Gestión avanzada de armónicos: Parte 2 – Estrategias y mediciones efectivas

En la segunda parte de esta mini-serie, Colin Hargis examina la gestión efectiva de armónicos. La parte uno está disponible aquí.

Medidas de armónicos

Las corrientes o tensiones armónicas individuales pueden medirse y citarse en valores eficaces. A menudo se expresan como porcentaje de la fundamental. Es muy común que los instrumentos de medida de armónicos den los armónicos como porcentaje, por defecto.

Hay que tener cuidado al evaluar datos armónicos, especialmente datos de corriente. Si la corriente fundamental es baja, porque la potencia de carga es baja, entonces los armónicos expresados como porcentaje aparecerán altos. Esto puede ser engañoso. Los datos proporcionados para el variador serán a una potencia de carga definida. A carga reducida, las corrientes armónicas 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 armónicos mayores como el 5º y 11º aumentan al aumentar la potencia. La Figura 7(b) muestra cómo los armónicos mayores y el THD, cuando se expresan como porcentaje de la fundamental, caen al aumentar la potencia de carga.

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

En un variador esto puede ser particularmente engañoso si el usuario no aprecia que la corriente de entrada es función de la potencia, es decir, el producto de par y velocidad en el eje. Si un variador entrega par nominal a velocidad reducida, puede parecer que "trabaja duro" porque la corriente de salida está cerca de su nominal máximo, y la etapa inversora lleva esa corriente y produce la pérdida de potencia esperada como calor. Sin embargo, la potencia real de transferencia es baja, y por tanto la corriente de entrada también será baja.

THD, VTHD, ITHD, Factor de Distorsión y Factor de Potencia

Un parámetro simple para medir el efecto global de armónicos es la Distorsión Armónica Total (THD). Es la relación (en %) entre el valor eficaz de todos los armónicos juntos, y la fundamental. Para tensión y corriente puede referirse como VTHD e ITHD respectivamente.

De nuevo, hay que tener cuidado con ITHD, porque a carga reducida aparecerá alto.

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

Cuando corriente y tensión son senoidal, esto es igual a cos φ.

En presencia de corriente armónica, y asumiendo que la tensión permanece senoidal, el factor de potencia puede descomponerse en dos factores:

Factor de potencia = Factor de distorsión × Factor de desplazamiento

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

Factor de distorsión = 1 / √(1 + THD²) (THD como fracción, no porcentaje)

Y el factor de desplazamiento mide la reducción causada por el desfase:

Factor de desplazamiento = cos φ

El significado de estos factores puede ilustrarse considerando un motor operando ya sea directo de la red, o con un variador:

• Solo motor: Factor de potencia ≈ 0,85 (factor de desplazamiento ≈ 0,85, factor de distorsión ≈ 1)
• Motor + variador: Factor de potencia ≈ 0,85 (factor de desplazamiento ≈ 1, factor de distorsión ≈ 0,85)

Así que el motor tiene un factor de potencia muy similar en ambos casos, lo que significa que la corriente de carga completa extraída de la red es muy similar. Sin embargo, con el motor solo, la corriente aumentada es enteramente porque la corriente va rezagada a la tensión en fase, mientras que con motor y variador esto es principalmente porque hay corriente armónica.

Factor de distorsión y THD son medidas alternativas del nivel de distorsión, o armónicos totales. Están relacionadas por la función:

Factor de distorsión = 1 / √(1 + THD²)

Gestión de armónicos. Datos de corriente armónica para productos.

Las compañías eléctricas operan reglas para proteger el sistema de potencia y usuarios de armónicos excesivos. Cada usuario de potencia es responsable de asegurar que cumple las reglas. En algunas regiones como la Unión Europea, la emisión de armónicos de productos eléctricos usados en grandes cantidades está regulada como parte de la ley CEM. Esto significa que usuarios domésticos y pequeñas empresas no tienen que hacer provisiones especiales. Los grandes usuarios industriales de equipos especialistas tienen que asegurar por sí mismos que su emisión armónica no es excesiva. Lo más común es que las reglas se apliquen cuando se propone una nueva instalación que requiere un nuevo suministro de la compañía eléctrica, como condición para proporcionar ese suministro.

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

• La compañía eléctrica tiene que asegurar que la tensión armónica en su suministro cumple el nivel aceptable. Por ejemplo, en la UE la calidad de energía se rige por la norma EN 50160. Generalmente asigna un "presupuesto" de tensión armónica a cada usuario. Como se explicó antes, la tensión armónica es causada por la corriente armónica interactuando con la impedancia de suministro y los armónicos existentes, que son únicos para cada ubicación. Requiere cálculos y mediciones complejas predecirlo, lo que no es justificable para instalaciones industriales típicas.
• Por tanto, generalmente la compañía tiene reglas simplificadas que permiten aceptar corriente armónica hasta un límite, que puede depender de la capacidad de la conexión de suministro, o la demanda de corriente pico o media del usuario. Es mucho más simple estimar corriente que tensión, sumando los datos de corriente armónica de todos los equipos relevantes conectados a un punto de suministro particular. Por esta razón, equipos profesionales como variadores que generan corriente armónica significativa necesitan tener los datos de corriente armónica disponibles para el usuario. Control Techniques proporciona estos datos para todos sus productos de variadores en las hojas de datos CEM disponibles gratuitamente bajo petición.
• Para una instalación dada, si la corriente supera los límites permitidos, se deben tomar medidas técnicas para reducirla, o debe emprenderse una investigación más compleja para evaluar la tensión armónica causada por la instalación.
• Mientras tanto, si todos los equipos cumplen normas armonizadas en un mercado único como la UE, ninguno del trabajo descrito arriba es necesario.

Normas

Para instalaciones, muchas compañías operan sus propias regulaciones, así que hay muchas normas nacionales. Una particularmente conocida es IEEE 519.

Las normas de calidad de energía incluyen IEC 61000-2-4, que define "niveles de compatibilidad" que son niveles máximos permitidos de armónicos, en este caso para suministros BT industriales. Las normas IEC no son obligatorias, pero las compañías a menudo usan los límites dados en las normas IEC como punto de partida para sus propias regulaciones.

Para productos finales, hay normas IEC IEC 61000-3-2, para equipos 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 de hecho obligatorias para productos finales comercializados en el EEE.

Si un variador se integra en un equipo que cae dentro del ámbito de una de estas normas, es bastante probable que sea un contribuyente mayor a la emisión armónica. Para variadores de Control Techniques es necesario usar chokes de entrada adicionales pequeños para cumplir EN 61000-3-12. La información se da en las hojas de datos CEM.

Efecto de la carga

Un problema común al verificar cumplimiento de armónicos de maquinaria que contiene variadores es la potencia de carga nominal correcta. Hemos tenido quejas de productos fallando el test donde resultó que la carga de test era menor que la carga nominal. Esto puede ser porque la aplicación no usa la capacidad total del variador, o porque no fue posible cargar la máquina fully en el laboratorio de test CEM. A menudo es difícil crear una carga realista en un lab de test porque las máquinas a menudo están pensadas para trabajar en materiales grandes, sucios o difíciles que no pueden traerse al lab. Para asegurar que se cumple la norma requerida, hay que observar:

1. Los chokes de entrada adicionales deben seleccionarse para ser correctos en la potencia de carga continua máxima prevista para la aplicación, que no es necesariamente la nominal del variador.
2. Debe tenerse en cuenta cualquier otro equipo generador de armónicos en la máquina.
3. La carga durante el test debe ser igual a la carga nominal. Si es necesario, debe proveerse algún tipo de freno temporal u otro dispositivo de carga en el banco de test.

Reducción de armónicos

El nivel natural de armónicos generado por un rectificador simple puede reducirse mucho con la adición de inductancia. Esto puede ser en el bus CC del variador o en las líneas de entrada CA. La mayoría de variadores con potencia above ~2,2 kW usan alimentación trifásica y contienen chokes para proporcionar la inductancia. La Figura 8 muestra una forma de onda de corriente de entrada típica para este tipo de variador. Se ve que la forma de onda es mucho mejor que en la Figura 1, aunque está lejos de ser senoidal. En este caso, el ITHD es de unos 50% y el peor armónico es el 5º con unos 40%.

Figura 8: Forma de onda típica de corriente de entrada para variador con alimentación trifásica y chokes de entrada

Este nivel de armónicos es adecuado para la mayoría de aplicaciones en un rango de potencias de 3 kW a 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 hacer reducciones adicionales de armónicos. La tabla siguiente da las principales técnicas disponibles con notas sobre sus ventajas relativas.

Chokes oscilantes (Swinging chokes)

El uso de un "choke oscilante" ha sido promovido por algunos fabricantes de variadores. El choke oscilante es un invento de los años 1920, donde se usaba en algunos receptores de radio para suavizado CC. El choke está diseñado con un entrehierro escalonado o perfilado de forma que, a medida que la corriente CC aumenta, parte del circuito magnético se satura y la inductancia reduce. El resultado es que a bajas corrientes la inductancia aumenta, y esto ayuda a contrarrestar el problema descrito arriba, de cumplir límites armónicos en un rango de potencias de carga. Esto es porque el valor de inductancia se adapta a la carga.

El choke oscilante puede beneficiar al fabricante del variador, porque puede permitir reducir el stock de diferentes valores de choke para una variedad de nominales de variador. Puede beneficiar al usuario permitiendo que el variador cumpla una norma armónica a carga reducida sin un choke adicional. En la práctica, es bastante difícil diseñar un choke oscilante que funcione en un rango amplio de carga, así que los beneficios reales son pequeños.