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Cómo combatir los armónicos

Sin duda alguna, la electrónica de estado sólido se ha transformado en una parte inseparable de nuestra forma de vida. Su operación, eso sí, conlleva un problema, pues estos son generadores de corrientes armónicas debido a sus características de conmutación.
Los variadores de frecuencia utilizados para controlar la velocidad de los motores eléctricos son una de las principales causas de distorsiones armónicas en la industria.

Muchos dispositivos electrónicos que utilizamos diariamente (como televisores, computadores, impresoras, hornos microondas, lámparas fluorescentes compactas, videojuegos, cargadores de celulares, etc.) son conocidos como “cargas no lineales”. Este tipo de cargas funcionan con Corriente Continua (DC) y, por ello, requieren fuentes convertidoras de Corriente Alterna (AC) a Corriente Continua (DC). En esencia, estas fuentes consisten en puentes de diodos rectificadores de onda completa, los que alimentan un capacitor en paralelo con la carga.

No obstante, la continua carga y descarga del capacitor provoca distorsiones en la forma de onda de la corriente, manifestándose con crestas puntiagudas. Este tipo de anomalía se repite en forma periódica durante todo el tiempo de uso del artefacto electrónico, y se conoce como “distorsión armónica”. Su nombre tiene origen en la operación matemática que se utiliza para analizar este fenómeno, denominada “Análisis de Fourier”, y que consiste en descomponer la señal distorsionada en múltiples señales senoidales de diversas frecuencias, las que a su vez son múltiplos de la señal original. Estas señales senoidales son llamadas “armónicas”.

En la Figura 1, se puede observar cómo la suma de las tres señales de la descomposición de Fourier (B) resulta en la señal distorsionada (exhibida en la señal A). Las corrientes armónicas se propagan por las redes de distribución eléctrica y, como no son parte del diseño original del sistema, afectan los índices de calidad de suministro y reducen la eficiencia del sistema, aumentando las pérdidas de energía.

La tabla de la página siguiente resume el efecto de las corrientes armónicas en los distintos componentes de un sistema de distribución en Baja Tensión.


Análisis técnico del problema de las armónicas

Un conjunto de fasores (corrientes o tensiones) desequilibrados, por medio de la transformación de Fortescue (componentes simétricas), se descompone en tres conjuntos de fasores simétricos equilibrados: un conjunto de secuencia primaria (o positiva), uno de secuencia secundaria (o negativa) y otro de fasores homopolares (o secuencia cero), como se ve en la Figura 2. Esta transformación es lineal, y se puede escribir cada fasor original como una combinación lineal de los tres sistemas de tensiones anteriores. (Ver figura 2)

Las amplitudes de los fasores de secuencia positiva, negativa y cero no son iguales entre sí, y dependen del grado de desequilibrio que presenten los fasores trifásicos reales. Sin embargo, como son sistemas simétricos, el fasor de secuencia positiva de la fase U será idéntico en magnitud que el fasor de secuencia positiva de las fases V y W (sistema trifásico denominado U-V-W).

Los armónicos en la red representan importantes pérdidas económicas y de tiempo, especialmente por el mantenimiento y reemplazo prematuro que implica este fenómeno.

Para un sistema con cargas no lineales, las corrientes de fase presentarán, además de la frecuencia fundamental de 50 Hz, componentes armónicas adicionales. Típicamente, se trata de componentes armónicos impares de orden 3, 5, 7, 9, 11, etc., dependiendo del tipo de carga conectada y de la conmutación que se lleve a cabo en ella.

Para el caso de los armónicos impares múltiplos de 3, como son de triple frecuencia, ellas están en fase y, por ende, su valor en el neutro será la simple suma lineal de estas componentes de cada fase. Este fenómeno traerá como consecuencia una alta corriente de neutro, ya que estas corrientes se sumarán a las componentes de secuencia homopolar que existen por desequilibrio. En consecuencia, aumentarán las pérdidas en el conductor de neutro. Junto con esto, la propagación de las corrientes armónicas ayuda a incrementar el desbalance de los niveles de voltaje y el aumento de las pérdidas en el transformador. Dicho de otra forma, el sistema de distribución en baja tensión pierde eficiencia.


Una solución para los armónicos de secuencia cero
Reactor trifásico usado para resolver el problema de los armónicos de secuencia homopolar.

En la actualidad existen en el mercado diversas soluciones para resolver los problemas de armónicos de secuencia homopolar (o de secuencia cero).

Una de ellas es el uso de un reactor trifásico que se conecta en paralelo a las cargas de la red eléctrica y absorbe las corrientes armónicas desde el neutro del circuito y las reinyecta a las fases. Este efecto es realizado en los puntos trifásicos de cada circuito de baja tensión, evitando así la propagación de las corrientes armónicas por el cable de neutro, disminuyendo las pérdidas, estabilizando los voltajes, recuperando la eficiencia del sistema y liberando potencia del transformador de distribución de la red. Al conectar dicho reactor al circuito contaminado, su baja impedancia atraerá las corrientes de secuencia cero y proveerá un camino alternativo para las armónicas, evitando la circulación hacia el transformador. El efecto neto de esta atenuación de corrientes de secuencia cero es que se reduce la pérdida Joule (I2R) del neutro y de los devanados del transformador. La aplicación se reduce casi inexorablemente a redes de baja tensión, porque es allí donde se conectan las cargas no lineales entre fase y neutro y se produce la circulación de componentes de secuencia cero.


José Eduardo Muñoz - Consultor en Innovación Social Digital Grupo ATO SpA., Ciudades y Territorios Inteligentes
jemz@grupoato.com
Julio 2019
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