Ahorro económico y armónicos eléctricos

Introducción

La calidad de red influye básicamente en 4 características en los sistemas eléctricos de cualquier instalación: amplitud, frecuencia, simetría y forma. Concretamente, las perturbaciones armónicas tienen incidencia precisamente en esta última característica.

A diferencia de las otras tres características que pueden ser ocasionadas por el suministrador de electricidad, los armónicos y su incidencia de la calidad de forma de la red sueles ser producido por el propio usuario.

Con la finalidad de tomar una decisión de inversión en soluciones de filtrado de armónicos, es crucial evaluar el impacto económico que puede suponer una mala calidad en el funcionamiento óptimo de las líneas de producción o de servicio de la empresa donde se va a implementar una solución.

Armónicos y sus efectos

Debemos entender previamente que el origen de los armónicos es el propio consumo de cargas no lineales presentes en la instalación, produciendo básicamente armónicos en corriente.

Las problemáticas que pueden causar los armónicos en corriente son las siguientes:

• Sobrecarga de conductores
• Sobrecarga de conductores de neutro
• Desclasificación de transformadores
• Disparo de protecciones
• Resonancia y sobrecarga de baterías de condensadores

Y de los armónicos en tensión:

• Distorsión en tensión
• Efecto sobre motores de inducción
• Perturbaciones de paso por cero

Sobrecarga de conductores

Sencillamente la presencia de armónicos en corriente hace aumentar la corriente eficaz, haciendo que pueda excederse el consumo admisible para dicho circuito.

Esto puede comportar que tenga que aumentarse la sección de los conductores, sobre todo si no se ha previsto este incremento de corriente por motivo de los armónicos.

Sobrecarga de conductores de neutro

La generación de armónicos múltiplos de 3, principalmente por parte de cargas monofásicas, hace que el retorno de dichas corrientes se produzca por el neutro sumándose entre ellas. Este hecho puede hacer que la corriente presente en el conductor de neutro sea superior al de la fase y acabar degradando el mismo conductor de neutro y cortarlo.

El gran riesgo de un corte de neutro es que puede producir un desplazamiento del punto neutro y que aparezca una sobretensión permanente en la red, que acabara por destruir los equipos que presenten dicha sobretensión si estos no están protegidos adecuadamente ante este hecho.

La presencia de armónicos de orden 3 puede implicar aumentar la sección del conductor de neutro más que la sección de conductor de fase.

En la figura 1 vemos el factor de corrección en función de la presencia de 3r armónico según la norma IEC 60364-5-523 (traspuesta en España y presente en el REBT como UNE EN 20460-5-523)

Desclasificación de los transformadores

Los transformadores se ven afectados por los armónicos principalmente por las pérdidas por corrientes parásitas o de Foucault y las perdidas por histéresis, que normalmente representan un 10% aproximadamente de las pérdidas a plena carga, aumentan con el cuadrado del número de orden del armónico en el caso de las pérdidas de Focault.

Esto provoca una temperatura de funcionamiento mucho más elevada y, en consecuencia, una vida útil del equipo más corta. Esto lo simplificamos como una desclasificación de la potencia que puede trabajar el transformador sin que se produzca un calentamiento que exceda el normal y acabe disparando las protecciones del transformador. Esta desclasificación se recoge en el factor K, donde su interpretación será distinta según se aplique la fórmula de CENELEC publicado en su documento HD428.4S1 o bien en la versión que establece Underwiter Laboratories (UL).

Disparo de protecciones

Las corrientes armónica, tal y como hemos indicado en el apartado de sobrecarga de conductores, producen un incremento de la corriente eficaz y también pe la disipación térmica según sea el comportamiento de impedancia de los interruptores automáticos.   Unas condiciones de sobrecarga durante largo periodo de tiempo pueden provocar el disparo por motivos térmicos. Obviamente, esto implica tener que aumentar el calibre de las protecciones o modificar sus ajustes si es posible.

El disparo por motivos magnéticos, aunque es más improbable, también puede presentarse con la presencia de armónicos. Principalmente esto sucede cuando encontramos una forma de onda en corriente con un elevado factor de cresta, típico en cargas monofásicas tales como ordenadores o alumbrado de descarga, haciendo que el valor de cresta pueda encontrarse en los límites de disparo magnético de las protecciones.

Y por último los armónicos pueden incidir de forma indirecta sobre el disparo de las protecciones diferenciales. Nos referimos como forma indirecta a que por el mero hecho de que circule corriente armónica a través un diferencial no hará que dispare, pero sí que será significativo el nivel de distorsión en tensión, ya que este indicador nos atestigua que el comportamiento de la red presente aguas arriba de dicho diferencial puede tener una alta impedancia frente a las corrientes armónicas, propiciando entonces que dichas corrientes circulen por capacidades parasitas o elementos capacitivos conectados a tierra, como en el caso de los filtros EMI que disponen muchos convertidores y variadores, haciendo que aumente el nivel de fuga que observa la protección diferencial.

Resonancia y sobrecarga de baterías de condensadores

Las baterías de condensadores se emplean básicamente para compensar el consumo de energía reactiva inductiva de cargas o instalaciones fundamentalmente para evitar penalizaciones o sobrecargos en la factura eléctrica por dicho consumo.

Por concepto un condensador no es un generador de armónicos, pero puede presentar una resonancia paralelo con el comportamiento inductivo del transformador y del cableado de alimentación de la instalación. Esta resonancia hace aumentar enormemente la impedancia del conjunto a una frecuencia determinada. Esta frecuencia no es estática, irá cambiando en función de las variaciones de potencia que pueda presentar la batería de condensadores o las condiciones de impedancia del sistema de alimentación, como por ejemplo pasar de estar alimentado sobre la red a alimentarse sobre un grupo electrógeno.

Todo esto si lo combinamos con los armónicos presentes en la instalación provoca básicamente dos efectos. El primero es el de amplificación de la distorsión en tensión para toda la instalación donde se presenta la resonancia, pudiendo afectar al resto de cargas por dicho aumento de la distorsión. Y el segundo efecto es la degradación o destrucción de los condensadores y otros elementos de las baterías de condensadores. Esta se muestra con una menor impedancia ante las corrientes armónicas, y que sumado a la amplificación de la distorsión en tensión ara que la batería aumente de forma importante el consumo de corriente y provoque, o bien la degradación de los condensadores, el disparo de protecciones o daños en los elementos de maniobra de la misma batería.

Distorsión en tensión

La distorsión en tensión es consecuencia del paso de las corrientes armónicas por las impedancias que conforman los diferentes elementos de distribución y alimentación de la instalación (embarrados, conductores, transformadores, reactancias, etc.).

La calidad de forma de onda en tensión es una de las características que se establece dentro de la norma UNE EN 50160, recogida dentro del artículo 102 punto 2 del RD 1955/2000 del sistema eléctrico como calidad de producto.

Aunque es un obligación dicho cumplimiento por parte de distribuidor y consumidor solo en el punto de acople común (PCC), otras normativas como la IEC 61000-2-4 establece los niveles de compatibilidad para perturbaciones conducidas de baja frecuencia en las instalaciones industriales, y en este caso se refiere entre otros a los limites de distorsión en tensión.

Este hecho es importante ya que establece los límites a partir de los cuales las cargas o receptores que haya en nuestra instalación pueden verse afecta por la distorsión en tensión. En dicha norma establece diferentes clases de entorno, del cual la clase 1, que es para cargas sensibles como automatismos, ordenadores, etc., se le establece un límite máximo de distorsión armónica de un 5%, a partir de dicho nivel estas cargas pueden verse afectadas por la distorsión en tensión y que operen de forma inapropiada.

Efecto sobre motores de inducción

Igual que sucede con los transformadores, la presencia de distorsión en tensión produce un aumento de las perdidas por corriente parasitas en el motor. Pero además, os armónicos en tensión generan unos campos magnéticos que inducen sobre el motor unas secuencias de giro proporcionales a las secuencias de giro de los armónicos, positiva haciendo acelerar el motor, negativa haciendo frenar el motor, o ambas a la vez provocando vibraciones, excentricidades y desgaste mecánico del motor.

Esta desclasificación se recoge en la norma IEC 60034-17 y NEMA MG1 bajo la designación del parámetro HVF. El la figura 2 se muestra el nivel de desclasificación que presenta el motor en función de dicho parámetro.

Perturbaciones de paso por cero

Muchos dispositivos electrónicos disponen de controladores que activan el funcionamiento de la carga con el paso por cero de la tensión. Esto se emplea para minimizar los picos de corriente de conmutación de muchas cargas inductivas, y minimizar su impacto a nivel de compatibilidad electromagnética.

Ante una distorsión en tensión, el funcionamiento de los equipos puede ser totalmente erróneo, pudiendo hacer que se estropee, entre en un bucle, se resetee, etc.

Impacto económico

Como hemos visto, prácticamente ninguno de los efectos que presentas los armónicos tienen una incidencia directa en los costes imputados en el sistema tarifario vigente en España.

De hecho normalmente las perdidas en una instalación son del orden de un 2-3% de consumo total de las cargas, con lo que el planteamiento de reducción de pérdidas “parcial” que se a conseguiría con la reducción de la corriente eficaz, solo sería vinculada desde el circuito y  punto donde se está corrigiendo. Si corregimos en cabecera de la instalación, la reducción seria solo en la parte proporcional sobre las pérdidas que supone la acometida y el transformador de potencia si procede.

Antes hemos destacado la reducción de pérdidas como parcial ya que a la reducción de pérdidas debemos restarle las pérdidas que supondrán la solución que adoptemos, dando en muchos casos un resultado neto que no es positivo, sino que hemos añadido un consumo que contrapone a la reducción esperada.

Los beneficios económicos debemos entenderlos por lo que nos aporta una mejora de la calidad de red en nuestra instalación:

• Aumento de la continuidad de servicio
• Reducción de riesgo de daños en equipos y mantenimiento
• Mejora el bienestar de las personas y trabajadores en trabajar en un ambiente funcional en lugar de uno disfuncional

A modo de ejemplo, un estudio realizado por Leonardo Power Quality Institute de la Unión Europea estableció el impacto económico que suponía un suceso o evento de mala calidad de red para diferentes actividades industriales.

El impacto económico puede diferir mucho de cada actividad, pero no deja de ser realmente relevantes.

Conclusiones

La incidencia económica de la implementación de una solución de filtrado no pude calcularse con un retorno directo sobre los costes económicos sobre el consumo eléctrico de la instalación, potencia contratada o penalizaciones por reactiva o máxima demanda, sino por los beneficios anteriormente mencionados que proporciona una mejora de la calidad de red y por reducción de costes indirectos en mantenimiento, averías, continuidad de servicio y aumento de capacidades del sistema de distribución.

Por tanto la cuantificación de posible ahorro estará sujeto a las condiciones que presente cada instalación o sistema ante los efectos anteriormente mencionados y que puedan o hayan podido afectas a la instalación.