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DISTORSIONES ARMÓNICAS
Cómo convivir con los armónicos y no sufrir en el intento

Las llamadas “cargas no lineales” (tales como variadores de frecuencia, máquinas de soldar, inversores y rectificadores, entre otros), generan importantes distorsiones en la red eléctrica: los armónicos. Este problema no es nuevo, pero ¿qué se está haciendo realmente para prevenirlo y qué tan eficientes son las soluciones tecnológicas existentes hoy en el mercado?

Básicamente, los armónicos se generan por el tipo de carga que se conecta a la red eléctrica. Los equipos que cuentan con componentes electrónicos, son la mayor fuente de armónicos hacia el sistema eléctrico. Si bien pueden ser componentes pequeños, con escasa potencia en términos de volumen, en su conjunto la cantidad de distorsión que potencialmente ocasionan pudiese llegar a ser relevante.

“En electricidad, existen dos variables principales: voltaje y corriente; los armónicos son componentes de corriente que llegan al sistema y afectan, a su vez, al voltaje. Por ende, el voltaje armónico es una consecuencia de las corrientes armónicas que producen los dispositivos electrónicos que se conectan a la red eléctrica”, explica Javier Muñoz, Decano de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Talca.

A su vez, Matías Díaz, académico del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería USACH, agrega que las distorsiones son generadas principalmente por el constante aumento de cargas electrónicas que, para su funcionamiento, requieren de etapas de conversión AC/DC - DC/AC. “En estas conversiones, se originan componentes de frecuencia no deseados, los que se conocen como ‘armónicos’, pues tienen frecuencias que son múltiplos de la frecuencia de carga (50 Hz). Por lo tanto, productos como PCs, televisores, microondas y motores accionados por algún equipo electrónico, representan cargas que producen contaminación armónica”.

En general, esta situación se manifiesta en equipos de cargas no lineales (impedancia no constante en función de la tensión), y se vislumbran con cierta frecuencia en variadores de frecuencia, máquinas de soldar, inversores y rectificadores, entre otros.

“Generalmente, a nivel industrial, los motores incluyen, para el control de velocidad, variadores de frecuencia, los que permiten modificar la velocidad de operación de los aparatos; como consecuencia de esto, se generan armónicos hacia la red”, explica Muñoz. “Si bien algunos son motores pequeños, en su conjunto pueden llegar a producir una importante cantidad de distorsión y contaminar la red”, añade Díaz.


Problemas principales

De acuerdo a Manuel Morales, Subdirector Escuela de Ingeniería, Área Electricidad, Automatización y Energías Renovables en Duoc UC, algunos de los problemas típicos que pueden ocurrir son: disparos intempestivos de interruptores automáticos y diferenciales; vibraciones en tableros eléctricos y/o enlaces en redes de datos; y deterioro en la forma de onda de la tensión. “Por lo tanto, se produce un desperfecto de los aparatos eléctricos y degradaciones del aislamiento de los transformadores”.

A su vez, Muñoz agrega que también se origina un sobrecalentamiento de los conductores de neutro y la subutilización de la línea eléctrica (ya que parte de esta debe ser utilizada para la circulación de armónicos en vez de la transferencia de potencia), por lo que, en ambas situaciones, se genera en el largo plazo la disminución de la vida útil de las instalaciones.

“Como se puede observar, este es un contratiempo real y no un simple ejercicio de pizarra. Puede resultar un poco difícil de explicar, debido a que es bastante abstracto, pero sin duda constituye un problema concreto que provoca pérdidas económicas en cualquier tipo de inversión. Nuestras redes eléctricas están cada vez más limitadas porque estamos generando más plantas de generación; sin embargo, seguimos teniendo las mismas líneas de transmisión”, enfatiza el académico.

Díaz asegura que, al ser componentes de otras frecuencias, en tensión y corriente, los armónicos producen pérdidas en la potencia utilizable por la carga, lo que genera sobrecalentamiento en los conductores. También disminuyen el factor de potencia, ya que la capacidad de potencia activa utilizable en 50 Hz se ve afectada. “Además, existe una serie de otros problemas como el mal funcionamiento de artefactos electró- nicos y la degradación de aislamiento en transformadores y motores”, añade.

Los variadores de frecuencia generan una importante cantidad de armónicos hacia la red. Por ello, las generaciones más nuevas incluyen filtros para aminorar sus efectos.

Detección e instrumentos

En la actualidad, no es complejo detectar la existencia de distorsiones armónicas en la red, asegura Muñoz. Existen equipamientos especializados para medirlas, como es el caso de un analizador de calidad de suministro. “Este tipo de equipo mide las variables eléctricas (voltaje y corriente) por un determinado tiempo, entregando un índice de Distorsión Armónica Total (THD), el que está bien cuantificado y es muy conocido por la mayoría de los ingenieros eléctricos y electrónicos que trabajan en esta área”, sugiere.

Asimismo, Díaz añade que la detección de esta clase de contaminación puede realizarse empleando medidores y registradores de energía eléctrica. Estos equipos se instalan en puntos clave del sistema eléctrico y registran variables como tensión, corriente, potencia activa, potencia reactiva y THD. “Desde el análisis de estas mediciones es posible realizar un estudio de calidad de energía y determinar qué tan graves son los problemas”, asevera.

Cabe destacar, por ejemplo, que los tan mencionados medidores inteligentes (los que básicamente son contadores avanzados de electricidad), también están capacitados para medir armónicos.

Para Morales existen tres acciones clave que permiten detectar estos problemas en la red eléctrica: utilizar un osciloscopio; medir el factor de potencia; y emplear un analizador de frecuencias. “Mediante el uso de un osciloscopio se puede observar la forma de una onda de la señal de voltaje de la red, detectando cualquier distorsión que se haga presente. En general, se notará que la forma de onda observada no será sinusoidal”, asegura.

A su vez, explica, en el segundo caso la relación entre las potencias activas y aparentes se miden, y luego se comparan con los valores nominales esperados por la red. De aparecer diferencias en el factor de potencia, se puede presumir la presencia de armónicos en la red.

Por último, un analizador de frecuencias es capaz de ayudar a detectar su presencia e incluso, profundizando, “se puede encontrar analizadores digitales especialmente diseñados para la detección y análisis de armónicos en la red”, aclara.


Soluciones tecnológicas

Hoy en día existen protecciones que cuidan de los efectos nocivos de los armónicos. En este caso resulta relevante saber cuantificar dichos efectos y adaptar las medidas en función de las necesidades relativas al proceso industrial y de los receptores presentes en el mismo sistema. “Esto debido a que cada receptor presenta un nivel de ‘inmunidad’ diferente ante las perturbaciones armónicas”, explica Morales.

Los expertos coinciden en que la tecnología aplicada a estas problemáticas en general pasa por la instalación de filtros pasivos y activos que permiten “capturar” las corrientes armónicas presentes en la instalación A grandes rasgos, los filtros pasivos están compuestos por inductores y capacitores, que se diseñan para que su respuesta en frecuencia mitigue alguna de las componentes armónicas. Sin embargo, presentan desventajas, como su limitada respuesta en frecuencia y dinámica ante cambios en la carga.

Mediante el uso de un osciloscopio se puede observar la forma de una onda de la señal de voltaje de la red, detectando cualquier distorsión que se haga presente.

A su vez, los activos, con rendimientos y potencias que aumentan con el progreso de la electrónica de potencia, permiten filtrarlos hasta un rango determinado. “Estos filtros se han calculado para asegurar la compensación de la energía reactiva de la instalación”, aclara Morales.

Por otro lado, Díaz indica que existen normativas que establecen límites a la contaminación armónica. Tal es el caso de la Norma Técnica de Calidad de Servicio para Sistemas de Distribución, normativa nacional que se basa en el estándar internacional IEEE 519, que establece los límites individuales en que cada componente armónico es permitido. “Adicionalmente, se indica que los valores eficaces de la tensión promediados en 10 minutos deberán ser tales que la distorsión armónica total de tensión no supere el 8%, tanto en BT como en MT”, detalla.

Para Muñoz, una alternativa concreta para evitar los armónicos es ocupar equipos de gama más alta, pues estos vienen predefinidos para generar una cantidad acotada y permiten operar de mejor forma. La medida más simple para prevenirlos, asegura, es no utilizar más de lo necesario o restringir al máximo el uso de equipamientos electrónicos.

“Obviamente, esto resulta bastante complejo, ya que estos aparatos se han vuelto vitales para el correcto funcionamiento de una vivienda o de un complejo industrial. El punto es que hay que aprender a convivir con los armónicos; no podemos obviarlos”.

Julio 2019
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Comentarios acerca de este artículo
Edgardo Rivera Rhona SA (10/09/2019)
He observado informes de calidad de energía donde aplican la norma de armónicos al punto de medición en BT donde colocan el equipo a medir, mas dice punto de acople a la red que en tarifa AT es en media tensión? Los valores leídos deben reflejarse a MT para que el informe sea valido?
Cristian Guevara Vicuña E3: Expertos Eficiencia Enerfgética (18/07/2019)
El uso de filtros de armónicos incide directamente en la eficienxcia energética de las redes, desde el punto de vista más purista (reducción de pérdidas). Su diseño debe considerar tanto la limitación de algunos armónicos específicos como el cumplimiento de determinados factores de potencia.
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