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Cómo afectan los armónicos la eficiencia energética

Las sobrecargas de corriente por efecto de las distorsiones armónicas son indetectables por los multímetros tradicionales y se convierten en un problema callado que afecta a toda la red eléctrica. Conocer técnicas para reducir su aparición es fundamental en términos de eficiencia, pues su presencia se vincula con los equipos de automatización empleados para lograr este objetivo

Por Víctor Rodríguez Reyna

Mucho se ha dicho sobre que la eficiencia energética y el desarrollo de energías renovables son dos políticas para frenar el cambio climático; sin embargo, el reto es mayúsculo y el acervo de información debe acrecentarse para elevar la calidad de las soluciones que se instrumentan en el sector. En este sentido, la celebración del Día Mundial de la Eficiencia Energética, el 5 de marzo, propició una revisión de los retos que se tienen para impulsar el uso racional que le damos a la energía y actuar en consecuencia.

Las redes eléctricamente eficientes reducen sus costos técnicos y económicos de explotación, ya que se orientan hacia la sostenibilidad del sistema y la reducción de la huella de carbono, la mejora de la gestión técnica (aumentando el rendimiento y evitando paros correctivos) y la reducción de la factura de energía. Uno de los cuatro aspectos para lograr la eficiencia energética es mejorar la productividad a través del control, al tiempo que se eliminan las perturbaciones electromagnéticas, pues entre ellas se encuentra uno de los disturbios más agudos del siglo XXI: la distorsión armónica.

En la revista de abril 2016 de Constructor Eléctrico, se menciona que “las tecnologías de automatización ayudan a reducir los consumos de energía y pueden representar ahorros de más de 50 por ciento”, y así es; pero, para que la solución sea integral, se debe complementar con dispositivos que contrarresten el efecto nocivo de los armónicos, generado por los dispositivos de automatización y control.

Este efecto es una de las razones por las que se menciona en el mismo artículo que la tecnología de los variadores de velocidad del sistema de tratamiento de aguas residuales de Atotonilco, Hidalgo, incorpora filtros activos, que ayudan a elevar la calidad de la energía y prolongan la vida útil del sistema.

Entendiendo los efectos armónicos

Como punto de partida, cabe revisar algunos conceptos sobre el fenómeno armónico y la manera en que afecta la eficiencia eléctrica. Cuando la onda fundamental de la corriente nominal fluye a 60 hertz y se le suman los valores de las corrientes provenientes de los armónicos existentes en una red eléctrica con variadores de velocidad de seis pulsos (bombeo o aire acondicionado), seguramente se tendrán que añadir los amperes provenientes del 5°, 7°, 11° y 13° armónico principalmente.

Como resultado, el valor original de la corriente nominal se incrementa, pero no se aprecia la sobrecarga por las corrientes adicionadas, ya que los multímetros tradicionales sólo miden los valores de la corriente a 60 hertz. Esto provoca que los técnicos de campo no se percaten de que los equipos y dispositivos de fuerza y de control que conforman la red eléctrica están siendo sobrecargados por esas corrientes no identificadas.

Esta singular anomalía desencadena múltiples efectos nocivos, y si se enfoca en los armónicos de corriente, se tendrá una serie de consecuencias frecuentes:

  • Funcionamiento erróneo. La eficiencia eléctrica se degrada por la afectación o daños a las tarjetas electrónicas de comando, dispositivos electrónicos de control, de procesamiento de datos y electrónica de potencia. Asimismo, sus efectos se manifiestan en fallos y errores de dispositivos PLC
  • Diferencias de potencial entre neutro y tierra. Se originan por las corrientes armónicas (de secuencia cero) que se suman en el neutro y pueden crear caídas de tensión. Las diferencias afectan el cero lógico de referencia que emplean los dispositivos electrónicos de corriente directa y provocan errores de funcionamiento en las tarjetas electrónicas de control, de procesamiento de datos y de telecomunicaciones, entre otros. Además, si el hilo no está sobredimensionado conforme a la NOM-001-SEDE-2012 (artículo 220-61), se manifestará un sobrecalentamiento con los consecuentes riesgos que implica, afectando la eficiencia eléctrica de la red
  • Sobrecalentamiento de motores y máquinas eléctricas en general. Se presenta como consecuencia de las sobrecargas de corrientes armónicas en los motores, transformadores y generadores. También se debe a que los armónicos de secuencia negativa fluyen en sentido contrario a los rotores, lo que provoca daños en sus flechas
  • Elevación de la temperatura del cableado eléctrico. Este fenómeno da como resultado la disminución del aislamiento (riesgo potencial de cortocircuito) y de su vida media, al tiempo que atenta contra la eficiencia eléctrica, al incrementar considerablemente la pérdida de energía en forma de calor
  • Daños en los capacitores de potencia de la red eléctrica y efectos de resonancia. Si los capacitores no cuentan con dispositivos de rechazo de armónicos, se amplifica y agudiza el nivel de distorsión, lo cual generalmente provoca daños destructivos a los propios capacitores y puede provocar daños irreversibles a los transformadores de potencia por efectos de resonancia
  • Sobrecalentamiento y fallas en interruptores termo-magnéticos y electromagnéticos. Al presentarse un alto nivel armónico en la red, se reduce la capacidad de aceptación de corriente de los interruptores termomagnéticos en estado estable y la vida de sus componentes aislantes, lo que deteriora su vida útil y afecta la eficiencia eléctrica del dispositivo. Esto puede provocar fallas o mal funcionamiento, con implicaciones de riesgo productivo por interrupciones o paros imprevistos. Una de las medidas paliativas ante los efectos armónicos se orienta hacia el derrateo de cables, interruptores, transformadores y dispositivos eléctricos para soportar o transportar los nuevos valores de corriente originados.

Dispositivos que originan la perturbación armónica

En las plantas industriales, los armónicos son provocados por dispositivos electrónicos de potencia, como variadores de velocidad de motores, compresores, bombas rotativas, máquinas de operación automatizada: punzadoras, robots, máquinas de inyección, inversores, drivers de CA y de CD, computadoras, PLC, equipos de control numérico, gobernadores electrónicos de aires acondicionados, elevadores, inyectoras de plástico, luminarios con balastros electrónicos, motores de corriente directa, hornos de arco eléctrico, equipos de soldadura, dispositivos ferromagnéticos, trituradoras, molinos de laminación y, en general, las llamadas cargas no lineales.

En edificios de oficinas e instalaciones comerciales, por otro lado, el efecto lo originan computadoras, elevadores, alumbrado fluorescente, iluminación LED, fuentes de poder, equipos UPS, balastros electrónicos, equipos electrónicos de telecomunicaciones, equipos electrónicos de seguridad, alarmas automatizadas, hornos de microondas, dispositivos para el control y automatización del confort ambiental, así como el aire acondicionado e iluminación.

Como se observa, las fuentes enlistadas están prácticamente en cualquier instalación eléctrica. Resulta inevitable la presencia y la agudización de esos síntomas, lo cual se convierte en un reto por enfrentar en la vida eléctrica cotidiana.

Mitigación de armónicos

Cuatro de las técnicas para mitigar el efecto de los armónicos son los reactores de línea, los filtros de rechazo de armónicas, los filtros de bloqueo de la tercera armónica y los filtros LCL (ver artículo «Armónicos: un disturbio del siglo XXI»). Los reactores de línea sirven para proteger a la red del efecto armónico originado por los variadores de velocidad, inversores o drivers de frecuencia variable (VFD). Es bastante frecuente encontrar en las redes eléctricas motores, bombas o compresores gobernados por variadores de frecuencia o variadores de velocidad angular, que contienen rectificadores de seis pulsos. Estos dispositivos generan niveles de distorsión armónica (THDI, por sus siglas en inglés) de alrededor de 45 por ciento en la onda de corriente.

Una manera de atenuarla consiste en incorporar reactores de línea en serie entre el tablero eléctrico de alimentación y el variador de velocidad, dimensionándolos de acuerdo con la corriente nominal de dicho circuito. Debido a que es común encontrar grupos de motores y variadores operando en paralelo, se recomienda que cada uno de ellos contenga su propio reactor de línea, para impedir el flujo de los armónicos provenientes de los demás variadores.

Los filtros de rechazo del 5° y 7° armónico, o filtros de choque, se emplean cuando se tiene la necesidad de elevar el factor de potencia de una red que contiene armónicos con valores cercanos o superiores a 15 por ciento de la THDI. Dichos filtros protegen los capacitores, al tiempo que evitan la amplificación del efecto armónico.

Este tipo de filtros trifásicos se forman al conectar en delta, en cada uno de sus lados, un reactor con un capacitor para formar un circuito sintonizado a una frecuencia inferior a la de la armónica significativa que se quiera rechazar; por ejemplo, para mitigar el 5° armónico, el reactor se sintoniza con el capacitor alrededor de la cuarta armónica (normalmente a la 4.2).

Esta composición permite el rechazo e impide que los capacitores absorban una corriente armónica excesiva; asimismo, evita resonancias que amplifiquen el nivel de distorsión, se puede elevar el factor de potencia y se propician mejoras en la eficiencia eléctrica.

La frecuencia de los filtros de choque manufacturados en México comúnmente se sintoniza para rechazar el 5° armónico, pero también se puede solicitar que el arreglo rechace el 7°, ya que ambos aparecen con mucha frecuencia. Este tipo de equipos se puede conectar en paralelo al tablero eléctrico que alimenta la carga no lineal o, bien, en paralelo al tablero eléctrico general del inmueble.

El uso de filtros de bloqueo del 3° armónico se orienta hacia redes donde los armónicos de secuencia cero fluyen hacia el hilo del neutro. El riesgo potencial de estos armónicos es mayor, cuanto más alto sea el contenido de armónicos a 180 hertz, que es la velocidad a la que corre el 3° armónico. Como la presencia de este armónico es mayor en inmuebles de oficinas, es donde suele aplicarse el filtro.

Está diseñado para la reducción de dicho armónico en instalaciones monofásicas y trifásicas, como cuartos de cómputo, CCTV, dispositivos de seguridad electrónica, computadoras, luminarios con balastros electrónicos, reguladores de intensidad luminosa y otros tipos de cargas monofásicas conectadas entre fase y neutro.

Los filtros LCL encuentran su aplicación típica en redes donde aparecen los armónicos 5° y 7°. Están diseñados para dispositivos de control que trabajan de manera fluctuante y requieren compensación instantánea, como elevadores, variadores de frecuencia para motores, drivers de frecuencia variable, varios UPS y los sistemas de soldado automatizado. Por ello, algunos de estos equipos están gobernados a partir de tiristores para accionar de manera súbita y fluctuante.

Víctor Manuel Rodríguez Reyna
Es ingeniero mecánico electricista por la UNAM y cuenta con un diplomado en Administración Pública. Es especialista en Ahorro y Calidad de Energía Eléctrica a nivel industrial, comercial y del sector servicios. Ha sido colaborador de empresas industriales, comerciales y paraestatales y ha escrito artículos para revistas especializadas en calidad y uso eficiente de la energía. Además, es miembro de AMERIC, UNCE y de la ASHRAE, Capítulo Ciudad de México. Actualmente, es director General de Capacitores Alpes Technologies México (www.capacitoresalpes.com).

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