Aquellas industrias que tengan equipos de control y regulación, convertidores de potencia, o soldadura por arco, están expuestas a pérdidas energéticas provocada por la distorsión eléctrica derivada de los armónicos que introducen estas cargas no lineales.

En este artículo se aporta un caso práctico con la evaluación del impacto y su propuesta de solución o mitigación.

Qué son los armónicos?

El matemático francés Jean Baptiste Fourier determinó que toda onda periódica no senoidal puede ser descompuesta en una suma infinita de ondas senoidales cuyas frecuencias son múltiples enteros de la frecuencia fundamental. Estas diferentes componentes se denominan armónicos, siendo calificados por su orden secuencial.

Medida y evaluación

En un artículo publicado anteriormente en el blog se describió la forma de medir los armónicos con un analizador de redes instalado en el Cuadro General de Baja Tensión.

Esta técnica de medida de la calidad posibilita cuantificar las magnitudes de cada componente vectorial: potencia aparente, potencia de distorsión, activa y reactiva.

El modelo vectorial teórico para un sistema eléctrico con cargas no lineales queda compuesto por las siguientes componentes:

• En color azul la potencia efectiva o activa que se emplea en trabajo mecánico, calor, etc, que representa el coste de la energía facturada por la empresa comercializadora.
• En color naranja, la potencia reactiva resultante como consecuencia de la distorsión derivada de cargas capacitivas o inductivas. Veáse el siguiente artículo del blog en donde se escribe este fenómeno análogo, sus efectos y soluciones.
• En color rojo la potencia de distorsión derivada de la perturbación de la calidad de señal que provocan los armónicos.

Finalmente, como resultado de la suma vectorial de todos estos componentes de potencia, se obtiene la potencia aparente demandada y sobre la cual se redunda en cierta forma en un sobredimensionamiento de la instalación.

Los analizadores de calidad de señal (tensión e intensidad) permiten calcular la tasa de distorsión armónica (THD: Total Harmonic Distorsion) contemplando, para este cálculo, hasta el armónico de rango 50º.

Se define la THD como la suma de las distorsiones individuales provocadas por cada armónico individual calculadas sobre la base de los valores eficaces de cada uno con respecto a la señal fundamental.

Se calcula la distorsión de intensidad provocada por un 5º armónico con un valor eficaz de 20A y un 7º armónico de 12A sobre una fundamental de 250A, la THDI = √( (20)² +(12)² )  / 250  = 9%.

Evaluación de las pérdidas eléctricas

Del gráfico vectorial anterior, se concluye que cuando mayor sea la potencia de distorsión (y la potencia reactiva) mayores serán las pérdidas de energía en la instalación. La forma de medir este impacto es a través del THD. Cuanto mayor sea esta tasa, menor será la eficiencia energética.

Sirva de ejemplo, que los armónicos homopolares múltiplos de 3 (3, 6, 9, 12…) provocan pérdidas por efecto Joule en el neutro como consecuencia del desequilibrio de fases.

Este efecto no es penalizado en la factura de electricidad, a diferencia de la «distorsión» de la calidad de potencia derivada por la energía reactiva (cos φ). El impacto se repercute de forma directa sobre el consumidor por la menor eficiencia y por otras causas que a continuación se describen. Nótese que cos φ ≠ FP (Factor de Potencia total) representado en el diagrama vectorial, siendo el primero el utilizado para la evaluación de las penalizaciones derivadas de la distorsión reactiva.

Efectos secundarios:

Se enumeran algunos de las problemas ocasionados por una alta distorsión armónica:

• Sobrecalentamiento en conductores, cuadros, transformadores, motores y batería de condensadores.
• Acortamiento del ciclo de vida de equipos eléctricos instalados en la red (Con una THD del 10% el acortamiento estimado es del 18% para máquinas trifásicas y un 5% en transformadores).
• Accionamiento incorrecto de interruptores termomagnéticos.
• Mal funcionamiento de variadores de velocidad, equipos de comunicación y control.
• Deterioro del aislamiento en cables eléctricos.
• Daño en equipos electrónicos.

¿Cuáles son los límites aceptables para la distorsión armónica?

Los niveles de distorsión armónica normales ó aceptables en un sistema eléctrico de potencia se definen en varios estándares entre los cuales destaca el definido por IEEE 519-2014 a título de recomendaciones y buenas prácticas.

Por ejemplo, en el caso de suministros eléctricos a 20kV la tasa de distorsión armónica máxima THD recomendada es de un 5% en la señal de voltaje.

En el caso de los armónicos de intensidad, se fija un máximo del 10% de la THD, para la referencia de una instalación con una relación de 50 entre la Intensidad de cortocircuito y la máxima de diseño.

Caso práctico:

Se acompaña el resultado de la medida de armónicos en la nave industrial del ejemplo (suministro 20 kV y 1.000 A de diseño ) que tiene variadores de frecuencia para la regulación de motores en CC y lámparas de UV para el secado en una parte de su proceso de fabricación.

En este primer gráfico se aprecia que la señal trifásica de voltaje no está afectada significativamente por los armónicos.

En cambio, no se puede decir lo mismo para la intensidad, tal y como se aprecia en este otro gráfico, en donde el quinto armónico y el séptimo presentan una THD superior a la recomendada para este tipo de instalaciones:

Solución MAE: instalación de filtros activos

Las instalaciones de filtros del armónicos activos son caras en relación con el impacto a corregir, normalmente viables para instalaciones grandes de uso industrial, y requieren de un técnico experimentado para su evaluación, el correcto dimensionado de la solución, su instalación y regulación y control del equipo.

Como conclusión, indicar que el filtrado de armónicos posibilita usar una mayor demanda de potencia en una instalación para una mismo coste de factura, aumentando la vida útil de los equipos consumidores.

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