Causas, efectos y mitigación de los problemas de armónicos

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La solución de problemas de calidad de energía como los armónicos ayudará a ahorrar dinero con la optimización de la potencia y protegerá los equipos de daños futuros.

La mala calidad de la energía se manifiesta de las siguientes maneras:

  • Caídas y subidas: voltaje más bajo o más alto de lo esperado.
  • Armónicos: efectos de frecuencia causados ​​por la fuente de alimentación o por equipos que operan dentro del sistema.
  • Desequilibrio: el efecto de las variaciones de voltaje o corriente en cada una de las fases eléctricas.
  • Parpadeo: efectos causados ​​por la conmutación repetitiva de cargas eléctricas, como hornos de arco u otros procesos.

En este articulo nos centraremos en las causas, efectos y como mitigar los armónicos en sistemas eléctricos. También se debe tener presente la importancia del calculo de los armónicos.

Causas de los armónicos

Los armónicos son corrientes o voltajes con frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia de potencia fundamental, que en los Estados Unidos es de 60 Hz.

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Si la primera frecuencia fundamental es 60 Hz, la segunda es 120 Hz y la tercera es 180 Hz. A continuación, se muestran algunos ejemplos de problemas que pueden estar relacionados con los armónicos:

  • Las luces parpadeantes son un síntoma común de un problema de calidad de la energía. Una fuente potencial de luces parpadeantes es la maquinaria con fluctuaciones rápidas en la corriente o voltaje de carga. Estas máquinas incluyen motores grandes cuando están en marcha, maquinaria con cicloconvertidores (como accionamientos de laminadores y bobinadoras de minas), así como máquinas que utilizan convertidores de frecuencia estáticos para motores de AC y hornos de arco eléctrico.
  • Los transformadores sobrecalentados y los disyuntores o breakers disparados podrían ser un signo de problemas de armónicos, que ocurren cuando las cargas no lineales que extraen corriente en pulsos abruptos, en lugar de una manera sinusoidal suave, hacen que las corrientes armónicas fluyan de regreso a otras partes del sistema de potencia.

El estado de los armónicos en el sistema se puede expresar de muchas formas. La primera es la distorsión armónica total o THD.

El THD es la suma de todos los efectos de armónicos; Típicamente, esto se mide hasta el 50º múltiplo de la frecuencia fundamental del sistema de alimentación (60 Hz), que equivale a 3 kHz o el 40º múltiplo (que equivale a 2,4 kHz).

Este valor de THD en términos de calidad de la energía se aplica con mayor frecuencia al voltaje. La guía establece que los efectos armónicos de voltaje deben ser inferiores al 8% en relación con el armónico fundamental. Los valores superiores al 8% deben investigarse más a fondo.

El primer nivel de investigación sería identificar el porcentaje de cada armónico individual: 2 do , 3 ro , 4 ° , 5 ° – hasta 50 º . Esto se registra con un instrumento de medición o en un gráfico de datos y se visualiza como un “espectro armónico”.

El espectro de armónicos de muestra esta en la Figura 1 y es un escenario muy típico. El voltaje THD promedio es de menos de 3.5% en cada fase.

espectro armonico ejemplo
Figura 1

Se puede notar en la imagen cómo los mayores armónicos están en el 5to  y 3ro , respectivamente, y un poco en el 7 mo, para después empezar a disminuir muy rápidamente.

Estos armónicos son generados por fuentes de alimentación conmutadas utilizadas por equipos electrónicos como computadoras, monitores, televisores e iluminación LED (Son los equipos que tienen algún tipo de convertidor de AC a DC).

Hasta cierto punto, estos son armónicos que permiten los fabricantes de equipos, dentro de sus dispositivos, debido a que estos vienen con filtros electrónicos que evitan que se generen armónicos más altos.

La prevención o mitigación se realiza mediante la adición de simples componentes pasivos como resistencias, condensadores e inductores. La inclusión de esta simple mitigación en el producto permite al fabricante suministrar productos que cumplen con el estándar EMC requerido.

En la figura 2, vemos una imagen muy diferente, parece haber un sorprendente nivel de distorsión armónica, hasta un 35%.

espectro armonico ejemplo 2
Figura 2

Esto es interesante pero no tan importante. Por un lado, la corriente es baja en este caso en comparación con la cantidad de corriente que le preocupa al circuito. Describimos estos dos valores como IL (corriente de carga) e ISC (corriente de cortocircuito).

Cuando ISC es suficientemente mayor que IL , la THD para la corriente no es importante. La razón de esto es que si hay una gran diferencia en estas corrientes, no es probable que los armónicos de voltaje se vean afectados. Este concepto está integrado en el estándar IEEE 519 (Práctica recomendada y requisitos para el control de armónicos en sistemas de energía eléctrica ).

Efectos de los armónicos

En un entorno industrial, las causas de la distorsión armónica suelen ser los equipos eléctricos en una operación. Las plantas industriales modernas contienen muchos equipos que pueden contribuir a la distorsión armónica general; algunos ejemplos obvios incluyen unidades de frecuencia variable (VFD) y motores eléctricos impulsados ​​por inversores.

Estos variadores toman el voltaje y la corriente AC regulares, los convierten en DC y luego crean una salida de frecuencia variable para que los motores se puedan controlar con mayor precisión.

Cuando la corriente ingresa al inversor, no se toma como una onda sinusoidal pura, sino que la toma de manera irregular para cargar los componentes que se encuentran en el extremo frontal del inversor. Este consumo de corriente irregular distorsiona la corriente y, en consecuencia, el voltaje.

Estos inversores se pueden utilizar para impulsar motores que forman parte del proceso industrial, como el bombeo de agua de refrigeración o calefacción, materiales líquidos, transportadores móviles o ventiladores de refrigeración.

Otros tipos de controles electrónicos también forman parte del proceso, y cada uno crea cierta distorsión. Cuando todo este equipo está conectado en la misma red, la distorsión aumenta en general.

Los fabricantes de equipos tienen la responsabilidad de asegurarse de que sus equipos no generen niveles de distorsión armónica que no sean admisibles, razón por la cual existen estándares de compatibilidad electromagnética de equipos para evitarlo.

Pero en algunos casos, cuando un usuario crea una combinación única de distorsión superior a la esperada en una red eléctrica cercana a la capacidad, la distorsión puede volverse grave y afectar a otros equipos. Por ejemplo, los transformadores antiguos no se diseñaron necesariamente teniendo en cuenta los armónicos, aunque ha pasado algún tiempo desde que se introdujo la electrónica de potencia industrial y, en sus inicios, la mayoría de las cargas en una instalación eran lineales (donde la corriente y el voltaje son directamente proporcionales – piense en una carga resistiva simple).

Si los armónicos son altos, entonces la distorsión puede hacer que los transformadores más antiguos se sobrecalienten, y hay dos problemas con esto. Primero, el calor que se genera desperdicia energía. En segundo lugar, es probable que dañe el transformador, a veces de manera catastrófica.

Mitigación de los armónicos

Hay dos posibles soluciones para esto.

  1. Reducir armónicos mediante la instalación de filtros.
  2. Reemplace el transformador con un factor K alto, que puede manejar la distorsión.
    De estas dos soluciones, ambas tienen ventajas e implicaciones económicas.

La instalación de filtros puede resultar muy eficaz desde el punto de vista económico y técnico, dependiendo de la fuente de la distorsión armónica.

Para descubrir la (s) fuente (s) específica (s) se requieren estudios de armónicos del equipo conectado al sistema. Un buen lugar para comenzar es con los variadores electrónicos (VFDS) más grandes: considere qué equipo consume la corriente más alta, como variadores grandes o sistemas UPS de alta potencia, para averiguar cuáles tienen el THD más alto.

Recopile tantos datos armónicos como sea posible durante unos días para ver cómo cambia el THD e identificar los peores escenarios. Luego, estos datos se pueden compartir con un proveedor de filtros que puede asesorar sobre las soluciones adecuadas para cada carga. Puede que solo sean uno o dos equipos los que estén causando el problema. El peor de los casos es que necesita un sistema más grande.

Reemplazar transformadores es más difícil. Se requieren estudios de armónicos para descubrir el factor K, el efecto de calentamiento debido a los armónicos. El factor K se deriva de los armónicos utilizando un método recomendado por IEEE; sin embargo, un instrumento adecuado lo calcula por usted.

Los transformadores con clasificación de factor K son más costosos que los transformadores estándar y el tiempo de inactividad para la instalación de un nuevo transformador puede resultar disruptivo y crear un tiempo de inactividad significativo. Sin embargo, en algunos casos, esta podría ser la única solución viable.

El tema recurrente aquí es que las medidas marcan la diferencia. Conocer el estado de su sistema es importante para mantener su equipo a fin de obtener el mejor valor y mantener un uso razonable de energía.

Los estudios de calidad de la energía deben considerar un mantenimiento de rutina. Al realizar mediciones semi-regulares, puede descubrir cualquier cambio que pueda estar ocurriendo para que pueda encontrar problemas potenciales y solucionarlos temprano. El período entre mediciones depende del criterio de los usuarios, pero deben considerar sus expectativas de confiabilidad del sistema: cuanto más altas son las expectativas, más regular es la medición. Esto podría ser mensual, trimestral, semestral o, si siente que realmente tiene el control, anualmente.

Realizar medición con regularidad no debería ser una tarea ardua si eres organizado.

  • Elija sabiamente la ubicación de la medición. Busque puntos críticos en el sistema donde el equipo podría causar problemas y en qué equipo podría ser más sensible.
  • Instale en el mismo lugar cada vez.
  • Escuche las pistas de los operadores de equipos sobre sus experiencias con lo que está sucediendo; tienen la mejor información.
  • Observe las tendencias y compare manzanas con manzanas para una correlación simple.
  • Guarde los datos históricos.
  • Documente agregue, mueve y cambia, y actualiza los diagramas eléctricos.
  • Mida y registre durante unos días. Una hora solo le dirá lo que sucedió en ese momento; debe considerar más de un período típico de 24 horas para ver el ritmo de funcionamiento del equipo.

Al recopilar estos datos de levantamiento, puede tener el control de su sistema eléctrico, operarlo de manera eficiente y mantener la longevidad de su equipo eléctrico.

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