Armónicos en las redes eléctricas, qué son, que efectos tienen, cuando se producen y cómo evitarlos.
Conceptos
Los armónicos se definen habitualmente con los dos datos más importantes que les caracterizan, que son:
• su amplitud: hace referencia al valor de la tensión o intensidad del armónico,
• su orden: hace referencia al valor de su frecuencia referido a la fundamental (50 Hz). Así, un armónico de orden 3 tiene una frecuencia 3 veces superior a la fundamental, es decir 3 * 50 Hz = 150 Hz.
En el gráfico se presenta la suma de un armónico de 3er orden, del 5º orden y del 7º orden.
El orden del armónico, también referido como el rango del armónico, es la razón entre la frecuencia de un armónico fn y la frecuencia del fundamental (50 Hz). n = fn / f1
Por principio, la fundamental f1 tiene rango 1.
Cualquier fenómeno periódico puede ser representado por una serie de Fourier:
Donde:
Yo = Es la componente de corriente directa, la cual es generalmente cero en sistemas eléctricos de distribución.
Yn = Valor rms de la componente (nth) armónica
gn = Angulo de fase de la componente (nth) armónica cuando t =0.
Los armónicos por encima del orden 23 son despreciables.
Espectro armónico
El espectro armónico permite descomponer una señal en sus armónicos y representarlo mediante un gráfico, donde cada sector representa un armónico en % o en intensidad eficaz (rms).
Donde h1 es el 100% ya que corresponden a la componente fundamental.
La cantidad de armónicos es generalmente expresada en términos de su valor rms dado que el efecto calorífico depende de este valor de la onda distorsionada.
Para una onda sinusoidal el valor eficaz es el máximo valor dividido por raíz de 2. Para una onda distorsionada, bajo condiciones de estado estable, la energía disipada por el efecto Joule es la suma de las energías disipadas por cada una de las componentes armónicas:
Donde:
o también:
(suponiendo que la resistencia se tome como una constante)
Este cálculo permite intuir uno de los principales efectos de los armónicos que es el aumento de la intensidad eficaz que atraviesa una instalación debido a las componentes armónicas que lleva asociada una onda distorsionada.
El porcentaje de armónico y la distorsión total armónica cuantifican la disturbancia armónica que puede existir en una red de suministro eléctrico.
La tasa de armónicos o porciento de armónicos, expresa la magnitud de cada armónico con respecto a la fundamental.
La distorsión total armónica (THD), cuantifica el efecto térmico de todos los armónicos. La CIGRE propone la siguiente expresión para el cálculo de esta magnitud: THD =
Donde:
Y1 = Magnitud de la onda de frecuencia fundamental.
Yn = Magnitud del armónico n.
Origen de los armónicos
En general, los armónicos son producidos por cargas no lineales, lo cual significa que su impedancia no es constante (está en función de la tensión). Estas cargas no lineales a pesar de ser alimentadas con una tensión sinusoidal absorben una intensidad no sinusoidal, pudiendo estar la corriente desfasada un ángulo j respecto a la tensión. Para simplificar se considera que las cargas no lineales se comportan como fuentes de intensidad que inyectan armónicos en la red.
Las cargas armónicas no lineales más comunes son las que se encuentran en los receptores alimentados por electrónica de potencia tales como: variadores de velocidad, rectificadores, convertidores, etc. Otro tipo de cargas tales como: reactancias saturables, equipos de soldadura, hornos de arco, etc., también inyectan armónicos. El resto de las cargas tienen un comportamiento lineal y no generan armónicos inductancias, resistencias y condensadores.
Existen dos categorías generadoras de armónicos. La primera es simplemente las cargas no lineales en las que la corriente que fluye por ellas no es proporcional a la tensión. Como resultado de esto, cuando se aplica una onda sinusoidal de una sola frecuencia, la corriente resultante no es de una sola frecuencia. Transformadores, reguladores y otros equipos conectados al sistema pueden presentar un comportamiento de carga no lineal y ciertos tipos de bancos de transformadores multifase conectados en estrella-estrella con cargas desbalanceadas o con problemas en su puesta a tierra. Diodos, elementos semiconductores y transformadores que se saturan son ejemplos de equipos generadores de armónicos, estos elementos se encuentran en muchos aparatos eléctricos modernos. Invariablemente esta categoría de elementos generadores de armónicos, lo harán siempre que estén energizados con una tensión alterna. Estas son las fuentes originales de armónicos que se generan sobre el sistema de potencia.
El segundo tipo de elementos que pueden generar armónicos son aquellos que tienen una impedancia dependiente de la frecuencia. Para entender esto más fácilmente mencionaremos algunos conceptos previos.
Tasa de distorsión armónica Thd
El thd (total harmonic distorsión), o tasa de distorsión armónica, es una forma de cuantificar numéricamente los armónicos existentes en un determinado punto de medida. En Europa se utiliza el Thd referenciado respecto a h1, la onda fundamental (f) (50Hz) de intensidad (teórica calculada según potencia).
Cuando en una instalación hay armónicos, el Thd es mayor que el 100%.
En el caso de no existir armónicos, el thd es igual a 0.
El thdI es el thd referido a la corriente y el thdu es el referido a la tensión. El ThdI es generado por la no linealidad de la carga, mientras que el ThdU es generado por la fuente (transformador) como resultado de una corriente muy distorsionada.
Dadas las corrientes rms de los diferentes armónicos además de la fundamental.
a) se calcula el thdI general
b) se calcula el thdI para cada uno de los armónicos en relación a la fundamental.
¿Cómo identificar la forma de un 3º, 5º o 7º armónico?
A continuación se muestra la forma típica de una variador de frecuencia con su 5º y 7º armónicos predominantes.
Y la suma da como resultado:
Por otro lado se muestra la forma típica de un SAI con el 3er armónico como predominante.
Y la suma da como resultado:
Armónicos que predominan en distintos procesos
Industrial sector metalúrgico, estampación, bombeo, corte, laser, fresado, torneado, pulido
Cementeras, canteras, minería, actividades de: triturado, moleteado, transporte, elevación, ventilación.
Siderurgia en hornos de inducción, laminados, trefilados
Agroalimentario, farmacia, refinería en filtración, concentración, bombeo
Maderero en transporte, serrado
Plásticos en extrusión, termoformado
Terciario, supermercados, hoteles y restaurantes y clubs deportivos en la actividad informática, iluminación, climatización, ascensores y equipos electrónicos.
En los anteriormente expuestos predominan el 5º y 7º.
Sector terciario: Hospitales, residencias y oficinas predominio del 3º, 5º y 7º
Factor de desclasificación K
Los centros de transformación son muy sensibles a la corriente armónica, provocando fuertes sobrecalentamientos y posibles averías.
La potencia nominal y el calor que disipa un transformador en régimen de plena carga se calculan en base a que en la instalación sólo existen cargas lineales y por tanto que no generan armónicos.
Si el transformador tiene que aportar corriente que contiene armónicos, se sobrecalentará incrementando el riesgo de averías.
El factor k es un factor de desclasificación de los transformadores que indica cuánto se debe de reducir la potencia máxima de salida cuando existen armónicos.
Obtener los valores promedio en el secundario del transformador y aplicar la formula.
Ejemplo: un transformador de 1000kVA, con un valor de desclasificación del 1,3; la máxima potencia que se podría solicitar al transformador para no sobrecalentarse y que no empezase a distorsionar la tensión, sería de 769 kVa.
Consecuencias provocan los armónicos
Los centros de transformación son muy sensibles a la corriente armónica, provocando fuertes sobrecalentamientos y posibles averías.
En los condensadores la posibilidad de que entren en resonancia con la instalación provoca su ampliación y reducen su vida útil.
En los conductores el efecto “skin” hace que la corriente circules por la zona de la periferia de la sección provocando su calentamiento. El aumento de la Irms provoca el disparo intempestivo de los diferenciales y/o magnetotermicos. La saturación de las líneas la necesidad de ampliar la sección por fase.
En el conductor de neutro no se cancelan las componentes homopolares entre ellas teniendo que ampliar la sección del neutro a 1,5 veces la de la fase.
En los trasformadores el aumento de las perdidas por un aumento de corriente provoca pérdida de potencia disponible (factor K de desclasificación). La posibilidad de saturación del trafo hace posible la generación de fuente de armónicos en concreto del 3º.
En los motores aparece un campo magnético rotatorio que provoca aceleración o frenado en las revoluciones.
En los equipos electrónicos la no suficiente inmunidad de estos frente a los armónicos provoca la destrucción de las fuentes de alimentación.
Medición de armónicos
Utilizar instrumentación que mida verdadero valor eficaz (rms). Los instrumentos que miden valor medio podrán aportar un error considerable.
El equipo ideal es un analizador de redes trifásico, dotado con medidores de intensidad tipo rogowski (flexible).
Deberá realizarse en un momento de máxima carga de la instalación.
Valores a medir: U, I, cos (φ), FP, P, Q, ThdI, ThdU y para cada fase el ThdI2, ThdI3, ThdI4, ThdI5, ThdI7, ThdI11, ThdI13, ThdI17.
Aconsejamos realizar dos mediciones en la cabecera de la instalación:
Sin batería de condensadores conectada.
Con batería de condensadores conectada.
Soluciones, filtrado de armónicos.
En la actualidad aparte de los transformadores de aislamiento con pantalla electrostática y reactancias de atenuación, existen filtros de armónicos automáticos y baterías de condensadores que corrigen el cos (φ) e incorporan filtros de armonicos.
Ejemplo motor con variador de 75 Kw sin filtro FP
Ejemplo motor con variador de 75 Kw con filtro FP
Documentación técnica Cisar y Schneider