Las armónicas

La distorsión de la forma de las ondas de corriente y voltaje debida a las armónicas es uno de los fenómenos que afectan la confiabilidad del sistema y, por lo tanto, la calidad de la energía. Este problema no es nuevo, sin embargo, debido al notable incremento de cargas no lineales conectadas al sistema eléctrico de potencia, el nivel promedio de armónicas crece cada día.

Una armónica, en redes eléctricas, es definida como una frecuencia múltiplo de la frecuencia fundamental, así, en sistemas con frecuencia de 60 Hz y cargas monofásicas, las armónicas características son la tercera (180 Hz), quinta (300 Hz) y séptima (420 Hz).

Como en los sistemas eléctricos se tienen señales periódicas, entonces el voltaje, por ejemplo, se puede representar por la siguiente figura:

Usualmente, los valores de distorsión están definidos en porcentajes de cantidades eléctricas, estos valores son muy utilizados para conocer el grado de contaminación de las redes eléctricas. Los tipos de distorsión que se manejan son:

Distorsión armónica total (TDH),que se puede calcular tanto para el voltaje como para la corriente, y para armónicas individuales (IHD).

Distorsión total de demanda (TDD), similar a la anterior, con la diferencia de que el % de la anterior es con respecto a la I₁ y para la TDD es con respecto a la I_dem-max

Interferencia telefónica (TIF), es una medida de la susceptibilidad del oído humano al ‘ruido’ del sistema telefónico, este TIF se obtiene de una curva llamada C-message, obtenida en los laboratorios Bell. Se debe a la aparición de las armónicas de corriente y de voltaje.

Factor K, en la gran mayoría de los casos, cuando un transformador alimenta cargas no lineales, se sobrecalienta, aun cuando no ha alcanzado sus kVA nominales. Se estima que el calentamiento de los transformadores debido a las armónicas es directamente proporcional al cuadrado de la armónica multiplicado por las pérdidas que ésta produce. Este factor K viene especificado en los datos de placa de algunos transformadores, indicando la capacidad del transformador para alimentar cargas no lineales sin exceder la temperatura de operación a la cual están diseñados. Los factores K más comunes de transformadores son de 4 y 13, son utilizados para alimentar cargas que utilizan rectificación principalmente.

En la actualidad, las normas internacionales referentes al control de armónicas son las siguientes:

IEC 36.05 (EUROPA)

DIN 57160 (ALEMANIA)

G 5/3 (INGLATERRA)

AS 2279 (AUSTRALIA)

La tendencia en México, impulsada por CFE, es seguir las recomendaciones expuestas en el Estándar 519 del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE, por sus siglas en inglés), cuyo título es “IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems”. Son las siguientes:

Límites de distorsión de corriente para sistemas de 120 V a 69 kV (Máxima corriente de distorsión en % de I_L para armónicas impares)

Límites de distorsión de corriente para sistemas de 69 001 V a 161 kV (Máxima corriente de distorsión en % de I_L para armónicas impares)

Límites de distorsión de corriente para sistemas mayores a 161 kV (Máxima corriente de distorsión en % de I_L para armónicas impares)

La generación de armónicas se debe a elementos no lineales como elementos saturados y elementos que utilizan componentes de switcheo, tales como rectificadores y cualquier otro que utilice dispositivos electrónicos.

Ver también: 8 disturbios que afectan la calidad de la energía

Algunos casos en los que se generan armónicas en la industria son:

1. en convertidores;
2. en hornos de inducción;
3. en compensadores estáticos de potencia;
4. en hornos de arco eléctrico.

Otros casos de interés son los siguientes:

Saturación de transformadores. La saturación de transformadores crea armónicas, pues se trata de un elemento no lineal. Las originadas por la saturación son las armónicas impares, principalmente la tercera. La generación de estas armónicas se presenta en estado estable cuando el transformador está sobrecargado, provocando que el transformador opere en su región no lineal como se muestra en la siguiente figura:

Otro de los momentos más comunes de generación de armónicas en el transformador es cuando se energiza. Durante este fenómeno transitorio, abundan las armónicas pares e impares y puede llegar a durar hasta algunos minutos. Este fenómeno se explica gráficamente a continuación:

Lámparas fluorescentes. Las lámparas fluorescentes son otro tipo de cargas que generan armónicas, estas armónicas son generadas por el efecto de los balastros y los dispositivos no lineales y electrónicos que utilizan para su funcionamiento.

Como se puede observar, las lámparas fluorescentes y todas las ahorradoras son una fuente importante de armónicas que en conjunto (por ejemplo, en el alumbrado público) pueden acarrear grandes problemas por la magnitud de estas armónicas, en las cuales predomina la tercera.

Equipo de cómputo. El equipo de cómputo y en general el equipo de oficina funcionan mediante una fuente de alimentación, la cual es un puente rectificador con la característica natural de generar armónicas.

Equipo doméstico. El equipo doméstico en la actualidad es electrónico, consecuentemente es fuente de armónicas, la tabla de la derecha lo ilustra:

Una casa habitación de clase media genera armónicas, si sumamos todas las corrientes provenientes de un fraccionamiento o colonia que van a dar a los alimentadores, tendremos una idea de cuán expuestos están a transportar este tipo de corrientes, principalmente la tercera armónica.

Más aún, como vimos en los ejemplos, las armónicas se encuentran prácticamente en todos los niveles. De su propagación y comportamiento en las redes eléctricas depende en gran manera la calidad de la energía, por ello, aunque es un tema un tanto abstracto, nos dimos a la tarea de darte esta breve introducción.

8 disturbios que afectan la calidad de la energía

Debido a la importancia que tiene la electricidad en nuestra vida es necesario contar con una buena calidad de energía. Los disturbios y variaciones de voltaje que se producen en la red eléctrica afectan directamente al usuario.

El concepto de calidad de la energía es muy amplio, para nuestro fin la definiremos como la ausencia de interrupciones, sobretensiones, deformaciones producidas por armónicas en la red, además le concierne la estabilidad de voltaje, la frecuencia y la continuidad del servicio eléctrico. Actualmente la calidad de la energía es el resultado de una atención continua. En años recientes, esta atención ha sido de mayor importancia debido al incremento del número de cargas sensibles en los sistemas eléctricos, las cuales por sí solas resultan ser una causa de degradación en la calidad de la energía eléctrica.

Por ejemplo, las depresiones de voltaje de sólo cinco milisegundos son capaces de hacer que una computadora pierda su información o tenga errores, es por esto que el incremento de equipo de procesamiento de datos (computadoras) ha señalado al problema de la calidad de la energía como algo muy serio.

Los disturbios no sólo afectan el equipo de los consumidores, también perjudican la operación de las líneas eléctricas de suministro y causan problemas como los siguientes:

1. Operación incorrecta de controles remotos.
2. Sobrecalentamiento de cables.
3. Incremento de las pérdidas reactivas de los transformadores y motores.
4. Errores en medición.
5. Operación incorrecta de sistemas de protección, entre otros.

A causa de estos problemas un componente de cualquier equipo puede sufrir un daño considerable al presentarse algún transitorio (variación de voltaje que dura relativamente poco tiempo) que rebase su nivel de aislamiento. Un ejemplo sería un rectificador, que puede llegar a fallar si es expuesto a un voltaje transitorio arriba de cierto nivel.

Podemos decir que el objetivo de la calidad de la energía es encontrar caminos efectivos para evitar y protegerse de los disturbios y variaciones de voltaje del lado del usuario, y proponer soluciones para evitar y protegerse de las fallas que se presentan del lado del sistema de la compañías suministradoras de energía eléctrica, para lograr con ello un suministro de energía eléctrica con calidad.

El problema de la calidad de la energía puede ser visto desde tres perspectivas diferentes:

1. La primera de ellas corresponde a los consumidores después del medidor, es el impacto de los disturbios en los equipos.
2. La segunda, también del lado de los consumidores, es que los fabricantes de equipos deben conocer los niveles de estos disturbios y la frecuencia con que ocurren, para así determinar una tolerancia razonable para sus equipos.
3. La tercera es más amplia, cómo los disturbios ocasionados por un consumidor afectan a otros consumidores que están conectados a la misma red de suministro.

La compañía de suministro no puede darse el lujo de suponer que provee una excelente calidad de energía, ya que algunos de los disturbios quedan fuera del control de la empresa. Por ejemplo, no puede evitar que una descarga atmosférica no caiga sobre o en las cercanías de una línea de transmisión, ni tampoco que un desperfecto en algún equipo genere una interrupción de energía.

Basados en el conocimiento del área eléctrica, los fabricantes deben diseñar y construir equipos que puedan resistir niveles razonables de disturbios. Los usuarios de equipo sensible a los disturbios pueden escoger entre dos opciones para eliminarlos o, al menos, reducirlos: una es hacer un buen diseño del circuito de distribución, otra, utilizar equipo de acondicionamiento.

Ver también: Voltaje y Corriente Eléctrica

Éstos son algunos tipos de consumidores que requieren forzosamente equipos de acondicionamiento para mantener un buen nivel de calidad de energía eléctrica:

1. Sistemas de información que utilizan equipo de cómputo.
2. Departamentos de paramédicos y bomberos.
3. Empresas públicas (gas, agua, energía eléctrica).
4. Aeropuertos.
5. Instituciones financieras.
6. Departamentos de policía, entidades gubernamentales, etc.

Los términos usados para describir los disturbios frecuentemente tienen diferente significado para distintos usuarios. Pero muchos atributos de calidad de energía son comúnmente reconocidos. A continuación se da una breve descripción de algunos de los más comunes:

1. Pico de voltaje. Es un incremento en el nivel de voltaje que dura microsegundos. Se debe principalmente a fallas en la red eléctrica, descargas atmosféricas y switcheo (del inglés switch,‘interruptor’, se utiliza para conectar y desconectar algo) de grandes cargas.
   
   
   
   
   
2. Depresión de voltaje (sags). Es un decremento momentáneo (varios ciclos de duración) en el nivel de voltaje debido a la conexión de grandes cargas, descargas atmosféricas y fallas en la red eléctrica.
   
   
   
   
   
3. Dilatación de voltaje (swell). Es un incremento del voltaje de varios ciclos de duración. Es ocasionado por la desconexión de cargas grandes y no llega a ser un sobrevoltaje.
   
   
   
   
   
4. Sobrevoltaje. Es una condición de voltaje elevado (arriba del valor nominal) que, a diferencia del swell, dura mucho más tiempo. Es causado por una pobre regulación de voltaje.
   
   
   
   
   
5. Parpadeo (flickers). Son fluctuaciones en el nivel de voltaje. Se deben a la conexión de cargas cíclicas, como hornos eléctricos, o por oscilaciones subarmónicas (que son señales de frecuencia menor a la fundamental). Por lo general este efecto se observa fácilmente en un cambio de intensidad en las lámparas y en el ruido acelerado y desacelerado de motores.
   
   
   
   
   
6. Interrupción de energía. Es la pérdida total de potencia. Por lo general se considera interrupción cuando el voltaje ha decrecido a un 15% del valor nominal o menos. Las causas son aperturas de líneas, daño de transformadores, operación de fusibles o equipos de protección de la red, entre otras posibilidades. También se consideran interrupciones de energía aquellas que duran milisegundos.
   
   
   
   
   
7. Ruido eléctrico. Es la distorsión (no necesariamente periódica) de la forma senoidal (representada aquí por la línea naranja) del voltaje. El origen puede estar en switcheo, transmisores de radio y equipo industrial de arco eléctrico.
   
   
   
   
   
8. Distorsión armónica. Es la distorsión (periódica) de la forma de onda senoidal del voltaje o corriente. Ésta es causada por la operación de equipos no lineales, como lo son rectificadores y hornos de arco eléctrico.