Escrito por Juan Ramón Camarillo Peñaranda, Ph.D. para Dielco SAS
Los avances tecnológicos han traído muchas mejoras tanto a nivel doméstico como a nivel industrial. En años anteriores equipos como computadores y celulares tenían precios tan elevados que eran accesibles sólo a hogares con altos ingresos. Hoy en día es común tener celulares y computadores en las casas, e incluso es común que haya más de un dispositivo en casas de ingresos medios.
El avance tecnológico también ha impactado la forma como se iluminan casas y comercios. Pasamos de tener bombillos incandescentes, a las lámparas fluorescentes compactas y hoy en día usamos la tecnología LED para la iluminación. Estos cambios en tecnología han traído una mejora en la iluminación de los lugares y una reducción significativa en el consumo de energía, lo cual implica un ahorro en las tarifas a pagar por parte de los usuarios a la vez que se impacta positivamente en el ambiente.Figura 1. Evolución de la tecnología en iluminación. La primera es una bombilla incandescente, la segunda es una lámpara fluorescente compacta y la última es una lámpara compuesta por varios LEDs.Los avances mencionados tienen en común una característica: se utilizan dispositivos electrónicos en el funcionamiento de los equipos. Los elementos electrónicos tienen en común una respuesta no línear ante los estímulos externos, lo cual introduce comportamientos en la red que pueden ser indeseados. Éste es el precio a pagar por el uso de las nuevas tecnologías. La principal consecuencia de la introducción de cargas electrónicas en la red es la introducción de corrientes armónicas en la red. El concepto de armónico, sus causas, sus consecuencias y la forma de mitigar su impacto en el sistema eléctrico serán explicados en este escrito.
Armónicos
El diccionario de términos estándar de IEEE [1] define los armónicos como “una componente sinusoidal de una señal periódica o cantidad teniendo una frecuencia que es múltiplo entero de la frecuencia fundamental” (traducción no oficial). En ese sentido, en un sistema con frecuencia nominal de 60Hz (como es el caso de Colombia), el segundo armónico tendrá una frecuencia de 120Hz, el tercer armónico 180Hz y así sucesivamente. En la Figura 2 (a) se observa una señal con su segundo y tercer armónico por separado. De la misma forma, en la Figura 2 (b) se muestra la señal distorsionada por sus armónicos, que resulta de sumar las tres señales de la Figura 2 (a).(a) (b)Figura 2. Armónicos y señales distorsionadas por armónicos.Los armónicos son usualmente caracterizados por dos datos: su amplitud y su orden. La amplitud se refiere al valor eficaz que toma el armónico en un periodo de tiempo específico. El orden se refiere a la frecuencia del armónico, que típicamente es expresado como un número entero múltiplo de la frecuencia fundamental. Usualmente, entre más alto es el orden del armónico, menor es su amplitud [2]. Un tercer dato para análisis avanzado de armónicos es su ángulo, que influye de manera fundamental en la forma como interactúa con otros equipos conectados al mismo sistema.
Fuentes de Armónicos
Como se mencionó anteriormente, la principal causa de los armónicos son las cargas no lineales, especialmente las cargas electrónicas y dispositivos que funcionan en condición de saturación. Un ejemplo de dispositivo funcionando en saturación y que genera armónicos es el transformador de distribución [2], [3]. Usualmente los transformadores son diseñados para funcionar cerca del codo de saturación, por lo cual son una fuente de armónicos en su operación normal. Otro equipo que puede funcionar en saturación son los motores de inducción, por causas similares a las mencionadas para el caso de los transformadores. Un tercer dispositivo industrial que es una fuente de armónicos son los hornos de arco, usados en la industria metalúrgica. Para finalizar la parte industrial, otra fuente importante de armónicos son los variadores de velocidad, que son de uso común en todo tipo de industrias que necesitan velocidad variable en sus motores [2]–[4].Figura 3. Computadores personales, teléfonos celulares y transformadores, algunas de las fuentes de armónicos. Entre los dispositivos domésticos que generan armónicos están las ya mencionadas lámparas fluorescentes compactas y los bombillos LED. También se pueden mencionar los computadores personales y los monitores con tecnología LED y LCD.
Consecuencias de los Armónicos
Los armónicos no son un problema hasta que son un problema, es decir, los armónicos pueden no tener efectos claramente visibles en los equipos hasta que se manifiestan en algún problema mayor. Los armónicos tienen efectos adversos en una variedad de equipos eléctricos. Efectos en equipos generales incluyen disparos de protecciones de equipos e interruptores térmicos, interferencia electromagnética, vibraciones y ruidos anormales y funcionamiento no óptimo de cargas no lineales. Los armónicos también tienen efectos en equipos específicos. A continuación, se mencionarán dichos efectos en algunos equipos domésticos e industriales:
- Condensadores para corrección de factor de potencia [2]–[5]
- Pérdidas
- Reducción de vida útil
- Vibraciones
- Motores [2]–[5]
- Pérdidas y calentamiento adicional
- Vibraciones
- Reducción de la capacidad nominal de potencia
- Transformadores [2]–[5]
- Pérdidas y calentamiento adicional
- Vibraciones
- Reducción de la capacidad nominal a plena carga
- Cables [2]–[5]
- Calentamiento
Otros efectos adversos son la resonancia, que ocurre cuando las impedancias capacitivas e inductivas se igualan a frecuencias altas, formando un circuito oscilatorio que aumenta significativamente los valores de tensión y corriente en el sistema [2], [3]. También se puede presentar un mal funcionamiento en dispositivos electrónicos cuyo funcionamiento está basado en la medición del cruce por cero de la señal de tensión o de corriente.
Equipos para Mitigación de Armónicos
Mitigar los armónicos se vuelve una necesidad, dependiendo del tamaño y de la operación de la industria. Efectos adversos como el disparo erróneo de protecciones, disminución de la vida útil de los equipos y operación ineficiente de los mismos generan reducciones en la rentabilidad de las industrias. Dimensionar adecuadamente un equipo de mitigación de armónicos puede reducir los costos de inversión inicial, así como los costos de operación y mantenimiento de las industrias.
Actualmente existen dos tecnologías para la mitigación de armónicos en los sistemas industriales: los filtros pasivos y los filtros activos. Ambos tipos de filtros tienen la posibilidad de, adicional a la mitigación de armónicos, corregir el factor de potencia de la industria. A continuación, se explicará brevemente el funcionamiento de cada tecnología, así como su campo de aplicación.
Filtros Pasivos [2]–[4]
Los filtros pasivos son sistemas con una respuesta en frecuencia es tal que atenúa las componentes indeseadas y deja pasar las componentes deseadas. Los filtros pasivos están compuestos por combinaciones de capacitancias, inductancias y resistencias. Son sintonizados para mitigar armónicos de frecuencias específicas y pueden conectarse en serie o en paralelo al sistema bajo estudio. Si se quiere mitigar varias frecuencias se pueden conectar varios filtros activos en paralelo dependiendo de la configuración, por lo tanto, son indicados para instalaciones y procesos cuya característica armónica sea relativamente constante y no se tenga esperado un cambio significativo en el mediano plazo. La inclusión de un filtro pasivo debe ser estudiada cuidadosamente, puesto que puede introducir un problema de resonancia en el sistema. Tienen la ventaja de ser más baratos en comparación con los filtros activos.
Filtros Activos [2], [4]
Los filtros activos están compuestos por un sofisticado sistema de electrónica de potencia y procesamiento de señales. Estos dispositivos son capaces de medir y compensar los armónicos generados en una instalación. Los filtros activos miden la magnitud y el ángulo de las componentes armónicas y son capaces de eliminar los armónicos inyectando una corriente de la misma magnitud y ángulo opuesto. Tienen la ventaja de no necesitar ser sintonizados para frecuencias específicas, de tal forma que, si el espectro armónico de la carga cambia, el filtro activo no necesariamente tiene que cambiar. Los filtros activos típicamente no adolecen del problema de resonancia de los filtros pasivos, y son especialmente útiles para mitigar frecuencias altas. Tienen la desventaja con respecto a los filtros activos de ser más costosos.Bibliografía
[1] T. I. of E. and E. Engineering, “The Authoritative Dictionary of IEEE Standards Terms,” IEEE Std 100-2000, pp. 1–1362, 2000.
[2] R. C. Dugan, M. F. F. Mcgranaghan, S. Santoso, and H. W. Beaty, Electrical Power Systems Quality, Third Edition, Edición: 3. New York: {McGraw}-Hill Professional, 2012.
[3] M. Grady, “Understanding Power System Harmonics,” Austin, TX, 2012.
[4] C. Sankaran, Power Quality. 2002.
[5] S. Electric, “Compensación de Energía Reactiva y Filtrado de Armónicos,” 2019.
Elaborado por Juan Ramón Camarillo Peñaranda, Ph.D. para Dielco SAS.
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