¿Qué es todo ese revuelco acerca de los armónicos?
Actualmente en las oficinas, centros de trabajo, fábricas y grandes industrias ocurren cosas que no se pueden explicar de manera clara.
Transformadores que suministran cargas aparentemente normales se calientan de modo inexplicable. Algunos hilos neutros de algunos circuitos perfectamente equilibrados se sobrecalientan a causa de cargas excesivas. Los termomagnéticos se abren sin razón aparente.
Y, sin embargo, los procesos de localización de averías indican que no hay nada anormal.
Entonces ¿Cuál es el problema?
Sencillamente – “Los Armónicos”
Las nuevas tecnologías traen nuevos retos
Los “armónicos” son el subproducto de la electrónica moderna. Se manifiestan especialmente donde existen un gran número de computadoras, motores de velocidad regulable y otros equipos que absorben corriente en forma de impulsos muy cortos.
Estos equipos también llamados cargas NO lineales están diseñados para absorber corriente durante solo una fracción controlada de la onda de tensión de alimentación. Esto provoca armónicos en la corriente de carga y, con ello el sobre calentamiento de transformadores y conductores neutros y el disparo intempestivo de los termomagnéticos.
La mejor forma de ver este problema es observando la forma de onda. La tensión de línea normal es de 60 ciclos y debe aparecer en un osciloscopio como una onda sinusoidal en cambio, cuando hay armónicos, la onda aparece distorsionada.
Figura de osciloscopio Fluke con onda sinusoidal en tensión
Figura de osciloscopio Fluke con onda de corriente distorsionada
Figura de osciloscopio Fluke con onda de tensión distorsionada
Decimos que estás ondas son NO sinusoidales. Las formas de onda de tensión y de corriente ya no presentan una relación simple entre si, de ahí el término de “NO linealidad” que se les aplica.
Los armónicos son corrientes ó tensiones cuyas frecuencias son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental de la alimentación. Por el ejemplo si la frecuencia fundamental es de 60Hz, el segundo armónico será de 120Hz, el tercero de 180Hz, etc.
Imagen transformada de Fourier
Como sabemos los armónicos son originados por cargas no lineales que absorben corriente en impulsos bruscos en vez de hacerlo suavemente en forma sinusoidal. Estos impulsos crean ondas de corriente distorsionadas que originan a su vez corrientes de armónicos de retorno hacia otras partes del sistema de alimentación.
El fenómeno de los armónicos se manifiesta especialmente en los equipos provistos de fuentes de alimentación de entrada con condensadores y diodos, es decir, equipos de cómputo, impresoras, equipo médico, etc.
Diagrama esquemático fuente regulada por diodos y condensadores
La causa eléctrica de este fenómeno es que la tensión alterna de entrada, una vez rectificada por los diodos, se utiliza para cargar un condensador de gran capacidad. Después de un semiperiodo, el condensador se carga a la tensión de pico de la onda sinusoidal, por ejemplo, a 322 V en una línea de alterna a 230 V. Entonces el equipo electrónico absorbe corriente de esta elevada tensión de continua para alimentar al resto del circuito. El equipo puede absorber corriente hasta alcanzar un límite mínimo regulado. Normalmente, antes de que se alcance ese límite el condensador se recarga hasta el valor pico en el siguiente semiperiodo de la onda sinusoidal. Este proceso se repite una y otra vez. Básicamente, el condensador solo absorbe un impulso de corriente durante la cresta de la onda; durante la porción restante de la misma, cuando la tensión es inferior al valor residual del condensador, este no absorbe corriente.
Forma de onda de corriente de una carga monofásica no lineal
Normalmente, las fuentes de alimentación con condensador y diodos que llevan incorporadas los equipos de oficina son cargas monofásicas no lineales. En las plantas industriales, por el contrario, las causas más frecuentes de corrientes armónicas son cargas trifásicas no lineales, como motores de accionamiento controlados electrónicamente y fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS).
Los síntomas de los armónicos suelen presentarse en el cuadro de distribución de corriente que soporta las cargas no lineales. Estas son básicamente de dos tipos monofásicas y trifásicas.
Forma de onda de corriente de una carga trifásica no lineal
Hilo Neutro
En condiciones normales, con una carga lineal equilibrada las porciones fundamentales a 60Hz de las corrientes de cada fase se anulan mutuamente en el hilo neutro.
En un sistema de 4 conductores con cargas monofásicas no lineales, ciertos armónicos impares denominados triplens; múltiplos impares de los terceros armónicos: 3º, 9º, 15º, etc. no se anulan entre sí, sino que se suman en el hilo neutro. En sistemas trifásicos con muchas cargas monofásicas no lineales, la corriente del neutro puede llegar a superar el valor de la de las fases.
Una corriente excesiva en el hilo puede provocar también caídas de tensión superiores a lo normal entre el conductor neutro y tierra en la toma de corriente.
Los interruptores termomagnéticos ordinarios tienen un mecanismo de disparo que reacciona al calentamiento producido por la corriente del circuito. Dicho mecanismo está diseñado para responder al valor eficaz de la onda de corriente de manera que se dispare si se calienta en demasía. Este tipo de interruptor ofrece una mayor protección frente a una sobrecarga por corrientes armónicas.
Los paneles diseñados para corrientes de 60Hz pueden presentar resonancia debido a los campos magnéticos generados por corrientes armónicas de alta frecuencia. Cuando esto sucede el panel empieza a vibrar y emite un zumbido a las frecuencias armónicas.
Los cables de telecomunicaciones suelen tenderse muy cerca de los cables de alimentación eléctrica. Para reducir al mínimo la interferencia inductiva provocada por la corriente de las fases los cables de telecomunicaciones se tienden cerca del conductor neutro. Con frecuencia los triplens de este conductor originan la interferencia inductiva que escuchamos en algunas líneas telefónicas. Este síntoma suele ser un indicio de la existencia de un problema de armónicos.
Los transformadores utilizados en los edificios suelen ser del tipo estrella delta y normalmente se usan para alimentar las bases de enchufe del edificio (contactos de fuerza). Las cargas monofásicas no lineales conectadas a esas tomas de corriente producen armónicos triplens que se suman algebraicamente en el conductor neutro. Cuando esta corriente que está circulando por el hilo neutro regresa al transformador se refleja en el devanado primario en delta (Triangulo) del mismo y circula por el con el consiguiente sobrecalentamiento y averías del transformador.
Diagrama esquemático transformador Delta-Estrella
Normalmente, los transformadores solo están preparados para una carga de corriente de 60Hz. Al ser más alta su frecuencia, la corriente armónica provoca un mayor calentamiento con el mismo amperaje.
Estos efectos de calentamiento obligan a modificar el tratado de los transformadores ordinarios utilizados para alimentar cargas armónicas o a sustituir dichos transformadores por otros de diseño especial.
Generadores
Los generadores de reserva están sujetos al mismo tipo de problemas de sobrecalentamiento que los transformadores, pero debido a que se utilizan como fuentes de alimentación de emergencia para cargas productoras de armónicos a menudo son más vulnerables. Además de sobrecalentamiento, algunos tipos de armónicos provocan distorsión en los cruces por cero de la onda de corriente, lo que origina perturbación e inestabilidad de los circuitos de control del generador.
Armónicos de Tensión
La propia red de alimentación puede ser una fuente indirecta de armónicos de tensión.
La relación entre la corriente armónica absorbida por cargas no lineales y la impedancia de la fuente del transformador de alimentación se rige por la ley de Ohm, lo que provoca armónicos de tensión. La impedancia de la fuente la constituye el transformador de alimentación y los componentes del ramal.
Todas las cargas que compartan un transformador o un ramal con fuerte carga de armónicos podrán resultar afectadas por los armónicos de tensión producidos.
Se presenta la irónica circunstancia que los equipos de cómputo son la carga más sensible a los armónicos de tensión. El rendimiento de la fuente de alimentación con condensador y diodos dependen críticamente de la tensión de pico. Los armónicos de tensión pueden provocar un achatamiento de los máximos de amplitud de la onda de tensión, reduciendo ese modo la tensión de pico. En el peor de los casos se puede producir un reseteo del ordenador a causa del fallo de alimentación.
En entornos industriales, los motores de inducción y los condensadores para corrección del factor de potencia también pueden resultar gravemente afectados por los armónicos de tensión.
Los condensadores de corrección del factor de potencia pueden formar un circuito resonante con las partes inductivas de un sistema de distribución de corriente. Si la frecuencia resonante esta próxima a la de la tensión armónica, la corriente armónica resultante podrá aumentar considerablemente, sobrecargando los condensadores y quemando los fusibles de éstos. Por suerte el fallo del condensador desintoniza el circuito y la resonancia desaparece.
Clasificación de los armónicos
Cada armónico tiene un nombre, frecuencia y secuencia. La secuencia se refiere al giro del fasor con respecto al fundamental (F), por ejemplo en un motor de inducción, el armónico de secuencia positiva generaría un campo magnético que gira en la misma dirección que el fundamental. Un armónico de secuencia negativa giraría en dirección contraria. A continuación los nueve primeros armónicos con sus efectos.
Nombre | F | 2º | 3º | 4º | 5º | 6º | 7º | 8º | 9º |
Frecuencia | 60 | 120 | 180 | 240 | 300 | 360 | 420 | 480 | 540 |
Secuencia | + | - | 0 | + | - | 0 | + | - | 0 |
Secuencia | Rotación | Efectos |
+ | Directa | Calentamiento de conductores, rotura de circuitos |
- | Hacia atrás | Calentamiento de conductores + problemas de motor |
0 | Ninguna | Calentamiento, + añadir en neutro de fase 3, sistema de 4 hilos |
Fluke México y CEDE S.A crearon este seminario para ayudar a reducir el nivel de riesgo en el entorno de trabajo debido a que diariamente un promedio de 9,000 Trabajadores sufren accidentes eléctricos en entornos de alta energía que les dejan inválidos o les quitan la vida.
