Thd Distorsion Armonica

La importancia de considerar los efectos de la distorsión armónica en las instalaciones eléctricas adquiere mayor relevancia debido a la proliferación de las cargas denominadas “no lineales”, como es el caso de los variadores de velocidad para motores eléctricos que accionan diversas aplicaciones en los sectores de la industria, calefacción y acondicionamiento de aire en edificios, infraestructura, etcétera. Este fenómeno contamina la red eléctrica de una instalación y puede afectar el funcionamiento de los aparatos conectados a ella cuando sobrepasa determinados límites. Hoy en día, se podría estimar que este tipo de cargas consume al menos entre 15 y 20 por ciento del total de los servicios públicos de distribución de electricidad, y en corto plazo se puede pronosticar que alcancen porcentajes muy superiores.

En contraste, durante décadas, los variadores de velocidad han demostrado los beneficios que aporta su implementación, sobre todo en las aplicaciones conocidas como “par cuadrático o variable”, como son las bombas centrífugas y ventiladores, donde, además de la capacidad para regular con sencillez los caudales o flujos, también es posible obtener ahorros de energía importantes e integrarlos en las arquitecturas de automatización.

Definición y expresiones para cálculo de armónicos

• Armónico. Componente de una onda periódica no senoidal, con una frecuencia entera múltiplo de la fundamental de la línea de alimentación

• Corriente RMS-Irms = I1 X ? 1+ THDi2

• Distorsión armónica total THD. Razón del valor RMS de la suma de todos los componentes armónicos hasta un orden especificado, sobre el valor RMS del componente fundamental:

THDi = i h52 + i h72 + i hn2

………————————–

………..………. I h1

• Armónicos característicos. Se basan en el número de rectificadores (pulsos) del circuito y se determinan mediante la expresión siguiente:

h = (n • p) ± 1

Donde: . n = número entero (1, 2, 3,..)

………… p = número de pisos o rectificadores

• Relación de cortocircuito Rsce. Valor característico de la relación entre la potencia de cortocircuito y la aparente, según IEC 61000-3-4 (-12). En el caso del estándar IEEE519, resulta del cociente entre la corriente máxima de cortocircuito disponible en el punto de conexión Pcc y la corriente de carga máxima fundamental.

Rsce = S SC = I SC

……. ———….——–

………..S L I L

• Punto de conexión común Pcc. Localización en la cual se efectúan o calculan las mediciones de distorsión armónica de tensión y corriente. Estas mediciones o cálculos pueden realizarse en el primario y/o secundario del transformador conectado a la acometida. En plantas industriales, puede considerarse en el punto de conexión entre las cargas lineales y no lineales.

• Límites de distorsión THD. Normas internacionales que son tabuladas en función de la relación de cortocircuito (Rsce) en Pcc.

Tipos de cargas

De manera general, podemos clasificar las cargas en dos familias:

• Lineales. Aquéllas cuya forma de onda de la intensidad de corriente corresponde a la senoidal de la tensión de alimentación; por ejemplo: motores, bancos de capacitores, resistencias, etcétera.

• No lineales. De manera contraria a la familia anterior, ambas formas de onda son diferentes donde el consumo de la corriente se manifiesta con impulsos abruptos en lugar de una forma de onda senoidal. Este fenómeno se presenta debido a la conmutación de los dispositivos que contienen electrónica de potencia, como puentes rectificadores a base de diodos, tiristores, entre otros equipos.

Cómo generan armónicos los variadores de velocidad

Figura 1

En la figura 1, se muestra el esquema de un variador como fuente de tensión correspondiente a la etapa de rectificación con un puente no controlado en base a seis diodos (número de pulsos) y un capacitor conectado en el bus de corriente directa, el cual almacena campo eléctrico y filtra la señal para alimentar la etapa inversora para producir finalmente con tecnología de ancho de pulso modulado (PWM) señales de tensión y frecuencia variables para el motor. Sólo para fines informativos, se menciona que en el caso de los variadores en altas potencias, ya sean en baja o media tensión, es común la disponibilidad de diseños multi-pulsos, configurados en topologías de 12, 18, 24 y hasta 36, como método para la mitigación armónica.

Figura 2

La figura 2 presenta el proceso de carga de los capacitores conforme a la relación típica entre el voltaje y la corriente respecto del tiempo.

Figura 3

Las formas de onda mostradas en la figura 3exponen los impulsos de corriente consumida por el variador (en rojo) en la fase 1 y corresponden al pico de voltaje entre las fases U12 (en morado) y U13 (verde), en ambas direcciones. Cada impulso de corriente inicia cuando la tensión de línea es mayor que la tensión entre las terminales del capacitor (+ / -).

La magnitud de los armónicos producidos por el variador depende de su diseño e interrelación con la impedancia del sistema de distribución, causando en menor o mayor medida la distorsión de la forma de onda de la tensión y afecta en diferentes formas a las otras cargas o dispositivos, dependiendo de su conexión, ya sea en serie o paralelo.

Cuando se analiza una instalación con varias cargas no lineales conectadas, se debe considerar

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