[dropcap]L[/dropcap]a 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.
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.
¿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
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:
[highlight]1. Reactores de línea[/highlight]. Los reactores de línea representan la solución más sencilla y económica; 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 dispositivos (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.
[highlight]2. Filtros de bloqueo del tercer armónico (H3).[/highlight] 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 alimentan a una serie de cargas monofásicas, es preferible conectar un filtro de bloqueo FB3 directamente en serie con el neutro del tablero.
[highlight]3. Transformadores Estrella-Delta.[/highlight] 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 transformador y, en su caso, hacer ajustes a la potencia capacitiva para eludir dicha resonancia.
[highlight]4. Transformadores zigzag.[/highlight] 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.
[highlight]5. Filtros LCL. [/highlight]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 generan 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.
[highlight]6. Transformador separador de armónicos (TSA).[/highlight] 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.
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[author image=”https://www.mundohvacr.com/wp-content/uploads/2016/09/Víctor-Rodríguez.jpg” ]Víctor Manuel Rodríguez Reyna
Ingeniero Mecánico Electricista por la UNAM, con diplomado en Administración Pública (INAP). Se especializa en el ahorro y la calidad de la energía eléctrica a nivel industrial, comercial y del sector servicios. Ha sido colaborador de empresas industriales, comerciales y paraestatales. Ha escrito artículos para revistas especializadas en energía eléctrica y uso eficiente de la energía. Ha sido expositor y moderador en diversos foros nacionales. Actualmente, es Director General de Capacitores Alpes Technologies México, filial de su matriz francesa Alpes Technologies, con sede en Annecy, Francia. Es miembro de AMERIC, UNCE y de ASHRAE Capítulo Ciudad de México [/author]
