Comportamiento armónico de una red

 

La cuestión de los armónicos afecta esencialmente a las redes eléctricas que alimentan equipos contaminantes con una potencia relativa suficientemente elevada con respecto a la fuente, así como a los condensadores.

En efecto, todo funcionamiento de una red eléctrica alterna va acompañado de una distorsión de las ondas sinusoidales de tensión e intensidad, debido a la naturaleza de los equipos o fuentes.

La noción de contaminación armónica de una red se cuantifica por la distorsión de la señal traducida en una descomposición espectral en amplitud y fase: onda fundamental (50 o 60 Hz) y rangos armónicos (enteros y continuos). De ello se deduce:

■ el índice global de distorsión armónica (THD) de las magnitudes de tensión y corriente, que es una medida del valor eficaz de la contaminación con respecto a la fundamental;

■ las leyes de composición de las magnitudes armónicas en relación con las amplitudes y las fases.

Objetivos

El estudio del comportamiento armónico de una red tiene por objeto:

■ identificar las situaciones de riesgo, que pueden provocar funcionamientos anómalos o sobrecalentamiento de ciertos equipos, envejecimiento prematuro de los equipos, perturbaciones electromagnéticas o mecánicas;

■ determinar las precauciones que deben tomarse para contener al máximo estas situaciones, garantizando así una contaminación aceptable en materia de normalización (equipos, instalación, alimentación).

Estas precauciones se refieren a:

■ la identificación de los contaminadores,

■ la estimación de soluciones de filtrado,

■ el dimensionamiento adecuado de las instalaciones,

■ la optimización de las arquitecturas de explotación.

Fenómenos y orígenes

Los distintos fenómenos eléctricos asociados a la presencia de armónicos se manifiestan a través de mecanismos interdependientes:

■ generación de fuentes armónicas de corriente y/o tensión por los contaminadores

■ efectos de la contaminación en el entorno inmediato de las fuentes contaminantes,

■ propagación de armónicos por toda la red y efectos extendidos a todos los receptores

■ composición de las distintas contaminaciones en cualquier punto de la red y en cada instante,

■ posible amplificación de la contaminación por efecto de resonancia en presencia de capacidades (línea larga, condensadores de compensación de energía reactiva)

La presencia de armónicos tiene varias causas:

■ funcionamiento normal de la red, como consecuencia de requisitos de funcionamiento y proceso: funcionamiento de cargas contaminantes a diferentes velocidades, conexión o desconexión de otros consumidores,

■ la estructura de la red eléctrica: niveles de tensión, separación de los contaminadores y cargas vulnerables, potencia relativa de las fuentes de los contaminadores y de  los condensadores.

Efectos y soluciones

Desde el punto de vista eléctrico, esta contaminación se manifiesta bajo las siguientes formas de perturbación.

■ Fuentes directas de contaminación

Los contaminadores en corriente representan la gran mayoría de los generadores de armónicos. Estos son las llamadas cargas no lineales: la corriente que absorben no tiene la misma forma que la tensión de alimentación y su espectro armónico es propio de cada carga.

Se distingue entre cargas pasivas (soldadoras, hornos de arco, lámparas) y las cargas electrónicas de potencia que se utilizan cada vez más (variadores de velocidad, rectificadores y reguladores de intensidad, sistemas de alimentación ininterrumpida -SAI-, fuentes de alimentación conmutadas).

Las gamas de tensión y potencia de estas cargas son muy amplias: van desde pequeños electrodomésticos (BT, algunas decenas de W) a los grandes consumidores industriales (AT, varias decenas de MW).

La contaminación por tensión se debe al diseño de los bobinados y circuitos magnéticos de los equipos (máquinas rotativas, transformadores).

Limitar la generación de armónicos en las fuentes contaminantes es posible hasta cierto punto: montajes dodecafásicos, convertidores sinusoidales, inductancias de alisado, filtrado integrado.

■ Efectos directos de la contaminación sobre las cargas eléctricas

ü  Las corrientes armónicas generan potencia parásita que se traduce en un calentamiento adicional y una pérdida de energía.

Este inconveniente puede evitarse sobredimensionando los equipos de acuerdo con los factores de desclasificación definidos por las normas relativas a dichos equipos.

ü  La distorsión de tensión por los armónicos perturba el funcionamiento de los equipos electrónicos (por ejemplo, decalaje del paso por cero de la onda de referencia).

ü  Los armónicos también tienen repercusiones mecánicas (ruido, vibraciones) y electromagnéticas (acción de corrientes fuertes sobre las corrientes débiles) en el ámbito de la compatibilidad electromagnética – CEM

■ Los efectos de transmisión provocan la propagación de armónicos, su amplificación y su acumulación.

ü  Los contaminadores de corriente inyectan sus armónicos en toda la red en función de las impedancias por las que circulan. El resultado es una distorsión armónica de las tensiones en cualquier punto de la red. Como resultado, todos los receptores son alimentados con tensiones distorsionadas.

ü  Además, la presencia de condensadores puede amplificar la contaminación por efecto de resonancia (circuito tapón formado por la capacidad en paralelo con las inductancias de la red).

ü  En su entorno inmediato, cada equipo contaminador sufre los efectos nocivos de sus propios armónicos.

Por último, en cualquier punto de la red, la composición de los distintos armónicos se produce en cada instante: en la práctica, el sumatorio se calcula mediante un método normalizado (CEI 60871).

■ Los criterios de riesgo se cuantifican mediante normas y reglamentos basados en el valor de las distorsiones. En general, se acepta que la situación se vuelve preocupante a partir de una THD en tensión del 5% y siempre es fuente de dificultades por encima del 10%. Los distribuidores se comprometen a proporcionar una THD de tensión limitada y los usuarios también deben limitar su nivel de corrientes armónicas.

En la práctica, las situaciones de riesgo se evalúan según criterios de potencia aplicados a los contaminadores y a los condensadores.

■ Existen varios métodos para limitar los riesgos:

ü  aumentar la potencia de cortocircuito de las fuentes,

ü  separar las cargas sensibles de las redes contaminantes,

ü  instalar inductancias antiarmónicos (los condensadores están protegidos de las sobrecargas),

ü  instalar filtros pasivos (los armónicos no deseados quedan atrapados en circuitos de baja impedancia).

ü  instalar filtros activos (los armónicos no deseados se neutralizan inyectando armónicos en oposición de fase).

Ventajas de un estudio

El objetivo es garantizar el buen funcionamiento de la instalación durante la actividad de los contaminadores por:

■ el cálculo de las distorsiones, teniendo en cuenta los espectros (amplitudes y fases, composición y leyes de propagación),

■ el cálculo óptimo de filtrado,

■ el cálculo del sobredimensionamiento de los equipos (estacionarios y transitorios),

■ el análisis de los esquemas de explotación de la red en sus distintos modos de funcionamiento (conexión normal y con contaminación de fuentes, contaminadores, cargas),

■ el análisis de sensibilidad a los parámetros influyentes (por ejemplo, rango de variación valores de los componentes eléctricos de la red función de la precisión, de la temperatura, etc.).

Ejemplo

Este caso práctico procede de un estudio de diseño para una planta siderúrgica, que dispone de un horno de arco de CC y condensadores de compensación de reactiva (véase la Fig. 1). Este horno genera armónicos de rango completo (rectificador) superpuestos a un espectro continuo (arco inestable).

■ Objetivo del estudio:

El condensador forma un bucle con la inductancia del sistema (antiresonancia de rango 3), lo que da lugar a una THD de tensión prohibida del 18,5%, por lo que es necesario determinar el filtrado para reducir la THD a un valor aceptable.

■ Resultados del estudio

La disposición de los condensadores en tres filtros resonantes de atenuación (sintonizados en los rangos 3, 5, 7) modifican el espectro de impedancia y reduce la THD de tensión a un valor aceptable del 3%.

 

Figura 1: Estudio de la presencia de armónicos en una planta siderúrgica, esquema y espectros