Armónicos: cómo contrarrestar sus efectos en plantas industriales

En esta primera entrega, el punto de partida es reforzar el entendimiento sobre este fenómeno y esgrimir soluciones certeras para menoscabar sus efectos. Esto con el fin de evitar situaciones de riesgo para las personas, bienes y productividad de las empresas

Por Víctor M. Rodríguez Reyna

Hace algunos años, era poco conocido uno de los fenómenos que ahora caracteriza al uso de la energía eléctrica en las plantas industriales del siglo XXI. Antes, hablar de armónicos resultaba un tema más bien académico, o de análisis matemático. Ahora es un aspecto de atención imprescindible para hablar de redes eléctricas productivas.

Este disturbio se presenta ahora en prácticamente todas las redes eléctricas, sean industriales, comerciales, de servicios; o inclusive, domésticas. Lo que la diferencia es la intensidad y el subtipo que se manifiesta en cada una de ellas.

Para reducir sus efectos debemos reforzar el entendimiento del porqué se produce este fenómeno y entonces producir soluciones certeras para menoscabar sus efectos, esto con el fin de evitar situaciones de riesgo a los bienes y a la productividad de las empresas.

Porqué se generan estos disturbios
La producción de los llamados armónicos está asociada a la operación de los dispositivos de control y automatización, debido a que la forma de onda de su salida es diferente al de la onda con la que son alimentados.

Es decir, si son alimentados por una forma de onda senoidal (señal de entrada) y ejercen su acción de control por medio de impulsos binarios (señal de salida), entonces la consecuencia de ésa no linealidad entre ambas señales genera corrientes subyacentes de distinta frecuencia a la de 60 Hz.

Figura 1 – Onda deformada

Esas corrientes, denominadas armónicas, se suman y superponen a la forma de onda senoidal original de 60 Hertz, ocasionando que la forma resultante sea una deformación de la fundamental. La deformación provocada será más grande que si se producen diferentes corrientes a distintas frecuencias. Esto debido a que todas ellas se adicionarán y deformarán la original de 60 Hertz (figura 1).

A dichas corrientes se les identifica, por facilidad, con un número u orden. Por ejemplo, a la corriente que corre a 300 Hertz, o sea 5 veces la de 60 Hertz, se le denomina 5º. armónico, armónico de orden 5, o simplemente H5 (por el vocablo inglés Harmonic).

Es importante tomar en cuenta que los armónicos generados no suelen presentarse aisladamente, sino en series que tienen un cierto patrón repetitivo. Por ejemplo, los variadores de velocidad de los compresores de aire acondicionado suelen generar principalmente los armónicos H5 y H7; H11 y H13; H17 y H19, entre otros. Más adelante se presentará una manera para identificar cuáles son los armónicos asociados a estos drivers de frecuencia variable.

Quiénes se ven afectados por los armónicos
Este disturbio está presente en prácticamente toda red eléctrica; sin embargo, lo que le confiere especial relevancia es que el sector industrial, por sí solo y aunque representa menos del 1 por ciento de la totalidad de usuarios, absorbe alrededor del 60 por ciento de la energía que produce y entrega la Comisión Federal de Electricidad (CFE). Los armónicos presentan características y peculiaridades diferentes, según el tipo de cargas conectadas en las redes eléctricas. Por ello, la solución más adecuada dependerá del perfil de armónicos de la red que se esté analizando.

En el caso de las plantas y procesos industriales, los dispositivos vinculados a la producción de armónicos son:

  • Variadores de velocidad de motores y bombas (industria gráfica y rotativas de periódicos, revistas y materiales impresos en general; sector farmacéutico; máquinas que manejan fluidos y agua; industria vinícola, cervecera y refresquera)
  • Dispositivos de control (PLCs) para procesos de automatización o robótica de procesos industriales (maquinado de piezas, dobladoras, punzonadoras, cortadoras, tornos automatizados, máquinas de soldadura, de extracción o de distribución y arreglo industrial)
  • Procesos de trituración (máquinas trituradoras de piedras, mármoles o metales), o en los que se utilizan motores de corriente directa o inversores
  • Variadores de frecuencia y dispositivos de control (PLC) de máquinas para procesos de embotellado, envasado, etiquetado, llenado de líquidos y limpieza industrial; tapado/cerrado de envases; llenadoras de nivel, volumétricas o de contrapresión; maquinaria de llenado para el sector de alimentos, jugos, líquidos; máquinas de empaquetado y de inyección automatizada (industria del plástico)
  • Equipos de fuerza ininterrumpible para garantizar la continuidad y calidad del suministro eléctrico en procesos industriales automatizados

En las áreas de oficina de las plantas industriales, los armónicos son provocados por dispositivos electrónicos como:

  • Luminarias con balastros electrónicos o con LEDs; computadoras, impresoras y servidores de datos; fuentes de poder y de energía ininterrumpida (UPS, por sus siglas en inglés); módems, routers, equipos de seguridad electrónica y sistemas automatizados; dispositivos electrónicos para el control de flujo de agua o aire; detectores de presencia, eliminadores de baterías, hornos de microondas y variadores de velocidad de aires acondicionados, entre otros

Consecuencias
Esta anomalía eléctrica provoca múltiples efectos nocivos que dependerán de la intensidad de las fuentes emisoras. Algunos de ellos son:

  • Funcionamiento erróneo en tarjetas electrónicas en dispositivos de control; fallas en el procesamiento de datos y en electrónica de potencia; calentamientos, errores de operación en PLCs y mal desempeño en sistemas electrónicamente sensibles, así como interferencias en sistemas de telecomunicación y telemando
  • Sobrecalentamiento de equipos eléctricos, motores, transformadores y generadores. También pueden ocurrir averías en flechas y motores debido a que ciertas armónicas generadas (las de secuencia negativa) fluyen en sentido contrario al de los rotores
  • Elevación de la temperatura del cableado eléctrico, con disminución de aislamiento (riesgo potencial de corto circuito) y de la vida media de los dispositivos, así como incremento considerable de pérdidas de energía en forma de calor
  • Daños en los capacitores de potencia de la red eléctrica y efectos de resonancia que, por una parte, amplifican y agudizan el nivel de distorsión armónica y, por otra, pueden provocar daños irreversibles en los transformadores de potencia
  • Sobrecalentamiento y disparo de los interruptores termo-magnéticos y electromagnéticos, lo que desemboca en una reducción de su capacidad de aceptación de corriente en estado estable y de la vida de los componentes aislantes, provocándoles daños y errores en su funcionamiento, con las implicaciones de riesgo productivo por interrupciones o paros imprevistos

Cuatro técnicas para contrarrestar sus efectos
A continuación, se exponen cuatro soluciones correlacionadas con la generación de armónicos; sin embargo, es importante señalar que existen más de 15 soluciones diferentes asociadas a éste fenómeno.

Armónicos generados por variadores de velocidad (VSD) compresores, motores y bombas
En las redes eléctricas industriales es frecuente encontrar motores, bombas y compresores gobernados por variadores de velocidad angular, los cuales para ejercer su control emplean rectificadores. Los más usuales son los de seis pulsos (éstos rectifican en cada ciclo dos veces la onda en cada una de las tres fases, de ahí su nombre) y generan niveles de distorsión armónica en corriente (THDI) de alrededor de 45 por ciento.

Una manera de atenuar los efectos de estos rectificadores consiste en incorporar reactores de choque, también conocidos como reactores de línea. Éstos son colocados y configurados en serie, entre el tablero eléctrico de alimentación y el variador de velocidad. Por ello, se dimensionan tomando como referencia la corriente de ese circuito. Si se quiere reforzar la reducción, es posible colocar dos reactores en serie; uno en el lado red (tablero de alimentación) y otro en el lado carga (entre el variador y el compresor, bomba o motor).

Rechazo de armónicos para proteger capacitores, evitar amplificaciones y elevar el factor de potencia (FP)
Se logra al formar un circuito LC, trifásico, en delta, el cual se sintoniza a una frecuencia inferior a la de la armónica significativa que se quiera rechazar. Por ejemplo, para mitigar el 5º. Armónico (H5), normalmente se sintoniza a 4.2, es decir, a una frecuencia de 4.2 x 60 Hz = 252 Hz.

Esta composición, que eléctricamente es un filtro de rechazo, hace posible tres prestaciones: el rechazo de H5 que protege a los capacitores de daños por sobrecorriente; evitar que se produzcan resonancias que amplifiquen la distorsión armónica y la elevación del factor de potencia (FP) de la red.

La frecuencia de los filtros de rechazo manufacturados en México se sintoniza para rechazar el armónico H5, pero también se puede solicitar que el arreglo rechace H7. Estos armónicos son los que aparecen con mayor incidencia en las redes con variadores de velocidad. Dichos equipos, a su vez, se conectan en paralelo al tablero eléctrico que alimenta a la carga no lineal. Si se emplea para elevar el FP de la red, se suele conectar también en paralelo al tablero Eléctrico General del inmueble.

Para mejores resultados para un grupo de variadores de velocidad conectados en paralelo, es recomendable incorporar reactores de línea en cada uno de los circuitos donde exista un variador de velocidad y, de forma adicional, incorporar un filtro de rechazo en el tablero general de alimentación.

Aislamiento de armónicos en grupos de motores, bombas o compresores, gobernados por VSDs
Se sugiere que cualquier dispositivo de rechazo o mitigación de armónicas esté lo más cerca posible de la carga no lineal que las genera. Con ello, se aislarán sus efectos y se evitará, tanto la propagación hacia el resto de las cargas eléctricas como la agudización de sus repercusiones al adicionarse con otras corrientes armónicas.

Por la razón anterior, en los grupos de motores, bombas y compresores, controlados por variadores de velocidad y operando en paralelo, es recomendable que cada uno de ellos contenga su(s) propio(s) reactor(es) de choque, para impedir que el flujo de las corrientes armónicas provenientes de los demás variadores contamine a los demás.

Dicho de otra manera, no es suficiente instalar a un nivel central un solo reactor. Si se requieren mejores resultados, es necesario instrumentar una solución para cada uno de ellos. Es decir, uno (lado carga) o dos reactores (red y carga) para cada uno de los variadores.

Atenuación de efectos por sobretemperatura de armónicos. Transformadores de potencia Tipo K
Estos transformadores están diseñados para trabajar con cargas no lineales. No se corrige el contenido armónico, pero permite contrarrestar los efectos de elevación de temperatura que producen. El factor K es un indicador numérico que está asociado al número de veces que un transformador soporta el calor armónico en sus devanados, comparado con un transformador construido sin factor K.

De conformidad con lo establecido en UL, los niveles de distorsión armónica que puede soportar un transformador tipo K son los siguientes:

Ubicación de los dispositivos antiarmónicos
Existen tres ubicaciones recomendables para colocar los equipos y dispositivos antiarmónicos:

  • Directamente en los bornes (tablillas de conexión) de las cargas generadoras de armónicos. Esta es la ubicación idónea, ya que elimina o amortigua el disturbio en el lugar en el que se produce, focalizándolo y evitando su propagación a lo largo de red
  • En los tableros eléctricos de distribución secundarios, este posicionamiento se recomienda cuando existen diferentes cargas generadoras de armónicas de pequeña potencia alimentadas desde un mismo tablero eléctrico secundario
  • En el tablero eléctrico general, cuando las corrientes armónicas han sido atenuadas en las propias cargas o en los tableros secundarios (en este punto se atiende la eliminación o rechazo de los residuos armónicos restantes). Así, la solución se vuelve más sólida y se contribuye a no aportar armónicos a otros usuarios cercanos a su red

Existen más situaciones y afectaciones de armónicos dentro de las redes eléctricas industriales. En una entrega posterior se expondrán algunas otras de las más de 15 técnicas individuales y combinadas para reducir las afectaciones provocadas por este fenómeno electromagnético. Es importante caracterizar y entender los distintos tipos de armónicos de acuerdo con la naturaleza de la carga no lineal que las genera. Hasta ahora sólo en algunos casos se ha invertido en instrumentar una solución adecuada.
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Víctor M. Rodríguez Reyna
Ingeniero Mecánico Electricista por la UNAM, cuenta con un diplomado en Administración Pública. Especialista en ahorro y calidad de energía eléctrica a nivel industrial, comercial y del sector de servicios. Además, es miembro de AMERIC, de la ASHRAE Capítulo CDMX y de la IEEE. Actualmente es director general de Capacitores Alpes Technologies.
www.capacitoresalpes.com