En sistemas de
distribución podemos encontrar cargas no lineales en redes monofásicas y
trifásicas. En redes monofásicas es común encontrar distorsión armónica en
edificios de oficinas donde existen redes computacionales y elementos de
calefacción regulables. En sistemas trifásicos las plantas industriales poseen
gran cantidad de elementos electrónicos que provocan contaminación armónica.
Cuando
un sistema posee distorsión armónica es necesario encontrar algún método para mitigar sus efectos y
lograr que los aparatos alimentados funcionen en forma adecuada.
Dependiendo de la
contaminación armónica presente en un circuito específico, se tomarán en forma
simultánea más de alguna opción. A continuación se presentan algunos efectos de
la distorsión armónica y soluciones posibles
Si se realizan
mediciones en un sistema donde existen cargas no lineales, se debe utilizar
instrumentos capaces de registrar magnitudes reales del sistema, considerando
la presencia de armónicos. Un multitester que mide respuesta de valor medio no
sirve para obtener valores efectivos de señales distorsionadas y los estudios
realizados no tendrán real validez. Un instrumento diseñado sólo para medición
de señales sinusoidales dará una lectura errónea (normalmente inferior),
provocando un “engaño” al analista.
Los interruptores
de protección termo-magnéticos que utilizan un bimetal para accionar su
mecanismo, responden al calentamiento producido por la corriente que circula.
La elevación de temperatura depende del valor de corriente efectiva que
atraviesa el dispositivo, por lo tanto la protección tendrá la posibilidad de
operar correctamente ante un calentamiento excesivo provocado por las
componentes armónicas.
Un dispositivo de
protección de tipo electrónico que responde en forma sensible ante los valores
peak de corriente, probablemente no responderá de manera adecuada. Es usual que
el valor máximo de la corriente sea mayor de lo normal y la operación operará
en forma prematura aunque la corriente efectiva sea baja. Si el valor peak es
menor de lo normal puede que el interruptor no opere incluso si la corriente
eficaz es de gran valor.
Los sistemas de
comunicación se ven afectados por la distorsión armónica y probablemente
el primer indicio de la existencia de
armónicos. Habitualmente los cables de telefonía están cercanos a los
conductores que transportan energía eléctrica. El conductor neutro se encuentra
más cercano al conductor de telecomunicaciones, si hay presencia de corrientes
armónicas por el conductor neutro existirá una interferencia que repercute en
la línea telefónica y puede ser percibido en forma audible por los usuarios de
la red.
Sabemos
que en un sistema trifásico en estrella balanceado, las corrientes se anulan y
la corriente por el neutro es cero, en un sistema desbalanceado, el vector resultante de las tres corrientes es una
magnitud no nula que circula por el conductor neutro. Cuando alimentamos cargas
no lineales, la corriente de neutro recibe la suma de todas las componentes
armónicas de secuencia cero, que son los impares múltiplos de tres (3ª, 9ª 15ª
etc.), esto ocurre incluso en sistemas balanceados. Esto ocurre porque las
componentes armónicas que son múltiplo de tres están en fase y sus magnitudes
se suman en forma directa, en cambio para la frecuencia fundamental las
corrientes neutro se cancelan por ser tres vectores de igual magnitud y
desfasados 120º.
Figura
7.4
Si
tenemos cargas desequilibradas y además con distorsión, la corriente por el
conductor neutro será mucho mayor de lo normal. La consecuencia inmediata de
esto es el calentamiento excesivo en el conductor, además aumenta la diferencia
de potencial entre neutro y tierra.
Incrementando
la sección del conductor neutro se reduce la impedancia del conductor
minimizando el nocivo efecto de los armónicos. Utilizando conductores en
paralelo también es una solución útil.
Cuando un
transformador alimenta consumos no lineales se pierde eficiencia ya que la
máquina sufre pérdidas adicionales ocasionadas por las componentes armónicas.
Estas se asocian con las corrientes parásitas e histéresis en el núcleo, además
de las pérdidas por efecto Skin en los devanados debido a la frecuencia elevada
de los armónicos. El resultado de todo esto es un calentamiento excesivo y
pérdida de aislamiento en los devanados.
Para
resolver el problema que causan los armónicos, se puede trabajar con el
transformador a una capacidad inferior de su valor nominal. Expertos estiman
que un transformador funcionando a un 60% de su capacidad nominal reduce el
efecto de cualquier corriente con armónicos.
Si
no es posible reducir la carga del transformador se puede instalar otro
conectado en paralelo o simplemente cambiarlo por uno de mayor capacidad.
Estos transformadores
tienen ciertas cualidades especiales, ya que su construcción difiere de los
transformadores comunes. Están diseñados para operar con señales contaminadas y
a plena capacidad. Algunas características constructivas son: Devanado primario
con conductor ampliado, para soportar las corrientes armónicas, doble sección
del conductor neutro en el secundario para tolerar armónicos de secuencia cero.
El diseño del núcleo magnético con una menor densidad de flujo usando mayores
grados de hierro, además se utiliza conductores con mejor aislación en el
secundario y puestos en forma paralela y transpuesta con el fin de reducir el
calentamiento.
Cálculo del
factor K.
Se requiere un
método para incorporar las magnitudes de carga desde un análisis armónico
determinado o bien desde el contenido armónico de una corriente en particular.
Para desclasificar la capacidad nominal de un transformador se ha desarrollado
una ecuación para obtener el factor k adecuado:
Donde:
Ih
= Corriente armónica (valor máximo)
h
= Número del armónico
I
rms = Corriente efectiva total
I máx (pu) = Corriente máx que podría
circular por el transformador expresada en por unidad.
Ejemplo:
Tenemos un transformador que alimenta una
carga no lineal, el espectro armónico de la corriente se muestra a
continuación:
Figura 7.5
Así calculando la corriente rms:
Debemos
utilizar el transformador a un 76.9% de la capacidad nominal cuando alimenta
una carga con las características tratadas.
Observación:
El cálculo del factor K debe realizarse con la mayor cantidad de armónicos
posible, ya que si sólo utilizamos los primeros armónicos presentes en la corriente,
la capacidad permitida calculada será mayor y podemos sufrir de todos modos el
efecto de los armónicos.
Es importante que el cálculo del factor k
sea correcto ya que un factor k excesivo crea problemas similares al
sobredimensionamiento de transformadores. Cuando se utiliza un transformador de
gran capacidad, su impedancia es reducida y esto implica corrientes de gran magnitud en caso de
cortocircuito, obligando a los componentes de la instalación tener la capacidad
de soportar la condición de falla.
Otro inconveniente del transformador con
factor K, es que sólo es aplicable a las cargas que poseen el contenido
armónico con el cual se calcula. Si se cambia el tipo de carga o se agregan
nuevos consumos contaminantes, el transformador nuevamente presentará efectos
provocados por la distorsión armónica.
Cuando se encuentran transformadores con el
factor K se denominan por: K-1,K-4,K-9, K-13,K-20,K-30,K-40. Cada uno de ellos
indica un nivel de distorsión que pueden soportar sin sobrecalentarse; K-1 significa
que el transformador es de tipo convencional, preparado sólo para las pérdidas
de corrientes parásitas y las que se originan para la frecuencia de trabajo
nominal, un factor K-40 nos dice que el transformador puede alimentar cargas
con gran distorsión sin sufrir percance alguno.
En
un sistema de distribución podemos encontrar múltiples tipos de consumo, cargas
lineales y no lineales. Cuando un transformador alimenta carga no lineales, se
producen perturbaciones en el voltaje de alimentación que perjudican también a
las cargas no contaminantes.
Las
corrientes armónicas demandadas por las cargas provocan un voltaje armónico en
la impedancia del transformador o el conductor alimentador. Si tenemos una
corriente armónica de 5(A) sobre una impedancia de 0.1, existirá un voltaje armónico de 0.5(v). Estos voltajes
armónicos afectan la calidad del servicio en el sistema de distribución.
Figura
7.6
Algunos
efectos sobre el voltaje de alimentación pueden ser que la señal original
adopta forma de onda senoidal con “punta plana”, esto causa problemas en los
circuitos que alimentan redes computacionales, provocando en algunos casos un
mal funcionamiento en los equipos cuya fuente de alimentación está compuesta
por sistemas rectificadores de tipo
diodo-condensador que dependen del valor máximo de la señal de entrada.
A continuación se
muestran algunas irregularidades en el voltaje provocadas por cargas no
lineales.
Figura 7.7
Notches en la señal de voltaje
Se
producen ciertas irregularidades en la señal de voltaje de red por causa de la
distorsión armónica, una de estas es la aparición de incisiones en la señal
sinusoidal denominados “notches”. Comúnmente se producen cuando se alimentan
circuitos compuestos por diodos controlados. Cuando se produce la conmutación
pueden haber diodos simultáneamente en estado de conducción y por un pequeño
lapso de tiempo se presenta un cortocircuito que reduce drásticamente la
tensión de entrada. Los cortes en la señal pueden aparecer en distintos
ángulos, dependiendo del tipo de control que tenga el convertidor.
En algunos casos el voltaje puede caer
a valor cero o bien cambiar de polaridad. Durante un ciclo normal de una señal
sinusoidal tenemos dos cruces por cero. Algunos aparatos electrónicos están
diseñados para accionar cuando detectan un cruce por cero, otros elementos
utilizan la señal para regular un temporizador interno.
También algunos sistemas de control utilizan los cruces por cero para
determinar los pulsos de disparo en diodos controlados, si existen diferentes
convertidores en un mismo sistema, pueden afectarse entre sí.
Para eliminar este fenómeno se requiere
que el elemento causante sea aislado de otros equipos sensibles en un mismo
sistema de distribución. El método más sencillo es utilizar transformadores de
aislamiento o bien reactores de línea. Cuando el sistema de distribución tiene
baja impedancia(sistema robusto) el efecto de los notches no será severo, en
sistemas de gran impedancia el caso será grave y existen mayores posibilidades
de afectar otros equipos.
En
ambientes industriales también afecta los motores de inducción por la presencia
de armónicos de secuencia negativa (5º, 11º etc.). Como se analizó en el capítulo
de inversores, un motor alimentado por convertidores de estado sólido está
expuesto a una tensión no sinusoidal, con distintos grados de distorsión
dependiendo del tipo de convertidor. La presencia de armónicos de secuencia
negativa provoca torques opuestos al torque producido por la señal fundamental
y esto se refleja en pérdidas adicionales que afectan el rendimiento y la vida
útil de la máquina. No sólo los motores controlados por elementos
semiconductores pueden presentar problemas, ya que si un sistema de
distribución tiene problemas de distorsión armónica afectará a las demás cargas
entre ellas las máquinas que no reciben una tensión sinusoidal para funcionar.
Los condensadores que corrigen el
factor de potencia pueden formar circuitos resonantes con las partes inductivas
del sistema de distribución cuando las armónicas de voltaje caen en sintonía
con el grupo LC. Al producirse este efecto la componente de armónica de
corriente incrementa su valor en forma considerable sobrecargando los
condensadores y muy probable que las protecciones del banco operen. Si las
protecciones actúan y desconectan los condensadores, el efecto resonante
desaparece.
Para evitar este problema existen
condensadores antiresonantes que tienen una reactancia conectada en serie con
el capacitor para modificar la frecuencia en la cual se alcanza la resonancia.