Las redes de BT y MT están sometidas cada vez más
a armónicos de corriente y de tensión que las polucionan. Estos armónicos están
generados por cargas no lineales, cada vez más presentes en las redes actuales,
cargas que integran variadores de frecuencia, reguladores de corriente
continua, hornos de inducción, alimentación de seguridad, iluminación económica
y de lámparas de descarga.
Los armónicos de corriente y tensión pueden
comprometer fuertemente a los transformadores, hasta destruirlos, por lo que
las instalaciones con fuerte componente armónica deberán disponer
transformadores especialmente adaptados para poder tolerar estas
perturbaciones.
Los armónicos influyen fundamentalmente sobre los
transformadores de distribución reductores (típicamente triángulo-estrella
420/230 V) en los que el mayor porcentaje de cargas suelen ser equipos electrónicos
monofásicos, por lo que:
- La corriente en el neutro se verá considerablemente aumentada debido a la circulación de los armónicos “triplen” (de orden tres y sus múltiplos), si la sección del neutro no se ha sobredimensionado en consecuencia, el transformador puede verse comprometido en una grave avería e incluso en un incendio.
- Las corrientes armónicas del neutro se reflejan en el triángulo, por donde circulan elevando la densidad de flujo en el núcleo aumentando así las pérdidas en vacío y el nivel de ruido.
- Las corrientes de Foucault (PCF), proporcionales a la frecuencia, aumentan considerablemente.
En consecuencia, cuando las instalaciones
incluyen cargas de tipo electrónico es aconsejable emplear secciones de neutro
del doble que las de fase. Conviene además vigilar la corriente del neutro para
verificar si realmente es adecuada su sección.
Una buena forma de ahorrarse estos problemas cuando
la gran mayoría de las cargas son monofásicas es la realizada en muchas
instalaciones de oficinas al distribuir un neutro independiente para cada fase,
en lugar de un neutro común, lo que equivale a distribuir con tres sistemas
monofásicos; se acostumbra a añadir una distribución trifásica sin neutro para
alimentar las escasas cargas trifásicas.
Por otro lado, los equipos electrónicos
trifásicos, los denominados convertidores (rectificadores), debido a su propia
concepción a base de diodos y tiristores, provocan corrientes no sinusoidales
generadoras de corrientes armónicas que igualmente perturban el normal
funcionamiento de los transformadores. Una consecuencia directa de estos
equipos es el aumento de las pérdidas debidas a la carga en las bobinas y
conexiones, y por tanto un excesivo calentamiento.
Cuando las características del rectificador y el
espectro de los armónicos (rango y tasa) son conocidos, la norma IEC 61378-1
permite calcular dichas pérdidas adicionales, en concreto:
- Las pérdidas parásitas en arrollamientos y conexiones ≈ 10%
- Las pérdidas suplementarias (PS) o pérdidas parásitas en las partes estructurales del acero ≈ 5%
Soluciones preventivas básicas en la instalación
Las soluciones preventivas básicas posibles para
atenuar los efectos de los armónicos consisten en:
- Posicionar las cargas polucionantes al principio de la red.
- Reagrupar las cargas polucionantes.
- Separar las fuentes de alimentación.
- Utilizar transformadores con impedancia de cortocircuito lo más baja posible.
- Disponer inductancias en la instalación.
- Elegir un esquema de conexión a tierra adaptado.
Otra solución preventiva que puede aplicarse consiste en utilizar transformadores con acoplamientos especiales, ya que algunos grupos de conexión tienen la propiedad de suprimir ciertos rangos de armónicos, de forma que:
- Un grupo de conexión Dy11 frena los armónicos de rango 3 (los armónicos circulan por cada fase y se cierran por el neutro del transformador).
- Un grupo de conexión Dz5 frena los armónicos de rango 5 (que se cierran por el circuito magnético).
- La utilización de un transformador Dd0y11 frena la propagación de los armónicos de rango 5 y 7 aguas arriba de la red (figura 1).
Figura 1: Transformador de doble secundario Dd0y11 desfasados 30º
Para saber más sobre este
tipo de transformadores especiales, ver posts:
Transformador + rectificador ¿Qué acoplamiento elegir?
Transformadores de doble secundario:
Solución a las cargas no lineales de los grandes grupos rectificadores
Soluciones propuestas en los transformadores
Frente
a este fenómeno, con arreglo al tipo de armónicos y a su importancia, existen dos
tipos de soluciones, a veces complementarias:
- El sobredimensionamiento del transformador desde su fabricación.
- La colocación de sistemas de filtros.
La segunda solución no es el objetivo de este artículo, por lo que dirigimos al lector interesado en el tema al siguiente post: “Filtros activos, solución para mejorar la calidad de las redes eléctricas”, en el siguiente link:
https://imseingenieria.blogspot.com/2015/08/filtros-activos-solucion-para-mejorar.html
Sobredimensionamiento del transformador
Los
transformadores utilizados específicamente para el confinamiento y control de
armónicos, no son transformadores convencionales, ya que estos sufrirían un
calentamiento excesivo (mayores pérdidas), sufrirían un alto factor de
desclasificación, y en el peor de los casos podrían llevar al transformador a
su destrucción.
Estos
transformadores se construyen con materiales y características especiales para
este fin, ya que han de estar preparados para poder soportar, en permanencia,
los efectos de los armónicos, y mantener unas prestaciones mínimas de calidad
de tensión. Las principales características y soluciones adoptadas para este
tipo de transformadores son:
- Sobredimensionamiento de los conductores primarios para soportar las corrientes de circulación reflejadas de los armónicos “triplen”.
- Las secciones del neutro y sus conexiones se dimensionan para una corriente doble de la de línea.
- El núcleo está diseñado para una menor densidad de flujo. Se emplea menor cantidad de material, pero de mejor calidad, por ejemplo acero magnético M6.
- Las pérdidas por corrientes de Foucault en los conductores de estos transformadores se pueden reducir empleando varios conductores paralelos aislados entre sí. A veces se utilizan conductores de tipo fleje y otras técnicas de interpolación y transposición de conductores.
- Tienen una capacidad térmica especial.
Por tales circunstancias, un transformador convencional no puede ni debe funcionar a su potencia nominal y debe o cambiarse por otro de mayor potencia o disminuirse la carga. El transformador se “desclasifica” asociándole una potencia equivalente.
El factor de desclasificación “K” de
transformadores y las normas
En
el caso de una red contaminada por armónicos de corriente, la norma IEC 61378
-1 define coeficientes de reducción de potencia en transformadores determinados
a partir de la tasa y rango de los armónicos de corriente. En primera
aproximación, cuando estos parámetros se desconocen, se pueden admitir los siguientes
coeficientes de incremento medio:
PJ x 1,03;
PCF x 5; PS x 1,30
Esta
estimación conduce a un aumento medio de las pérdidas debidas a la carga del
orden del 45% con relación a un transformador standard, este aumento medio de
las pérdidas permite determinar la potencia del transformador de conversión
aplicando el coeficiente de desclasificación K = √1,45 = 1,20.
Ejemplos:
■ Para un transformador nuevo:
Potencia
útil en conversión 1000 kVA
Potencia
equivalente = 1000 x 1,20 = 1.200 kVA (potencia normalizada superior = 1.250
kVA)
■ Para un transformador
existente de 1000 kVA
Potencia
útil en conversión = 1000 x 1/1,20 = 800 kVA.
La
potencia equivalente de un transformador es la correspondiente a la sinusoidal
que provoque las mismas pérdidas que las producidas con la corriente no
sinusoidal aplicada. Esta potencia equivalente es igual a la potencia basada en
el valor eficaz de la corriente no sinusoidal multiplicada por el factor “K”.
En
el caso en que un transformador en servicio se desee cargar posteriormente con
corrientes armónicas un factor reductor de 1/K debe ser aplicado a la potencia
asignada.
El
factor “K” se define como aquel valor numérico que representa los posibles
efectos de calentamiento de una carga no lineal sobre el transformador y está
definido en las normas UNE EN 50541-2 y UNE EN 50464-3.
El
factor K, según la norma UNE, se obtiene por la siguiente fórmula:
Dónde:
e
- pérdidas por corrientes de Foucault debidas a la corriente sinusoidal a la frecuencia
fundamental, divididas por las pérdidas debidas a una corriente continua igual
al valor eficaz de la corriente sinusoidal, ambas a la temperatura de
referencia. Este valor lo proporciona el fabricante del transformador y suele valer
0,3.
n
- orden del armónico
I
– valor eficaz de la corriente sinusoidal y, en el otro caso, la de la
corriente no sinusoidal, conteniendo todos los armónicos.
In
– es la corriente del enésimo armónico (amplitud o valor eficaz).
I1
- es la corriente fundamental (amplitud o valor eficaz).
q
– es una constante exponencial que depende de los arrollamientos y de la frecuencia.
Pueden
utilizarse los siguientes valores:
- 1,7 para transformadores con conductores redondos o rectangulares en los arrollamientos de baja y alta tensión
- 1,5 Para transformadores con conductores de lámina en baja tensión.
A
veces distintas distribuciones de carga llevan a idénticos factores K.
Existen
en el mercado analizadores de armónicos que proporcionan tanto la distorsión
armónica como el factor K.
Para
facilitar el cálculo del factor de desclasificación “1/K” se adjunta una hoja
de cálculo en la cual solo se deberá introducir (haciendo doble clic en el
centro de la página Word para que se transforme en Excel), los siguientes
datos:
- La intensidad correspondiente al rango de armónico en la columna B (medida realizada justo en la salida del secundario del transformador).
- La potencia del transformador en la casilla I6.
- La tensión nominal de placa del transformador en la casilla I7.
Esto es todo, la hoja de cálculo proporciona el factor 1/K en la casilla I11 y la potencia máxima exigible al transformador en la casilla I12, adicionalmente el software también facilita la tasa total de distorsión armónica THDi en la casilla I10 y su espectro armónico.
Link
para acceder a la hoja de cálculo:
La
Guía de aplicación IEEE 519 de 1996, da, a través de la curva siguiente, la
desclasificación típica a aplicar a un transformador alimentando cargas
electrónicas.
Figura 2: Ejemplo: Si el transformador va a
alimentar a una carga general que incluya un 40% de cargas electrónicas, debe desclasificarse un
40% según esta curva si ya está instalado o bien aumentarse un 40% si está en
fase de proyecto.
La
norma ANSI C57.110 define un coeficiente de desclasificación, llamado factor K,
por la fórmula siguiente:
Este
coeficiente de desclasificación factor K, más restrictivo, es muy utilizado en
América del Norte.
En el ejemplo siguiente, se obtiene un factor K igual a 13:
Hay
que considerar que el sobrecoste de un transformador dimensionado con dicho factor
K varía del 30 al 60% dentro de los márgenes de potencias comprendidas entre 15
y 500 kVA.
Esta
solución de sobredimensionamiento sólo puede ser contemplada cuando es conocida
la polución armónica y transmitida al fabricante antes del estudio del
transformador.
Potencia de un Centro de Transformación (CT) para
una instalación con armónicos
El proyectista de un CT, para poder calcular la
potencia total del transformador que debe instalar en el CT, no solo debe
conocer la potencia de cada uno de los equipos que van a integrar la
instalación, sino además, debe saber cuáles de esas cargas son cargas no
lineales y conocer cuál es su componente armónica, bien por consulta del manual
de instrucciones del fabricante de los equipos en cuestión, bien por
experiencia de otras instalaciones similares realizadas anteriormente o bien por las guías de las normas (IEC 61378
-1, IEEE 519 de 1996,…) según se ha indicado anteriormente.
Por ejemplo, El manual de instalación de un
rectificador cargador de 122 kVA sin inductancia de compensación de armónicos
de un determinado fabricante, nos da el 30% de distorsión de corriente siendo
el armónico más representativo el 5º con una tasa individual del 28%, el 7º con
el 5% y el 11º con el 6%.
De igual forma sabemos por el fabricante que un
variador de velocidad de 23 kVA tiene
una tasa de distorsión total del 124% donde el 5º armónico se sitúa en el 81%
de la corriente fundamental, el 7º con un 74%, el 11º con el 42%, el 13º con el
31%...etc.
El alumbrado fluorescente tendría por luminaria con
potencia de 180 VA una distorsión total del 37% donde el 3º armónico es el más
representativo con el 36% del valor de la corriente fundamental.
También se puede abordar el tema de forma más
general conociendo de antemano cual suele ser la distorsión armónica de una
instalación, por ejemplo, de un gran edificio dedicado a oficinas donde existe
alumbrado fluorescente y equipos electrónicos de informática y ofimática, etc,
el nivel armónico en el cuadro general de esta instalación con 1200 A rms de
corriente fundamental, sería el siguiente:
Como se puede observar, hay varias formas de estimar
con antelación cual puede ser la distorsión armónica de la instalación que
estamos proyectando y por tanto conocer también el factor k del transformador
que debemos instalar.
Si algo fallara y observamos que en la puesta en
marcha de la instalación el transformador que hemos proyectado se nos ha
quedado muy ajustado en potencia, siempre podremos solucionar el problema
poniendo filtros de compensación de armónicos en algunos equipos de la
instalación, todo esto ya se tiene en cuenta en la fase de proyecto.
BIBLIOGRAFÍA:
UNE-EN 50541-2: Transformadores trifásicos de
distribución tipo seco 50 Hz, de 100 kVA a 3150 kVA, con tensión más elevada
para el material de hasta 36 kV. Parte 2: Determinación de las características
de potencia de un transformador cargado con corrientes no sinusoidales.
UNE-EN
50464-3: Transformadores trifásicos de distribución sumergidos en aceite 50 Hz,
de 50 kVA a 2 500 kVA con tensión más elevada para el material hasta 36 kV.
Parte 3: Determinación de la potencia asignada de transformadores con
corrientes no sinusoidales.
IEEE 519 – 1996: Guide for Applying Harmonic Limits on
Power Systems
ANSI/IEEE C57.110-1986: Recommended
Practice for Establishing Transformer Capability When Supplying Nonsinusoidal
Load Currents
Sintonizando
con los armónicos de potencia. Revista ELECTRA. Mayo 1995.
Desclasificación
de transformadores y factor K. Revista ELECTRA. Setiembre 1994.
A Quaterly Tutorial and Update On Non-Linear
Transformer Issues. Technical Papers. Square D Company. Enero, 1992.
POST RELACIONADO:
Influencia
de los condensadores en redes con armónicos
