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Armónicos: su impacto en la calidad de energía

Las distorsiones armónicas están presentes en muchas industrias del país, causando problemas en su equipamiento y provocando paradas no planificadas. A medida que la Electrónica de Potencia aumenta su presencia en los procesos productivos, los problemas ocasionados por los armónicos irán en aumento. Por ello, en este artículo, revisamos qué son estos problemas y cómo combatirlos.

Los procesos industriales se pueden ver afectados por una mala calidad de energía, y los armónicos son una de las principales causas que inciden en ella, distorsionando la forma de onda del voltaje y la corriente, aumentando el nivel de corriente y afectando el factor de potencia. Esto puede causar fallas y reducción de la vida útil en equipos sensibles, hasta multas por mal factor de potencia.

Los armónicos se definen como el contenido de la señal eléctrica cuya frecuencia es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental del sistema (50 Hz en Chile). Por ejemplo, el segundo armónico está a 100 Hz, el tercero está a 150 Hz, etc. Como los armónicos se superponen a la forma de onda fundamental, la frecuencia de la electricidad no sigue una curva sinusoidal. La mayoría de los equipos eléctricos están diseñados para manejar frecuencias suaves. Por lo tanto, las distorsiones creadas por los armónicos pueden causar una variedad de problemas.

La distorsión armónica es causada muchas veces por las cargas no lineales en los procesos. En este sentido, es sensible a la carga, es decir, es causada por los dispositivos que extraen corriente no sinusoidal de fuentes de voltaje sinusoidal. Las distorsiones de corriente pueden producir distorsiones de voltaje. Cuando las corrientes con armónicos fluyen a través de los sistemas de generación eléctrica y las líneas de transmisión, se producen distorsiones adicionales debido a la impedancia de la red eléctrica.

Si las distorsiones exceden los límites recomendados, pueden generar calentamiento de motores, transformadores y cables de neutro; computadoras pueden exhibir errores de datos o pérdida de datos, y sistemas de control (como los PLC) puede operar fuera de secuencia. Una carga no lineal en un sistema de potencia se caracteriza por la introducción de una acción de conmutación (switching) y, en consecuencia, interrupciones de corriente. Algunos ejemplos de cargas no lineales que pueden generar distorsiones armónicas son computadoras, máquinas de fax, impresoras, refrigeradores, televisores, ballasts de iluminación fluorescente, máquinas de soldadura eléctrica, PLC y, especialmente, los variadores de frecuencia.


Técnicas de mitigación de armónicos

La generación de armónicos, siempre que se utilice un accionamiento de velocidad ajustable, es inevitable. El orden y la magnitud de estos armónicos dependerán en gran medida de la con- figuración de la unidad y la impedancia del sistema.

Aunque han aparecido nuevas tecnologías para corregir este problema, las técnicas de mitigación armónica más usadas son las siguientes:

Multiplicación de fase: Ya sea que el accionamiento sea AC o DC, un mé- todo común para reducir la generación de armónicos durante el proceso de diseño es por multiplicación de fase o cancelación armónica. Es eficaz en la reducción de armónicos de orden bajo siempre que la carga esté equilibrada.

Filtros pasivos: El factor de potencia mejorado reduce los armónicos de alta frecuencia. Los reactores de sintonización grandes no se utilizan, ya que puede ocurrir inestabilidad debido a la resonancia paralela con la impedancia de la fuente. El rendimiento depende de la impedancia de la fuente; no se puede medir con precisión y puede variar con los cambios del sistema. Por lo tanto, los filtros pasivos no son apropiados para cicloconvertidores.

Filtros activos: Con un factor de potencia mejorado, se puede controlar la corriente de salida. Los filtros activos proporcionan un funcionamiento estable contra la variación de impedancia de la fuente de CA y una respuesta rápida independientemente del orden y la magnitud de los armónicos. Estos filtros son apropiados para cicloconvertidores. Los costos iniciales y de funcionamiento suelen ser más altos que los filtros pasivos. La inyección puede fluir hacia otros componentes del sistema.

Inyección de armónicos: La inyección de armónicos se encarga de armónicos no característicos. La impedancia del sistema no forma parte de los criterios de diseño, ya que puede dar lugar a armónicos de orden bajo.

Técnicas de mitigación de armónicos con PWM (modulación por ancho de pulso): Los armónicos se pueden reducir a menos del 1% de lo fundamental con la ayuda de PWM; es programable para eliminar armónicos específicos. Además de las técnicas anteriores, los armónicos se pueden reducir mediante una serie de técnicas de circuito.

Los variadores de frecuencia son unos de los principales generadores de armónicos en la industria. Por ello, muchos fabricantes de estos equipos están integrando medidas para contrarrestar estas distorsiones.

Midiendo la corriente de la onda de armónicos

Cuando se habla de ondas armónicas, el énfasis siempre está en el voltaje de onda armónico. La resonancia es muy simple, porque la forma más fácil de observar la calidad de la potencia es por medio de un oscilador. La forma de onda observada con un oscilador es la forma de onda de voltaje, pero muy pocas personas pueden ver la forma de onda de la corriente. Como resultado, muchas personas asumen que el voltaje de onda armónico es el que está causando los problemas, aunque el verdadero causante es la corriente de onda armónica.

Por lo tanto, si tiene problemas de armónicos o de mal factor de potencia, debe conocer la medida de la onda de armónicos contenida en la forma de onda de la corriente o el valor porcentual dentro del sistema de energía. Sin embargo, medir la corriente no es sencillo a menos que se incluyan equipos especializados en el circuito.


Medición del voltaje de onda de los armónicos

Debido a un cambio en el valor de la corriente de carga, incluida la frecuencia base de 50 Hz y la corriente de onda armónica de cada nivel, se debe verificar si el voltaje es normal antes de conectar una carga. Habitualmente, la forma de onda de voltaje determina la calidad de la energía.


Recomendaciones

El Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) preparó la guía "IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems", que proporciona pautas para la calidad de la energía que la empresa distribuidora de energía eléctrica debe suministrar y los usuarios pueden devolver al sistema de distribución de energía. La guía sugiere correcciones en el sistema que son capaces de eliminar o reducir órdenes específicos de armónicos, como los reactores de línea y el uso de un convertidor front-end de 12 pulsos. Originado por el mismo organismo, el estándar IEEE 519 “Harmonic Control in Electric Power Systems” define los criterios de distorsión armónica de voltaje y corriente para el diseño de sistemas eléctricos. Los objetivos para diseñar sistemas eléctricos que contengan cargas lineales y no lineales se establecen en esta norma. Se explican las formas de onda de voltaje y corriente existencias en cada parte del sistema, y se establecen los objetivos de distorsión de la forma de onda para el diseñador del sistema. Este estándar se actualiza periódicamente y, desde su introducción en 1981, el estándar ha sido actualizado varias veces, siendo su edición más reciente la de 2014.

Noviembre 2021
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