Con el siglo XXI, los sistemas de automatización y control entraron en auge y, con ellos, los indeseables armónicos, distorsiones electromagnéticas que afectan el desempeño de la red y causan daños agudos. No todo está perdido. Un experto en el tema comparte algunas medidas para mitigarlos.
El entorno energético evoluciona rápidamente; los nuevos fenómenos que se relacionan con la generación, entrega, uso y gestión de la electricidad deben ser abordados, analizados y probados para brindar soluciones cada vez más certeras, en aras de contrarrestar o minimizar los efectos de electricidad, a veces sobrellevables, a veces agudos. De otra manera, las repercusiones nocivas y la agudización de los disturbios electromagnéticos en las redes de los edificios mermará la vida útil de los equipos, provocará situaciones de riesgo a las personas y daños económicos a los bienes y a la productividad de las empresas.
La denominada distorsión armónica (THD, por sus siglas en inglés) es una de estas anomalías, quizás la más aguda y característica del siglo XXI. Se crea en las redes eléctricas, paradójicamente, como consecuencia del desarrollo de las nuevas tecnologías de automatización y control, tan habituales en las nuevas edificaciones.
¿POR QUÉ SE GENERAN LOS DISTURBIOS?
La generación de la distorsión armónica, o de su efecto distubador (conocido como armónico), es propio de la inmensa mayoría de los dispositivos de control y automatización que contienen los inmuebles, como edificaciones de oficinas, centros comerciales, hospitales, hoteles, cines e inmuebles comerciales en general.
Técnicamente, los armónicos se generan porque dichos dispositivos se alimentan eléctricamente 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). Esta señal de salida es una onda cuadrada, dentada o de cualquier otra forma, pero diferente de la onda senoidal que los alimenta.
La consecuencia de esta no linealidad entre las ondas de entrada y de salida es que producen otras corrientes senoidales (a 180, 300, 420, 540, 660 hertz, entre otras), que se superponen a la onda senoidal de la fundamental a 60 hertz y, entonces, la forma de onda resultante es una deformación de la original. Dicha perturbación será más grave en cuanto haya un mayor nivel de armónicos presentes en la red eléctrica del usuario. A efecto de simplificar su nomenclatura, se suele anteponer la letra “H” (del inglés Harmonic) al armónico generado; por ejemplo, el quinto armónico se denotará H5.
DAÑOS PROVOCADOS POR LOS ARMÓNICOS
Funcionamiento erróneo. La eficiencia eléctrica se degrada por la afectación o daños a las tarjetas electrónicas de comando, dispositivos electrónicos de control, de procesamiento de datos y electrónica de potencia. Sus efectos se manifiestan en fallos y errores de dispositivos PLC
Diferencias de potencial entre neutro y tierra. Se originan por las corrientes armónicas (de secuencia cero), que se suman en el neutro y pueden crear caídas de tensión. Las diferencias afectan el cero lógico de referencia que emplean los dispositivos electrónicos de corriente directa y provocan errores de funcionamiento en las tarjetas electrónicas de control, de procesamiento de datos y de telecomunicaciones, entre otros. Además, si el hilo no está sobredimensionado conforme a la NOM-001-SEDE-2012 (artículo 220-61), se manifestará un sobrecalentamiento con los consecuentes riesgos que implica, afectando la eficiencia eléctrica de la red
Sobrecalentamiento de motores y máquinas eléctricas en general. Se presenta como consecuencia de las sobrecargas de corrientes armónicas en los motores, transformadores y generadores. También se debe a que los armónicos de secuencia negativa fluyen en sentido contrario a los rotores, lo que provoca daños en sus flechas
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 atenta contra la eficiencia eléctrica, al incrementar considerablemente la pérdida de energía en forma de calor
Daños en los capacitores de potencia de la red eléctrica y efectos de resonancia. Si los capacitores no cuentan con dispositivos de rechazo de armónicos, se amplifica y agudiza el nivel de distorsión, lo cual tendría daños destructivos a los propios capacitores y puede provocar secuelas irreversibles en los transformadores de potencia por efectos de resonancia.
Sobrecalentamiento y fallas en interruptores termo-magnéticos y electromagnéticos. Al presentarse un alto nivel armónico en la red, se reduce la capacidad de aceptación de corriente de los interruptores termomagnéticos en estado estable y la vida de sus componentes aislantes, lo que deteriora su vida útil y afecta la eficiencia eléctrica del dispositivo. Esto puede provocar fallas o mal funcionamiento, con implicaciones de riesgo productivo por interrupciones o paros imprevistos. Una de las medidas paliativas ante los efectos armónicos se orienta hacia el derrateo de cables, interruptores, transformadores y dispositivos eléctricos para soportar o transportar los nuevos valores de corriente originados.
Es importante recalcar que esa distorsión aumenta la intensidad de corriente que corre por la red eléctrica, ya que, como se dijo, las corrientes armónicas generadas se están sumando a la corriente fundamental que fluye a 60 hertz. Entonces, tanto la deformación de la onda senoidal, como la corriente agregada, y no considerada originalmente en la red del usuario, provocarán consecuencias que van desde errores en el funcionamiento de dispositivos hasta daños destructivos en éstos y riesgos potenciales para las personas.
Este tema no es nuevo. De hecho, el estándar 519 del Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) está enfocado hacia la limitación de armónicos, tanto de las compañías suministradoras de la energía eléctrica como de los usuarios; sin embargo, el disturbio armónico no mostraba ni la intensidad ni la diversificación que tiene hoy en día, a pesar de que ya han pasado más de 20 años desde que se implementó esta medida.
En tanto se actualizan las técnicas, métodos y estrategias para la limitación de los armónicos, a continuación se presenta una serie de técnicas correctivas orientadas hacia los inmuebles comerciales, las cuales se describen en forma sintetizada. Asimismo, se proporcionan algunas notas informativas relacionadas con el estudio y caracterización de los armónicos típicos en dichas redes comerciales.
¿QUIÉNES GENERAN LOS ARMÓNICOS?
Este disturbio está presente en prácticamente toda red eléctrica debido a que el empleo de los dispositivos de control o automatización es generalizado; sin embargo, los armónicos presentan diferencias y no son los mismos en todos los casos. Por eso, el primer paso será distinguirlos e identificar las peculiaridades de cada caso, ya que la solución más adecuada dependerá del perfil de armónicos de la red eléctrica que se esté analizando.
Hay que decir que este fenómeno se presenta también en los inmuebles de los usuarios domésticos, quienes utilizan equipos electrónicos, como computadoras, servidores de internet, módems de TV por cable, pantallas digitales, eliminadores de baterías, sensores de iluminación, iluminación LED, entre otros; sin embargo, sus afectaciones potenciales son tolerables en la mayoría de los casos.
Aunque el nivel de armónicos será más agudo en cuanto más corriente armónica se genere en una red eléctrica, es posible identificar ciertas características comunes en las edificaciones de oficinas, plazas comerciales, centros hospitalarios, salas de exhibición de cine, hoteles e inmuebles comerciales en general.
En este tipo de lugares, existe un conjunto de dispositivos que producen armónicos:
- Fuentes de energía ininterrumpida (UPS, por sus siglas en inglés) y fuentes de poder
- Computadoras y servidores de datos
- Módems, dispositivos de TI y ruteadores de telecomunicaciones
- Equipos de seguridad y alarmas automatizadas
- Elevadores y escaleras eléctricas con regulación de velocidad
- Dispositivos electrónicos para el control de flujo de agua o de aire
- Detectores de presencia
- Eliminadores de baterías
- Hornos de microondas
- Controladores de energía
- Sensores de iluminación e iluminación inteligente
- Iluminación LED
- Variadores de velocidad de aires acondicionados; entre otros
Como es posible apreciar, las fuentes productoras de armónicos, en mayor o en menor medida, son aparatos que se pueden encontrar en edificaciones comerciales y de oficinas; por lo mismo, es comprensible aceptar que la presencia y la agudización de esos síntomas sea inevitable, pero, a la vez, también lo es que se instrumenten los equipamientos necesarios para mitigar sus efectos.
TÉCNICAS PARA MITIGAR LOS ARMÓNICOS
Seis de las técnicas para mitigar el efecto de los armónicos predominantes en las edificaciones de oficinas e inmuebles comerciales consisten en incorporar el siguiente equipamiento en la red eléctrica del usuario:
Reactores de línea
Los reactores de línea representan la solución más sencilla y eco- nómica; se emplean para amortiguar el efecto armónico originado por los variadores de velocidad, inversores o drivers de frecuencia variable (VFD, por sus siglas en inglés) propios de los compresores que inyectan el aire acondicionado de confort. Es preciso tomar en cuenta que la carga eléctrica de los equipos de aire acondicionado será alrededor de 50 a 65 por ciento del consumo eléctrico en las edificaciones comerciales y de oficinas, por lo que los armónicos generados por estos dis- positivos (H5, H7, H11 y H13, principalmente) estarán presentes en prácticamente todas estas redes eléctricas.
Estos dispositivos generan niveles de distorsión armónica de alrededor de 45 por ciento en la onda de corriente. Una manera de atenuarla consiste en incorporar reactores de línea en serie entre el tablero eléctrico de alimentación y el variador de velocidad, dimensionándolos de acuerdo con la corriente nominal de dicho circuito. 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 línea, para impedir el flujo de los armónicos provenientes de los demás variadores.
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 bloqueo del tercer armónico (H3)
El armónico H3 (180 hertz) es el característico y de mayor presencia en los inmuebles de oficinas, donde es usual tener cargas eléctricas monofásicas, no lineales, conectadas entre el hilo de neutro y una fase; como computadoras personales, circuitos cerrados de televisión (CCTV) dispositivos de seguridad electrónica, servidores, routers, módems, luminarias con balastros electrónicos, reguladores de intensidad luminosa, balastros electrónicos de alumbrado fluorescente y las fuentes copiadoras y otros tipos de cargas trifásicas en centros de datos, conectadas entre fase y neutro.
Los filtros de bloqueo del tercer armónico H3 tienen su aplicación típica en este tipo de edificaciones. Cuando se trata de cargas monofásicas, se conectan en paralelo entre el hilo del neutro y la fase que las alimenta. Para redes trifásicas, se conectan en serie en el hilo del neutro.
Cabe comentar que el armónico H3 es conocido como triple o de secuencia cero, que tienen la particularidad de sumarse en el neutro. La suma de dichas corrientes puede provocar que el hilo del neutro sea 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.
Debido a lo anterior, el hilo del neutro puede alcanzar valores eficaces del doble que la corriente en las fases. Esa es una de las consideraciones por las que 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, el calibre del hilo de neutro debe dimensionarse al doble de ampacidad de los conductores de fase.
Los llamados armónicos triples que son múltiplos de tres (H3, H6, H9, H12, H15, etcétera), como ya se mencionó anteriormente, tienen la peculiaridad de sumarse en el hilo del neutro. Esto provoca, normalmente, una elevación excesiva de temperatura del neutro,
lo cual es característico de un desbalanceo eléctrico agudo, o bien, de la generación elevada del armónico H3.
Por ello, es necesario atenuar este efecto conectando, en paralelo al tablero eléctrico de las cargas monofásicas, un filtro de bloqueo H3. En el caso de los tableros trifásicos que alimen- tan a una serie de cargas monofásicas, es preferible conectar un filtro de bloqueo FB3 directamente en serie con el neutro del tablero.
Transformadores Estrella-Delta
Estos equipos resultan útiles para el bloqueo del armónico H3 y, en general, de los armónicos de secuencia cero (H9, H15, H21, etcétera) que se generan por las cargas monofásicas no lineales que se conectan en las edificaciones de oficinas.
En este tipo de arreglo se incorpora un transformador configurado en estrella en su lado
primario (de la fuente) y en su lado secundario (de la carga) en delta.
Los armónicos de secuencia cero que provienen de la fuente, o se descargan hacia el neutro; o bien, recirculan por el bobinado del secundario en delta.
Por ello, estos armónicos quedan bloqueados 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 capacitores, pueden presentarse resonancias, por lo que será conveniente tomar en cuenta la inductancia del trans- formador y, en su caso, hacer ajustes a la potencia capacitiva para eludir dicha resonancia.
Transformadores zigzag.
Los transformadores tipo zigzag producen un bloqueo muy eficaz de armónicos de secuencia cero (H3,H9, H15, H21, etcétera) ya que el devanado zigzag produce el mismo desplazamiento angular que un devanado en delta, proporcionando, además, un hilo de neutro para cargas monofásicas no lineales; constituye una buena alternativa para sustituir un transformador estándar cuando éste se sobrecaliente por el flujo de corrientes armónicas producidas por el alumbrado fluorescente, computadoras personales, equipos UPS, servidores y dispositivos de procesamiento de datos.
Los transformadores zigzag 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. En esta configuración en el lado secundario se conecta la carga no lineal y provee de un hilo de neutro para cargas de cómputo monofásicas entre fase y neutro; o bien, trifásicas conectadas entre fases.
Filtros LCL
Estos dispositivos LCL son filtros pasivos y están conformados por una combinación serie-paralelo de inductancias y capacitores adaptados para reducir de una manera importante los armónicos producidos por rectificadores o convertidores de potencia de seis pulsos que emplean los elevadores, compresores de aire acondicionado y algunos UPS, entre otros equipos eléctricamente no lineales.
La función principal de los LCL es la filtrar los armónicos de corriente H5, H7 y de manera minoritaria H11 y H13, que se gene- ran por los convertidores de seis pulsos, reduciendo el nivel de distorsión armónica en corriente (THDI, por sus siglas en inglés), a valores inferiores a 10 por ciento.
Hay una gama de estos filtros, denominada LCL-TH, regulada a partir de tiristores, que están diseñados para la compensación de armónicos en dispositivos de control que trabajan de una manera fluctuante y requieren de una compensación instantánea, por ejemplo los elevadores de edificaciones de oficinas, los cuales trabajan en cortos intervalos de tiempo de una manera súbita y rápida. Mediante la compensación regulada de manera ultrarrápida, se filtra a la corriente armónica generada por dichas cargas y se evita cualquier efecto de sobrecompensación, al actuar sólo cuando la carga está en funcionamiento.
Transformador separador de armónicos (TSA)
Estos equipos son filtros pasivos del tercer armónico, H3, basados en un transformador-separador en conexión delta-estrella que elimina el tercer armónico y están dotados en su lado secundario de un filtro de rechazo 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 aquellas instalaciones donde hay cargas monofásicas distribuidas que generan tercer armónico, como computadoras, CPU, iluminación con balastros electrónicos, equipos de telecomunicaciones, sites de cómputo y servidores de datos.
EFICIENCIA ENERGÉTICA VS. ARMÓNICOS
La búsqueda de la eficiencia energética en las edificaciones ha significado la implementación de tecnología de automatización y control. Esta tecnología, si bien reduce costos técnicos y económicos al optimizar el uso de la energía en los equipos de aire acondicionado, genera también armónicos que pueden actuar en detrimento de la red eléctrica del lugar. Siempre que se utilicen estas tecnologías, será necesario proyectar sistemas que mitiguen sus distorsiones.
UBICACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS ANTIARMÓNICOS
Hay 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 hay diferentes cargas generadoras de armónicos de pequeña potencia, alimentados desde un 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.
El tercer punto 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 mitigar los armónicos a usuarios cercanos.
