del usuario.

Esa distosión aumenta la intensidad de corriente que corre por la red eléctrica, ya que las corrientes armónicas generadas se suman a la corriente normal que fluye a 60 Hz. Entonces, tanto la deformación de la onda senoidal como la corriente agregada y no considerada originalmente en la red del usuario provocarán consecuencias y repercusiones, que van desde errores en el funcionamiento de dispositivos y equipos, hasta daños destructivos y riesgos potenciales para las personas.

Hace 20 años, cuando se emitió el estándar 519 de la IEEE, enfocado en la limitación de armónicos de las compañías suministradoras de la energía y de los usuarios, el disturbio armónico carecía de la intensidad y la diversificación que tiene hoy en día.

A quiénes afectan los armónicos

Este disturbio está presente en prácticamente toda red eléctrica, pero, en especial, en las redes de usuarios industriales, comerciales y, en menor medida, en los sectores agrícolas y de servicios.

Si bien estos sectores representan alrededor de sólo 12 por ciento de los usuarios

de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), en conjunto se erigen como el gran consumidor de la energía eléctrica del país, puesto que demandan 75 por ciento de la producción total de electricidad.

Dentro de este grupo, el sector industrial, por sí solo, representa menos de 1 por ciento de los usuarios, pero consume alrededor de 60 por ciento de la energía eléctrica que entrega la CFE. Respecto de este tipo de consumidores, es posible afirmar que en las redes eléctricas de la inmensa mayoría existe generación de armónicos.

Es importante decir que el fenómeno también existe en las redes de los usuarios domésticos, debido al uso de computadoras, servidores de internet, módems de televisión por cable, pantallas digitales, eliminadores de baterías, entre

otros; sin embargo, su consumo (24 por ciento de la facturación de la CFE), está diseminado en alrededor de 31 millones de usuarios, por lo que los efectos de los armónicos no son tan evidentes.

En general, los dispositivos que generan los armónicos presentan diferencias y no son los mismos en todos los casos. Por ello, el primer paso será distinguir- los e identificar las peculiaridades de cada uno, ya que la solución más adecuada dependerá del perfil de armónicos de la red eléctrica que se esté analizando.

Consecuencias de los armónicos

Esta singular anomalía provoca múltiples efectos nocivos que dependerán de la intensidad de las fuentes emisoras de armónicos. Entre ellos, existe una serie de consecuencias frecuentes:

• Funcionamiento erróneo. Esto afecta a tarjetas electrónicas, dispositivos electrónicos de control, dispositivos de pro- cesamiento de datos y electrónica de potencia; asimismo, se manifiesta como daños y errores de operación en PLC
• Riesgos de descarga eléctrica sobre usuarios o personal operativo. Se debe a que existen corrientes armónicas que, por sus características electromagnéticas, se suman en el neutro y pueden crear caídas de tensión de tal magnitud que la diferencia de potencial entre el hilo de neutro y tierra provoca una descarga sobre las personas. Además, dicho neutro no tiene habillitado ningún dispositivo de protección contra la elevación de temperatura que limite la corriente circulante en él, lo que sí sucede con los conductores de fase, cuya protección está prevista. Por otro lado, esa diferencia de tensión afecta el cero lógico de referencia y provoca calentamientos y errores de funcionamiento en los equipos electrónicamente sensibles
• Sobrecalentamiento. Se presenta como consecuencia de las sobrecargas de corriente en los equipos eléctricos, motores, transformadores y generadores. También se debe a que ciertos armónicos generados (los de secuencia negativa) fluyen en sentido contrario a los rotores. Esto provoca daños en flechas y motores
• Elevación de la temperatura del cableado eléctrico. Este fenómeno da como resultado la disminución del aislamiento (riesgo potencial de cortocircuito) y de su vida media, al tiempo que se incrementa considerablemente la pérdida de energía en forma de calor
• Daños en los capacitores de potencia de la red eléctrica y efectos de resonancia. Por una parte, amplifica y agudiza el nivel de distorsión armónica y, por otra, puede provocar daños irreversibles en los transformadores de potencia
• Sobrecalentamiento y pérdidas en los interruptores termomagnéticos y electro- magnéticos. Al presentarse la distorsión, se reduce su capacidad de aceptación de corriente en estado estable y la vida de los componentes aislantes, lo que provoca mal funcionamiento o fallas, con implicaciones de riesgo productivo por interrupciones o paros imprevistos. De igual manera, genera daños en fusibles

Armónicos de secuencia cero

Estos armónicos también se conocen como armónicos triples o triplens, ya que son múltiplos de tres: H3, H6, H9, etcétera. Tienen la peculiaridad de sumarse en el neutro, por lo que podrían ocasionar situaciones de riesgo para los seres humanos, pues su presencia en el neutro ofrece la posibilidad de una descarga sobre algún usuario o personal operativo.

La suma de corrientes de secuencia cero en el hilo del neutro o en redes con muchas cargas monofásicas no lineales (como computadoras personales) puede ser, inclusive, mayor que la corriente que conduzca cada una de las fases. Esto provoca normalmente una elevación excesiva de temperatura del neutro, lo cual es un factor de riesgo importante, ya que no se dispone de un dispositivo de protección para dicho conductor que limite la corriente circulante en éste, lo que sí ocurre con los conductores de fase que son protegidos generalmente por medio de un interruptor termomagnético.

Técnicas para contrarrestar los armónicos

• Reactores de choque, reactores de línea o reactores de rechazo. Aplicación: protección de variadores de velocidad, variadores de frecuencia o drivers de frecuencia variable.

Es bastante frecuente encontrar en las redes eléctricas motores gobernados por variadores de frecuencia o varia- dores de velocidad angular, con recti- ficadores de seis pulsos (son los más usuales y rectifican dos veces en cada ciclo cada una de las tres fases). Estos dispositivos generan niveles de distor- sión armónica (THDI, por sus siglas en inglés) de alrededor de 45 por ciento en la onda de corriente.

Una manera de atenuarla consiste en incorporar reactores de choque, también conocidos como reactores de rechazo o reactores de línea. Éstos se colocan configurados en serie entre el tablero eléctrico de alimentación y el variador de velocidad.

Debido a que es común encontrar grupos de motores y variadores operando en paralelo, se recomienda que cada uno de ellos contenga su propio reactor de choque para impedir el flujo de los armónicos provenientes de los demás variadores. Dichos reactores pueden amortiguar mesuradamente las corrientes armónicas desde 4 hasta 10 por ciento. Como el reactor se conectará en serie con el variador de frecuencia y con el motor, será necesario dimensionarlo tomando como referencia la intensidad de corriente del circuito.

• Filtros de choque, filtros de rechazo de H5, H7, etcétera. Aplicación: protección de capacitores, eliminación de resonancias, elevación del factor de potencia (FP).Este tipo de filtros se forman al conectar en serie un reactor de inductancia L con capacitores C para formar un circuito LC sintonizado a una frecuencia inferior a la de la armónica significativa que se quiera rechazar en el sistema. Por ejemplo, para mitigar la quinta armónica, el reactor se sintoniza con el capacitor alrededor de la cuarta armónica (normalmente a la 4.2; es decir, a una frecuencia de 4.2 x 60 Hz = 252 Hz). Esta composición hace posible el rechazo e impide que los capacitores absorban una corriente armónica excesiva, y evitará resonancias que amplifican los niveles de distorsión armónica y elevará el FP de la red eléctrica, propiciando el mejor aprovecha- miento de la energía que le entrega la CFE al usuario. Así, se evitarán recargos por un FP inferior a 90 por ciento y podrá obtener bonificaciones por valores superiores a dicho porcentaje.Este tipo de equipos se manufactura usualmente en pasos o bloques estándar de 12.5 kVAr, 25 kVAr, 50 kVAr, 75 kVAr o 100 kVAr, que al adicionarse entre sí proveen la potencia total que requiere el arreglo. La frecuencia de los filtros de choque manufacturados en México común- mente se sintoniza para rechazar el armónico H5, pero también se puede solicitar que el arreglo rechace H7, ya que ambos armónicos son de los que aparecen con mayor frecuencia. El cálculo se efectúa tomando en cuenta la capacitancia del condensador y la inductancia del reactor para cada paso o bloque que conforme el conjunto de filtrado. Este tipo de equipos se conecta en paralelo al tablero eléctrico que alimenta a la carga no lineal. Si se emplea para elevar el FP de la red, se suele conectar, también en paralelo, al tablero eléctrico general del inmueble.

• Filtros de absorción. Aplicación: eliminación de armónicos y resonancias y protección de capacitores. En este caso se instalan reactores en serie con los capacitores, pero sintonizados justo al valor exacto de la frecuencia armónica más significativa existente en el sistema. El diseño tanto de capacitores, como de reactores, debe permitir el paso hacia ellos mismos de toda la energía que fluye por el sistema para cada armónico, ya que, al presentar una impedancia casi nula a la frecuencia sintonizada, cada sección del filtro se comporta como un sumidero de energía que puede fallar si no se dimensiona correctamente. Los filtros de absorción son una opción mucho más costosa que los filtros de rechazo; no obstante, si están bien diseñados, permitirán mitigar los armónicos de la red a un nivel despreciable o manejable, además de proteger a los capacitores, evitar resonancias, mitigar armónicas en el sistema y corregir el FP a frecuencia fundamental (60 Hz).

• Filtros de absorción + reactores de choque.Aplicación: protección de variadores de velocidad, variadores de frecuencia o drivers de frecuencia variable. En el caso de un grupo de variadores de frecuencia conectados en paralelo en el que se requiera bajar más el nivel de distorsión provocado por aquéllos, es recomendable adicionar a los filtros de absorción los reactores de choque en cada uno de los circuitos en paralelo (ver Figura 3). El filtro de absorción se conecta en paralelo entre el reactor de choque y el variador de frecuencia. El reactor de choque facilitará la operación de los fil- tros de absorción al aumentar la impe- dancia de la fuente emisora y además contrarrestará el flujo armónico prove- niente de los otros drivers de frecuencia variable conectados en el arreglo.Existe un patrón que relaciona las armónicas con su respectiva secuencia, el cual toma en cuenta los ángulos de desfasamiento o retraso de 120 grados entre fasores (ver Tabla 4 y 5).

Órdenes de los armónicos de secuencia positiva, negativa y cero

Las armónicas de secuencia cero que provienen de la carga quedan bloquea- das, recirculando por el devanado en delta, ya que esta configuración carece de neutro; sin embargo, habrá que tomar en cuenta que si la red contiene capaci- tores pueden presentarse resonancias, por lo que será conveniente tomar en cuenta la inductancia del transformador.

• Transformadores estrella-delta. Aplicación: bloqueo de la tercera armónica (H3) y de las armónicas de secuencia cero (H9, H15, H21, etcétera). En este tipo de arreglo se incorpora un transformador configurado en estrella- delta. Su lado primario (de la fuente) está configurado en estrella y el secundario (de la carga) en delta. Las armónicas de secuencia cero que provienen de la fuente se descargan hacia el neutro o bien recirculan por el bobinado del secundario en delta.

• Transformadores de aislamiento. Aplicación: protección contra disturbios eléctricos generales y reducción del nivel de dis- torsión armónica (THD). Son dispositivos de protección eléctrica general que evitan la transferencia de disturbios entre dos secciones de una red eléctrica. Normalmente son transformadores con relación 1:1 entre sus devanados primario y secundario; esto quiere decir que ambos bobinados tienen la misma cantidad de espiras (o vueltas de alambre conductor). Por lo tanto, el bobinado secundario entregará el mismo voltaje que se aplique al primario, sin existir una conexión eléctrica entre el bobinado primario y el secundario. Por ello, estos dispositivos aíslan la energía de entrada de la energía de salida, lo cual permite que las perturbaciones eléctricas (como interferencias, pequeñas distorsiones en la frecuencia, armónicas, entre otros) entre el secundario y el primario no se transfieran al otro devanado. Se debe calcular el tamaño de carga, el espectro de armónicos emitido por la carga, la impedancia de la fuente y otros parámetros con blindajes y efectos capacitivos en el núcleo para impedir el paso de altas frecuencias hacia el lado de la fuente. Sin embargo, son de diseño delicado y su costo suele ser bastante más alto que el del filtro de rechazo (capacitor- reactor) equivalente.

• Transformadores zig-zag + filtros de rechazo de H5 y H7. Aplicación: protección de equipos UPS que alimentan computadoras. Los transformadores tipo zig-zag tienen una arquitectura en el lado secundario parecida a una estrella, pero con la peculiaridad de contener seis bobinados idénticos en lugar de los tres usuales. Representan una muy buena medida de protección para la cancelación de armónicas de secuencia cero (H3, H9, H15, H21, etcétera). En esta configuración, en el lado secundario se conecta la carga no lineal y provee un hilo de neutro para cargas de cómputo monofásicas entre fase y neutro, o bien trifásicas conectadas entre fases. Si el espectro de armónicas lo amerita, es decir, si también tienen peso la armónica H5 y la armónica H7, a esta solución se le pueden agregar filtros de rechazo para dichas armónicas, lo cual proveerá a al red de un sistema de filtrado de muy buen desempeño, ya que permitirá reducir o mitigar las armónicas H3, H5, H7, H9, H15, H21.

En instalaciones con gran proporción de carga proveniente de equipos electrónicos, debe dimensionarse el calibre del hilo de neutral doble de ampacidad de los conductores de fase.

• Sobredimensionamiento del hilo del neutro. Aplicación: evitar la sobrecarga del hilo del neutro por efecto de las armónicas de secuencia cero y de H3, principalmente. El sobredimensionamiento está orien- tado a evitar daños en los conductores o en los dispositivos de alimentación eléctrica de la red, pero no reduce los niveles del contenido armónico de la red eléctrica del usuario. Los balastros electrónicos de alumbrado fluorescente y las fuentes de poder de computadoras, equipos de monitoreo, copiadoras y otros equipos electrónicos alimentados con fuentes de corriente rectificada y alimentados en forma monofásica provocan una fuerte distorsión armónica en la onda de corriente con alto contenido en las armónicas tercera (H3), novena (H9) y décimo quinta (H15) (armónicas de secuencia cero). Estas armónicas, al sumarse en el hilo del neutro, pueden alcanzar valores eficaces del doble que la corriente en las fases. Por ello, el NEC 210-4a indica que el conductor de neutro debe ser de un calibre igual o mayor al de los conductores de fase. En el caso de instalaciones con una gran proporción de carga proveniente de equipos electrónicos, como computadoras, debe dimensionarse el calibre del hilo de neutro al doble de ampacidad de los conductores de fase.

• Doble variador de frecuencia a +15 y -15 grados. Aplicación: bloqueo de las armónicas H5 y H7 en variadores de velocidad, variadores de frecuencia y drivers de frecuencia variable. Cuando se tienen variadores de velocidad con rectificadores de 6 pulsos, se pueden emplear dos variadores con desfases de -15° y +15° en el ángulo de disparo de ambos rectificadores. Esta arquitectura puede resultar menos cos- tosa que si se empleara un solo variador de 12 pulsos. Es importante cerciorarse del valor de los ángulos de disparo que contienen los dos drivers mencionados. Esta técnica permitirá el bloqueo de los armónicos H5 y H7.

• Doble variador de frecuencia con un trans- formador delta-delta y un transformador delta-estrella. Aplicación: bloqueo de la quinta (H5) y séptima (H7) armónicas en variadores de velocidad, variadores de frecuencia y drivers de frecuencia variable. En esta configuración, la carga se alimenta por medio de dos variadores de velocidad idénticos. Uno de ellos se alimenta por medio de un transformador delta-delta y el otro por un transformador delta-estrella. De esta forma, el desfase de 30 grados que ambos trans- formadores provocan a la onda principal de 60 Hz en sus devanados secundarios propiciará el bloqueo de las armónicas H5 y H7, que son las más agudas gene- radas en los variadores de velocidad con rectificadores de 6 pulsos.

• Transformadores de potencia tipo k. Aplicación: protección del transformador de alimentación al evitar su sobrecarga por el efecto de la distorsión armónica (THD) presente en la red. Esta clase de transformadores está diseñada para trabajar con cargas no lineales. No corrige el contenido armónico, pero permite contrarrestar los efectos de elevación de temperatura que producen. El factor k es un indicador numérico que está asociado con el número de veces que un transformador puede soportar el calor armónico en sus devanados, en relación con un transformador construido sin factor k. En la Tabla 6 se observa el nivel de distorsión armónica característico que puede tolerar un transformador, de acuerdo con el factor k con que está construido, de conformidad con lo establecido por Underwriters Laboratories (UL). Este tipo de transformadores ocupan alrededor de 30 o 40 por ciento más espacio, y su costo puede llegar a ser del doble que el de uno tradicional.

• Filtros LCL. Aplicación: bloqueo de la quinta (H5) y séptima (H7) armónicas en variadores de velocidad, variadores de frecuencia, elevadores y drivers de frecuencia variable. Los filtros LCL están conformados por una combinación serie-paralelo de inductancias y capacitores, adaptados para eliminar o reducir de manera importante los armónicos producidos por rectificadores o convertidores de potencia de 6 pulsos que emplean los variadores de frecuencia para motores, los drivers de frecuencia variable, algunos UPS y los sistemas de soldado automatizado Algunos de estos equipos están regulados a base de tiristores, diseñados para la compensación de armónicos en dispositivos de control que trabajan de manera fluctuante y requieren de compensación instantánea. Un ejemplo de aplicación se encuentra en elevadores, ya que son cargas controladas por convertidores de 6 pulsos que trabajan en cortos intervalos de tiempo. Mediante la compensación regulada, se filtra la corriente armónica generada por dichas cargas y evita cualquier efecto de sobrecompensación, al actuar sólo cuando la carga está en funcionamiento. La función principal de los LCL es filtrar los armónicos de corriente H5, H7 y, de manera minoritaria, H11 y H13, generados por los convertidores de 6 pulsos. Así, reducen el THDI a valores inferiores al 10 por ciento.

• Transformador separador de armónicos (TSA). Aplicación: bloqueo de los armónicos H3 y H5. Son filtros del tercer armónico basa- dos en un transformador-separador en conexión delta-estrella que elimina el tercer armónico y están dotados en su lado secundario de un filtro pasivo del quinto armónico. Mediante esta arquitectura eléctrica, se consigue eliminar los armónicos de secuencia cero que se suman en el hilo del neutro y además reducen el impacto del quinto armónico. Su empleo se recomienda en instalaciones donde existen cargas monofásicas distribuidas que generan tercer armónico, como computadoras, CPU, iluminación con balastros electrónicos, equipos de telecomunicación, sites de cómputo y servidores de datos.

• Filtros activos. Aplicación: mitigación del espectro armónico en general. Esta técnica puede ser aplicada tanto para drivers, rectifica- dores, UPS y, en general, equipos electrónicos de potencia. Para ello se requieren mediciones precisas del contenido en valor eficaz en amperes (amperes rms) del contenido de cada uno de los armónicos presentes en la red estudiada, ya que se deberá determinar la magnitud de cada uno de ellos para removerlos y contener la capacidad de cancelación adecuada. Es importante anotar que, para cancelarlas, estos dispositivos son generadores de corrientes armónicas con ciclos inversos, de tal forma que se contraponen y cancelan su contenido de valor eficaz (rms). Para su operación pueden introducir ruido en la potencia de switcheo y requerir de un filtrado adicional para prevenir interferencias con otros equipos. Emplean electrónica de potencia y sus requerimientos de mantenimiento pueden ser más altos que los de cualquier solución pasiva que se haya enlistado. Un impedimento adicional que no se debe pasar por alto es el costo de una solución activa de este tipo, ya que será entre ocho y 12 veces mayor que el precio de un filtro pasivo equivalente en potencia.

• Protección armónica en cascada Un sistema antiarmónico en cascada es la mejor manera de abatir el nivel de distorsión de la red. Por ello, cuando los armónicos son contrarrestados o mitigados directamente en las propias cargas y en forma adicional en los tableros secundarios, la incorporación de filtrado en el tablero eléctrico general provee un gran beneficio a la red eléctrica en el punto de conexión con la compañía suministradora (CFE).

Cuando los armónicos son mitigados directamente en las propias cargas y además en los tableros secundarios, la incorporación de filtrado en el tablero eléctrico general provee un gran beneficio a la red eléctrica en el punto de conexión con la compañía suministradora

• Ubicación de los dispositivos antiarmónicos Existen tres puntos para colocar los equipos y dispositivos antiarmónicos, empezando por donde se sitúan las cargas no lineales. El primero es en los bornes (tablillas de conexión) de las cargas generadoras de armónicos. Ésta es la ubicación idónea, pues elimina o amortigua el disturbio en el lugar en el que se produce, focalizándolo y evitando su propagación a lo largo de la red. El segundo punto se localiza en los tableros eléctricos de distribución secundarios. Esta posición se recomienda cuando existen diferentes cargas generadoras de armónicos de pequeña potencia, alimentados desde un mismo tablero eléctrico secundario. Su eliminación permite la descarga de las líneas que van al tablero general. La mitigación o eliminación de armónicos en estos tableros evita su flujo hacia otros tableros, confinando este disturbio hacia una sola sección de la red eléctrica. Finalmente, el tercer punto de colocación se localiza en el tablero eléctrico general de baja tensión. Cuando las corrientes armónicas se han eliminado y atenuado en las propias cargas o en los tableros secundarios, la colocación en el tablero eléctrico general de un tipo de filtrado permite la eliminación de los residuos armónicos. Así, se vuelve más sólida la solución para tener un correcto estado de la señal eléctrica en el punto de conexión con la compañía suministradora, beneficiando en primera instancia a la propia red del usuario y contribuyendo a no aportar armónicos a usuarios cercanos.