Producción de armónicos, desventaja de las nuevas tecnologías de control

Las pequeñas prestaciones de nuestra actividad diaria y la producción de armónicos podrían generar un disturbio electromagnético agudo y propio del siglo XXI. Sus fuentes son diversas y sus efectos pueden aumentar.

Por Víctor Manuel Rodríguez Reyna

El desarrollo alcanzado durante las últimas tres décadas en el campo del control eléctrico y electromagnético ha proporcionado innumerables contribuciones a la productividad, en especial en los ámbitos industrial, comercial y agrícola. También ha hecho más amigable el entorno del hombre al acercarle prestaciones que antes eran impensables en su vida cotidiana.

Prácticamente sin darnos cuenta, el quehacer actual se encuentra repleto de esas “pequeñas” cosas que facilitan nuestras actividades: lavarnos las manos sin accionar una llave para que el agua caiga sobre ellas; la nueva tecnología digital de las salas 4DX de cine que manejan dispositivos para la inyección de aire, agua y movimiento de butacas, acorde con lo que sucede en la pantalla de cine; el encendido de un corredor, pasillo o habitación al detectar nuestra presencia; los dispositivos de control de rampas o escaleras que operan automáticamente y regulan la fuerza aplicada acorde con el peso o la presencia de las personas; la regulación automática del aire acondicionado que controla la temperatura en un cuarto conforme a su ocupación; la iluminación inteligente con regulación de la intensidad de luz que se requiere según se detecta la luz solar en el inmueble; las bandas transportadoras de personas en los aeropuertos, el accionamiento de un secador sólo acercando nuestras manos, y otros menos empleados en la actualidad, pero que tendrán un desarrollo importante en los próximos años, como los sistemas fotovoltaicos, aerogeneradores y vehículos eléctricos que conforman un ejemplo de cómo el control automatizado se utilizará cada vez más en nuestro modo de vida contemporáneo, en especial el citadino.

Sin embargo, la evolución de estas prestaciones ha provocado la agudización de una anomalía eléctrica que seguramente será el disturbio eléctrico característico del siglo XXI, debido a que se prevé que su crecimiento sea exponencial.

Respecto de esto, los reportes más actualizados de los que se dispone en el Instituto de Investigación de la Energía Eléctrica (EPRI, por sus siglas en inglés) indican que, hasta la década de 2000, cerca de 60 por ciento de la energía eléctrica consumida pasó a través de algún dispositivo semiconductor antes de llegar a la carga. Esta cifra era de sólo 40 por ciento cinco años antes. Nos referimos a la producción de los llamados armónicos o a su efecto denominado distorsión armónica, técnicamente conocida como THD (por sus siglas en inglés).

Como bien saben las personas relacionadas con este fenómeno eléctrico, el estándar 519 emitido por la IEEE –enfocado en la limitación de armónicos tanto de las compañías suministradoras de la energía eléctrica, como de los usuarios trifásicos– es la referencia más utilizada, sólo que, aunque parece poco, se emitió hace más de 20 años, en 1992. Es obvio que el disturbio armónico no tenía la intensidad ni la diversificación que tiene hoy en día.

En términos técnicos, los dispositivos que mencionamos anteriormente son una fuente de armónicos, porque se alimentan por una forma de onda senoidal (señal de entrada), la cual es diferente de su forma de onda de salida, con la que ejercen su acción de control (señal de salida). Típicamente esta señal de salida es una onda cuadrada, dentada o de cualquier otra forma, pero diferente a la de onda senoidal que los alimenta.

Esta singular característica es propia de la inmensa mayoría de los dispositivos de control. Ahora bien, ¿cuál es la consecuencia de esta no linealidad entre las ondas de entrada y salida? La respuesta es que se producen corrientes armónicas que fluyen a velocidades diferentes que la de 60 Hertz (la onda senoidal hace 60 ciclos en un segundo). Se ha visto que los armónicos que se producen usualmente corren a 180, 300, 420, 540, 660, 780 Hertz, y así sucesivamente hasta frecuencias alrededor de 3 mil Hertz, usualmente en múltiplos impares de los 60 Hertz originales, aunque no forzosamente es así, ya que existen los llamados interarmónicos, que se desplazan a otras frecuencias que no son múltiplos impares de 60 Hertz.

En términos prácticos, lo que sucede es que esos armónicos se superponen a la forma de onda senoidal original de 60 Hertz, lo que da como resultado que la forma de onda sea una deformación de la original, la cual será más grave en cuanto haya un mayor nivel de armónicos presentes en la red eléctrica del usuario.

Podríamos sintetizar que donde existe un dispositivo de control, automatización, conversión de corriente o de procesamiento de datos (equipos de cómputo) alimentado por corriente alterna hay una fuente emisora de disturbios armónicos.

Consecuencias
Este singular fenómeno provoca múltiples efectos nocivos que dependerán de la intensidad de las fuentes emisoras de armónicos. Entre las principales podemos mencionar problemas en el funcionamiento de dispositivos electrónicos de regulación, tanto de potencia como de control; mal funcionamiento en dispositivos electrónicos de protección y medición; interferencias en sistemas de telecomunicación y telemando; sobrecalentamiento de los equipos eléctricos, motores, transformadores y generadores; elevación en la temperatura del cableado de potencia y, consecuentemente, la disminución de la vida media en ellos y el incremento considerable de pérdida de energía en forma de calor; fallo de los capacitores de potencia y efectos de resonancia que amplifican y agudizan los problemas mencionados, los cuales pueden provocar graves incidentes eléctricos, sobre todo en los transformadores de potencia que alimentan la red eléctrica del usuario, un mal funcionamiento de los dispositivos de control y fallos destructivos de equipos de potencia.

Ahora bien, los dispositivos o fuentes de distorsiones armónicas no son los mismos en todos los casos. Por tal motivo, el primer paso que se debe de tomar es distinguirlos e identificar las peculiaridades de cada uno, puesto que la solución implementada dependerá del perfil de armónicos de la red eléctrica que se esté analizando.

Caracterizando las fuentes emisoras de armónicos
A continuación se presenta una síntesis que ayudará al lector a contar con una guía básica para orientar sus análisis y correspondientes soluciones en el tema de las distorsiones armónicas.

Inicialmente, para efectos de estudio, podemos dividir las redes eléctricas en dos grandes campos: las plantas industriales y procesos de producción, por un lado, y por el otro, los inmuebles comerciales, de cómputo, oficinas e inclusive habitacionales. En ellos se puede identificar un perfil de control y automatización diferente.

Fuentes usuales emisoras de armónicos en plantas industriales
En este campo, los armónicos son provocados por dispositivos electrónicos de potencia, como variadores de velocidad, convertidores de frecuencia, inversores, drivers de CA (corriente alterna) y drivers de CD (corriente directa); computadoras, PLC, equipos de control numérico, máquinas con operación automatizada (aires acondicionados, elevadores, bandas transportadoras, pequeñas o grandes impresoras, inyectoras de plástico, etc.); interruptores gobernados por tiristores, reactores controlados por tiristores, dispositivos productores de arcos eléctricos; luminarias con balastros electrónicos, hornos de arco eléctrico, equipos de soldadura, dispositivos ferro-magnéticos, motores de corriente directa, transformadores rectificadores (en procesos químicos) y sobreexcitados, trituradoras, molinos de laminación y, en general, las llamadas cargas “no lineales”.

Fuentes emisoras de armónicos en edificios de oficinas e instalaciones comerciales
En este tipo de inmuebles, los dispositivos que los producen principalmente son equipos electrónicos de telecomunicaciones, controladores de energía, equipos de seguridad, alarmas automatizadas, computadoras, elevadores controlados por electrónica de estado sólido, alumbrado fluorescente, fuentes de poder, fuentes de energía ininterrumpida (UPS), hornos de microondas, dispositivos electrónicos para el control de flujo de agua, control de presencia y dispositivos de confort ambiental automatizados (aires acondicionados, iluminación inteligente, etcétera).

Como podemos apreciar, las fuentes productoras de armónicos existen prácticamente en cualquier instalación eléctrica. También es comprensible aceptar que la presencia y la agudización de esos síntomas sea inevitable. Entonces, es necesario que como usuarios y consumidores de dichos dispositivos tomemos acciones y enfrentemos el reto para amortiguar, contrarrestar, focalizar o eliminar los efectos de este disturbio, para lo que primero se deberá contar con el conocimiento, estudio y caracterización de sus impactos, a fin de que el Gobierno, entidades normativas, legislativas, institutos, asociaciones de ingenieros, fabricantes y constructores eléctricos propongan, formulen o emitan aquellas políticas públicas, normas y reglamentos que atiendan dichos efectos.

AUTOR

Víctor M. Rodríguez Reyna
Es ingeniero por la Facultad de Ingeniería de la UNAM. Ha sido académico y colaborador en empresas industriales, centros de cómputo y titular de áreas de Proyectos e Ingeniería. Actualmente es director de Capacitores Alpes Technologies México, filial de su matriz francesa fabricante de capacitores, filtros y dispositivos para el ahorro y la calidad de energía eléctrica.