En sistemas trifásicos compensados, la corriente fundamental y las de los armónicos 5º, 7º, etc. se anulan mutuamente, mientras que las corrientes monofásicas del tercer armónico tienen el mismo decalaje de fase y, por consiguiente, se acumulan en el conductor neutro.
Puesto que los equipos electrónicos monofásicos generan corrientes armónicas elevadas, es posible que un sistema sufra problemas importantes relacionados con los armónicos aunque la carga, en términos de potencia activa, sea relativamente baja.
La corriente del tercer armónico dominante puede añadir hasta 1 A por kW para equipos de iluminación y 4 A por kW para cargas de ordenadores, dependiendo de la impedancia del circuito de la red y de la concentración de la carga. Los armónicos, que, paradójicamente, son generados por las mismas fuentes que sufren la mayoría de sus consecuencias, provocan sobrecalentamiento, daños y pérdidas de potencia en los equipos. Además, generan campos electromagnéticos y reducen la calidad de la corriente, haciendo que los aparatos sufran fallos de funcionamiento.
Las corrientes neutras que se generan son lo bastante grandes como para provocar incendios. Un estudio de casos recientes ha revelado que las corrientes neutras alcanzan valores de hasta 1.250 A, mientras que las corrientes de fase compensadas sólo llegaban a 1000 A.
Problemas provocados por los terceros armónicos
• Corrientes dentro de la instalación
• Sobrecarga de conductores neutros
• Recalentamiento de transformadores
• Disparo erróneo de interruptores
• Sobredimensionado de los condensadores para corregir el factor de potencia
• Efecto Kelvin
• Recalentamiento de motores de inducción
• Corrientes en el punto de acoplamiento común
• Campos magnéticos Parpadeo de las pantallas
Filtros THF para eliminar corrientes del tercer armónico
El filtro de tercer armónico (THF) es un filtro de resonancia en paralelo con una alta impedancia para la corriente del tercer armónico y una impedancia muy baja para la frecuencia fundamental, tan baja que al introducir el THF en el conductor neutro sólo se aumenta ligeramente el tiempo de funcionamiento de los dispositivos de protección contra cortocircuitos y la impedancia del circuito de la red.
El conductor neutro es el lugar lógico y más eficaz para instalar el THF, ya que es aquí donde las corrientes del tercer armónico se suman aritméticamente. Puesto que se trata de un elemento pasivo, su nivel de ruido es muy bajo, y, dado que actúa como filtro de bloqueo más que como filtro de impedancia nula, no tiene efectos negativos sobre las señales digitales ni provoca inestabilidad o resonancia en la red. Una bobina de amortiguación incorporada garantiza que los elementos del filtro puedan soportar picos de tensión (figura 1).
Figura 1
El filtro se instala en el conductor neutro o en el punto neutro del transformador adyacente al panel de conmutación del sistema TN-S (figura de cabecera). El THF está equipado con un dispositivo de protección contra la corriente de desequilibrio fundamental de 50 Hz y la sobrecorriente de 150 Hz.
Reducción eficaz de las corrientes neutras y de emisión
Además de eliminar del orden del 95% del tercer armónico en el conductor neutro, el dispositivo THF también elimina la corriente de 150 Hz en los conductores de fase. Un reto importante en el futuro será mantener los niveles de emisión en un nivel reducido en el punto de acoplamiento común (PCC); normas tales como la G5/3 del Reino Unido y la Contrad Emeraude en Francia ya han establecido el límite de la corriente de emisión en 34 A y 4%, respectivamente, mientras que la IEEE 519 recomienda un 5% para los usuarios principales de la red. El THF puede reducir los niveles de emisión de los PCC de los consumidores en la red pública, al tiempo que reduce la distorsión de la onda de tensión en el punto de suministro.
Figura 2: Filtros ABB para el tercer armónico, dimensionados para valores de entre
25 A y 3.000 A, para interiores y exteriores
Aumento de la capacidad de la red y reducción de las pérdidas de línea
La corriente del tercer armónico en la red de BT (baja tensión) forma un bucle que se extiende, a través de los conductores de línea y los paneles de distribución, desde los dispositivos monofásicos hasta el punto neutro del transformador y el conductor neutro, donde se induce en el devanado triángulo de MT (Media Tensión). En el estado equilibrado, la corriente del tercer armónico no se propaga a la red de MT, pero circula por el devanado triángulo, donde incrementa las pérdidas resistivas y la temperatura de funcionamiento, al tiempo que reduce la capacidad de carga efectiva. Las corrientes armónicas, que tienen una mayor frecuencia, también dan lugar a un aumento de las pérdidas magnéticas en el núcleo y a un aumento de la corriente parásita y de las pérdidas de efecto Kelvin en los devanados.
Ahorro de energía
La reducción del componente del tercer armónico no sólo incrementa la durabilidad de los componentes de la red, sino también reduce el componente de potencia y con ello la pérdida de esta. El propio THF consume muy poca potencia (la pérdida de potencia por unidad es de 40 W).
Además de un menor riesgo de incendio debido a la sobrecarga del conductor, los usuarios ahorran costes gracias a la reducción de las significativas pérdidas en el cableado, atribuidas a las elevadas corrientes armónicas. En casos conocidos de concentraciones de cargas del tercer armónico se han medido ahorros de energía de entre un 4 y un 5%, lo que permite que el coste del THF se recupere en un plazo comprendido entre 3 y 10 años, dependiendo de las características eléctricas y de la carga real de las redes.
Campos magnéticos
A diferencia de los armónicos 5º y 7º, que se anulan unos a otros, la corriente provocada por el tercer armónico genera un campo magnético alrededor de los conductores monofásicos y neutro. El THF mitiga las corrientes monofásicas en el cableado de puesta a tierra de fase, conductor neutro y sistema de TN-C. Mediante la reducción del componente del tercer armónico, el campo magnético total de un edificio de oficinas o de un edificio hospitalario típico se reduce en un 50 % aproximadamente (figura 3).
Figura 3: Gráfico de mediciones de campos magnéticos en diversos puntos de un
gran hospital. El filtro de tercer armónico permitió alcanzar
una reducción del 50% (gráfico azul).
Especificación del filtro
El THF se dimensiona según el transformador o fusible existentes en el lado de la alimentación; el criterio de dimensionado es que dicho THF tiene que soportar, en todas las circunstancias, los esfuerzos dinámicos y las tensiones térmicas en el punto neutro del transformador o en el conductor neutro, independientemente de la magnitud real de la carga aparente o reactiva o de la distorsión. Esto garantizará que el sistema permanezca estable a pesar de las variaciones de la carga.
FUENTE:
Revista ABB 3/2001: Filtros del tercer armónico (Jouko Jaakkola)
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