Introducción a los armónicos:Parte 2

En la segunda parte de esta miniserie, Colin Hargis analiza la gestión eficaz de los armónicos. La primera parte está disponible aquí.

Medidas armónicas

Las corrientes o voltajes armónicos individuales se pueden medir y cotizar en r.m.s. cantidades. A menudo se pueden expresar como un porcentaje de la fundamental. Es muy común que los instrumentos de medición de armónicos den los armónicos como un porcentaje, por defecto.

Se debe tener cuidado al evaluar los datos armónicos, especialmente los datos actuales. Si la corriente fundamental es baja, porque la potencia de carga es baja, entonces los armónicos expresados ​​en porcentaje aparecerán altos. Esto puede ser engañoso. Los datos proporcionados para la unidad estarán a una potencia de carga definida. A carga reducida, las corrientes armónicas se reducen en valor absoluto, pero como porcentaje de la fundamental aumentan.

Esto se ilustra en la Figura 7. La Figura 7(a) muestra cómo la corriente y los armónicos principales, como el 5 ^th y 11 ^th aumenta a medida que aumenta la potencia. La Figura 7(b) muestra cómo los armónicos principales y el THD, cuando se expresan como un porcentaje del fundamental, caen a medida que aumenta la potencia de carga.

Figura 7:Variación de corriente y armónicos con la potencia de carga, expresada como (a) cantidades absolutas y (b) % de corriente fundamental

En un variador, esto puede ser particularmente engañoso si el usuario no se da cuenta de que la corriente de entrada es una función de la potencia, es decir, el producto del par y la velocidad en el eje. Si un variador entrega un par nominal a velocidad reducida, puede parecer que está “trabajando mucho” porque la corriente de salida está cerca de su valor nominal máximo y la etapa del inversor transporta esa corriente y produce la pérdida de potencia esperada en forma de calor. Sin embargo, el rendimiento de potencia real es bajo, por lo que la corriente de entrada también será baja.

THD, VTHD, ITHD, factor de distorsión y factor de potencia

Un único parámetro simple para medir el efecto general de los armónicos es la distorsión armónica total, THD. Esta es la relación (en %) entre el r.m.s. valor de todos los armónicos juntos, y la fundamental. Para voltaje y corriente, puede denominarse VTHD e ITHD respectivamente.

Una vez más, se debe tener cuidado con ITHD, porque con carga reducida parecerá alto.

En ingeniería eléctrica, el factor de potencia se usa comúnmente para medir la reducción de la potencia útil transmitida por una corriente alterna si no está en fase con el voltaje.

Cuando la corriente y el voltaje son sinusoidales, esto es igual a cos o.

En presencia de corriente armónica, y asumiendo que el voltaje permanece sinusoidal, el factor de potencia se puede descomponer en dos factores:

Donde el factor de distorsión mide la reducción en la corriente útil causada por la distorsión:

Y el factor de desplazamiento mide la reducción causada por el cambio de fase:

El significado de estos factores se puede ilustrar considerando un motor que funciona directamente desde la línea de alimentación o con un variador:

Por lo tanto, el motor tiene un factor de potencia muy similar en ambos casos, lo que significa que la corriente a plena carga extraída de la red eléctrica es muy similar. Sin embargo, con el motor solo, el aumento de corriente se debe enteramente a que la corriente se retrasa con respecto al voltaje en fase, mientras que con el motor y el variador esto se debe principalmente a que hay corriente armónica.

El factor de distorsión y THD son medidas alternativas del nivel de distorsión o armónicos totales. Están relacionados por la siguiente función:

(donde THD se expresa como fracción, no como porcentaje)

Gestión de armónicos. Datos de corriente armónica para productos.

Las empresas de servicios públicos de suministro de electricidad aplican reglas para proteger el sistema de energía y los usuarios de energía de armónicos excesivos. Cada usuario avanzado es responsable de garantizar que cumple con las reglas. En algunas regiones, como la Unión Europea, la emisión de armónicos de productos eléctricos que se utilizan en grandes cantidades está regulada como parte de la ley EMC. Esto significa que los usuarios domésticos y de pequeñas empresas no tienen que hacer ninguna disposición especial. Los grandes usuarios industriales de equipos especializados deben asegurarse de que su emisión de armónicos no sea excesiva. Más comúnmente, las reglas se aplican cuando se propone una nueva instalación que requiere un nuevo suministro de energía de la empresa de servicios públicos, como condición para proporcionar ese suministro.

Las reglas varían entre países, pero los principios son los mismos. Las etapas clave se muestran aquí:

• En última instancia, la empresa de energía tiene que asegurarse de que el voltaje armónico en su suministro alcance el nivel aceptable. Por ejemplo, en la UE, la calidad de la energía se rige por la norma EN 50160. Generalmente asigna un "presupuesto" de voltaje armónico a cada usuario. Como se explicó anteriormente, el voltaje armónico es causado por la corriente armónica que interactúa con la impedancia de suministro y los armónicos existentes, que son únicos para cada ubicación. Requiere algunos cálculos complejos y las mediciones lo predicen, lo que no es justificable para las instalaciones industriales típicas.
• Por lo tanto, generalmente la empresa de servicios públicos tiene algunas reglas simplificadas que permiten aceptar la corriente armónica hasta un límite, que puede depender de la capacidad de la conexión de suministro, o de la demanda de corriente máxima o promedio del usuario. Es mucho más simple estimar la corriente que el voltaje, agregando los datos de corriente armónica para todos los equipos relevantes conectados a un punto de suministro en particular. Por esta razón, los equipos profesionales, como los variadores que generan una corriente armónica significativa, necesitan tener los datos de corriente armónica disponibles para el usuario. Control Techniques proporciona estos datos para todos sus productos de accionamiento en las hojas de datos de EMC que están disponibles gratuitamente previa solicitud.
• Para una instalación determinada, si la corriente supera los límites permitidos, se deben tomar medidas técnicas para reducirla o se debe realizar una investigación más compleja para evaluar la tensión armónica causada por la instalación.
• Mientras tanto, si todo el equipo cumple con los estándares armonizados en un mercado único como la UE, no es necesario realizar ninguno de los trabajos descritos anteriormente.

Estándares

Para las instalaciones, muchas empresas de servicios públicos aplican sus propias normas, por lo que existen muchos estándares nacionales. Un estándar particularmente conocido es IEEE 519.

Los estándares de calidad de energía incluyen IEC 61000-2-4, que define "niveles de compatibilidad", que son los niveles máximos de armónicos permitidos, en este caso para suministros industriales de BT. Las normas IEC no son obligatorias, pero las empresas de servicios públicos suelen utilizar los límites establecidos en las normas IEC como punto de partida para sus propias reglamentaciones.

Para productos finales, existen normas IEC IEC 61000-3-2, para equipos clasificados hasta 16 A por fase, e IEC 61000-3-12, para hasta 75 A por fase. Las versiones europeas, como EN 61000-3-12, son obligatorias para los productos finales comercializados en el EEE.

Si un variador está integrado en un equipo que se encuentra dentro del alcance de uno de estos estándares, es muy probable que sea un factor importante en la emisión de armónicos. Para los convertidores de Control Techniques, es necesario utilizar pequeñas inductancias de entrada adicionales para cumplir la norma EN 61000-3-12. La información se proporciona en las hojas de datos de EMC.

Efecto de carga

Un problema común que se encuentra al verificar el cumplimiento de los armónicos de la maquinaria que contiene variadores es la cuestión de la potencia de carga nominal correcta. Hemos recibido quejas de productos que fallaron en la prueba donde resultó que la carga de prueba era menor que la carga nominal. Esto puede deberse a que la aplicación no usa toda la capacidad del variador o porque no fue posible cargar la máquina por completo en el laboratorio de pruebas de EMC. A menudo es difícil crear una carga realista en un laboratorio de pruebas porque las máquinas a menudo están diseñadas para trabajar con materiales grandes, sucios o difíciles que no se pueden llevar al laboratorio. Para garantizar que se cumpla con el estándar requerido, se deben observar los siguientes requisitos:

1. Se deben seleccionar los estranguladores de entrada adicionales para que sean correctos a la potencia de carga continua máxima prevista para la aplicación, que no es necesariamente la clasificación del variador.
2. Se debe tener en cuenta cualquier otro equipo generador de armónicos en la máquina.
3. La carga durante la prueba debe ser igual a la carga nominal. Si es necesario, se debe proporcionar algún tipo de freno temporal u otro dispositivo de carga en la plantilla de prueba.

Reducción de armónicos

El nivel natural de armónicos generados por un rectificador simple puede reducirse mucho mediante la adición de inductancia. Puede estar en el enlace de CC del variador o en las líneas de entrada de CA. La mayoría de los variadores con capacidad superior a 2,2 kW utilizan un suministro trifásico y contienen estranguladores para proporcionar la inductancia. La Figura 8 muestra una forma de onda de corriente típica para este tipo de variador. Puede ver que la forma de onda es mucho mejor que en la Figura 1, aunque está lejos de ser sinusoidal. En este caso, el ITHD es de alrededor del 50 % y el peor armónico es el quinto con alrededor del 40 %.

Figura 8:forma de onda de corriente de entrada típica para un variador con suministro trifásico y bobinas de entrada.

Este nivel de armónicos es adecuado para la mayoría de las aplicaciones en un rango de potencias desde 3 kW hasta varios cientos de kilovatios. Para aplicaciones sensibles, y donde la potencia total del variador comienza a acercarse a la capacidad del suministro, puede ser necesario realizar reducciones adicionales en los armónicos. La siguiente tabla muestra las principales técnicas disponibles con algunas notas sobre sus ventajas relativas.

Estranguladores oscilantes

Algunos fabricantes de unidades han promovido el uso de un “estrangulador oscilante”. El estrangulador oscilante es un invento de la década de 1920, donde se usó en algunos aparatos de radio para suavizar CC. El estrangulador está diseñado con un entrehierro escalonado o perfilado de modo que a medida que aumenta la corriente continua, parte del circuito magnético se satura y la inductancia se reduce. El resultado es que a corrientes bajas la inductancia aumenta, y esto ayuda a contrarrestar el problema descrito anteriormente, de cumplir con los límites armónicos en un rango de potencias de carga. Esto se debe a que el valor de la inductancia se adapta a la carga.

El estrangulador oscilante puede beneficiar al fabricante de la unidad, ya que puede permitir que se reduzca el stock de diferentes valores de estrangulador para una variedad de clasificaciones de la unidad. Puede beneficiar al usuario al permitir que el variador cumpla con un estándar de armónicos con una carga reducida sin que se requiera un estrangulador adicional. En la práctica, es bastante difícil diseñar un estrangulador oscilante que funcione en un amplio rango de carga, por lo que los beneficios reales son pequeños.