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Efecto de las Frecuencias Armónicas en Entornos Industriales

La corriente alterna se fundamenta en su valor de tensión o intensidad y la frecuencia de la oscilación de la onda alterna. Hasta hace pocos años, no se daba importancia al efecto de la frecuencia porque en la mayoría de las instalaciones las cargas eran de tipo resistivo o lineal, es decir, cuando se aplica una tensión alterna sinusoidal, la corriente que fluye por la resistencia es también sinusoidal y no existen desfase entre la tensión y la intensidad. Se considera entonces que la frecuencia es única y no varia al interaccionar con los distintos dispositivos eléctricos o electrónicos. Es por ello que se la denomina frecuencia fundamental.

Sin embargo, la mayoría de los dispositivos eléctricos o electrónicos, presentes de manera mayoritaria en cualquier instalación moderna, no se comportan de forma lineal. Esto significa que la corriente que circula por estos dispositivos no es proporcional a la tensión de entrada. Tenemos entonces una forma de onda no sinusoidal, u onda compleja, que es debida a la aparición de otras frecuencias diferentes de la frecuencia fundamental. A estas frecuencias distintas de la fundamental se las denomina frecuencias armónicas o simplemente armónicos.

La presencia de armónicos en la red distorsiona la onda senoidal formada solamente por la frecuencia fundamental denominada también primer armónico, con la siguiente expresión matemática, donde f es la frecuencia fundamental.

Los armónicos son tensiones alternas o corrientes alternas que tienen una frecuencia múltiplo de la frecuencia fundamental. Entonces si la frecuencia fundamental son 50 Hz, también conocido como primer armónico, el segundo armónico será 100 Hz (2x50Hz), el tercer armónico será 150 Hz (3x50Hz), el cuarto armónico 200 Hz (4x50Hz) y así sucesivamente. Evidentemente estos armónicos no aparecen aislados y cada uno se suma al anterior generando una senñal alterna que ya no es senoidal. La expresión matemática es la siguiente

A continuación se muestra la representación gráfica sumando hasta llegar al cuarto armónico, donde se puede observar la distorsión cada vez mayor que van produciendo la suma de armónicos a la onda sinusoidal.

fig.1 Onda resultante con componentes armónicos hasta el 4º

¿Qué genera esta distorsión armónica?

La creciente utilización de la electrónica en equipos eléctricos es la principal causa de aparición de armónicos, ya que representan cargas con consumos no lineales consecuencia de componentes capacitivos e inductivos. Si bien a medida que aumenta la frecuencia disminuye su efecto en la red eléctrica, pudiendo llegarse a considerar que a partir del armónico 50 su efecto es insignificante, en otras redes, como en las telecomunicaciones, las altas frecuencias armónicas pueden generar ruidos y distorsiones en las comunicaciones difíciles de detectar.

Las cargas no lineales mas frecentes en entornos industriales que producen armónicos son:

  • Equipos industriales de soldaduras, rectificadores, hornos de inducción…
  • Variadores de velocidad para motores CC o asíncronos
  • SAI
  • Ordenadores, fotocopiadoras, faxes..
  • Televisores, hornos microondas, fluorescentes
  • Transformadores

La presencia de Armónicos causa Sobrecargas y Pérdidas en la Instalación Electrica

Los armónicos producen una distorsión de la forma de onda sinusoidal generando picos de tensión e intensidad que pueden ser muy elevados y disminuir la calidad de la alimentación eléctrica. Además, la suma de las distintas frecuencias armónicas a la frecuencia fundamental puede conducir al efecto de la resonancia. Esto provoca variaciones en la impedancia del circuito que modifican la corriente y la tensión en la red de distribución.

Como consecuencia, una instalación eléctrica industrial, puede presentar los siguientes problemas:

 SOBRECARGAS

  • Sobrecargas en las redes de distribución debido al aumento de la corriente.
  • Sobrecargas, vibración y envejecimiento prematuro de generadores, transformadores y motores.
  • Sobrecargas y envejecimiento prematuro de los condensadores utilizados en la corrección del factor de potencia.

 PÉRDIDAS

  • Pérdidas en los conductores por el aumento del efecto Joule.
  • Pérdidas en los condensadores debido a la circulación de intensidades proporcionales a la frecuencia de los armónicos.
  • Pérdidas en máquinas asíncronas por la aparición de frecuencias superiores a 50 Hz.
  • Perturbaciones en las redes de comunicaciones.

 

Sobrecargas y Pérdidas Eléctricas Aumentan los Costes de Operación

Las sobrecargas, sobrecalentamiento, envejecimiento prematuro en los diferentes elementos conectados a la red eléctrica debido a la presencia de armónicos  puede suponer un incremento en los costes de operación y consumo eléctrico de la instalación. De manera más específica:

MAYORES COSTES DE OPERACIÓN
  • El envejecimiento prematuro del equipo provoca su recambio con mayor frecuencia, aumentando las paradas por mantenimiento y los gastos en equipos
  • Interrupción de la producción debido a los disparos intempestivos de los elementos de protección y control.
  • Sobredimensionamiento de los equipos para evitar su recambio frecuente
 PÉRDIDAS

  • La sobrecarga de la red de distribución provoca la necesidad de una mayor contratación de potencia
  • Las pérdidas en los diferentes equipos eléctricos generan un sobrecalentamiento que aumentan el consumo energético

 

El primer paso es medir correctamente el nivel de armónicos 

Antes de buscar una solución al problema de los armónicos es indispensable contar con equipos de medición que proporcionen la información suficiente para determinar la cantidad de armónicos que existen en nuestra red eléctrica y el nivel de distorsión que genera cada uno de ellos. La medida más común para ello es la tasa de distorsión total armónica (THD, por Total Harmonic Distortion). Es el modo de expresar mediante un único número la distorsión que afecta a una intensidad o tensión en una determinada parte de una instalación eléctrica.

Sin embargo, disponer también del nivel de distorsión por cada armónico puede ayudar a localizar el origen de la perturbación y realizar  una corrección más efectiva. Los analizadores de SIP son equipos con altas prestaciones en el campo del análisis de armónicos. Cuenta con herramientas de visualización a través de una interfaz web amigable que permite visualizar el THD en tiempo real, filtrar por armónico en intensidad y tensión, y saber el detalle (tensión, intensidad, potencia y factor de potencia) de cada uno de ellos hasta el armónico 63º.A destacar, nuestro equipo M4 cuenta además con la capacidad de registrar en memoria interna el historial anual de THD, en intervalos de cinco minutos. Esta información es de especial interés para identificar patrones de comportamiento eléctrico y actuar sobre ellos.

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fig.2 Vista la distorsión armónica en la onda de intensidad de nuestro equipo demo M4 instalado en nuestras fábricas de Mataró.

 

fig.3 Vista de los componentes armónicos de nuestro equipo demo M4 instalado en nuestras fábricas de Mataró.

 

 

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