¿Cuáles son las causas y efectos de los armónicos en un sistema eléctrico?
Los armónicos son voltajes o corrientes en un sistema eléctrico que pueden causar problemas en la calidad de la energía. Debido a que una máquina o equipo puede fallar ante la presencia de altos niveles de armónicos, esta distorsión es siempre una gran preocupación para los gerentes de planta e ingenieros. Si bien su aparición no significa que una instalación debe dejar de operar, el impacto depende de qué tanto pueda aguantar el sistema eléctrico y qué tan susceptible sean los equipos.
También se puede decir que los armónicos son voltajes o corrientes que están a una frecuencia que es múltiplo de la frecuencia fundamental. Esta varía por región: en Norteamérica es de 60 Hz; y en Europa, 50 Hz. Los armónicos pueden causar calentamiento en un sistema, lo que lleva a una pérdida de energía y desgaste del equipo eléctrico. También suelen interferir en los sistemas de control y en las telecomunicaciones, de ahí la importancia de reducir su impacto.
¿Qué causan los armónicos?
Los armónicos son creados por equipos electrónicos con cargas no lineales que arrastran la corriente en pulsos cortos y abruptos. Estos causan formas de onda distorsionadas en la corriente, los cuales a su vez generan corrientes armónicas que fluyen de vuelta a otras partes del sistema eléctrico.
Los armónicos prevalecen principalmente cuando hay muchas computadoras, impresoras, copiadoras, iluminación fluorescente y otros dispositivos conectados al mismo sistema.
Los armónicos degradan la calidad y eficiencia de la energía, particularmente en un edificio comercial o en una instalación industrial. En general, la mayoría de los edificios pueden soportar cargas no lineales de hasta 15 por ciento del total de la capacidad del sistema eléctrico sin problema alguno; pero si las cargas exceden este umbral, las consecuencias inicialmente no aparentes comenzarán a surgir.
Problemas comunes causados por los armónicos
Aquí los problemas más comunes causados por los armónicos:
Sobrecarga de los conductores neutrales
Un sistema trifásico consta de tres conductores de fase individuales y uno neutral. Si todos los conductores fase conducen la misma corriente, las corrientes de fase tienden a cancelarse las unas a las otras, si es que hay una carga balanceada. Esta última hace posible la reducción del tamaño del conductor neutral. Desafortunadamente, las fuentes de alimentación en modo conmutado usadas en las computadoras tienen una corriente de tercer armónico muy alta.
Si bien las corrientes armónicas son canceladas en el cable neutro, la corriente del tercer armónico resulta aditiva en el neutro. En edificios con un gran de número de computadoras conectadas, este puede conducir corrientes más altas que el cable diseñado para acomodarlas, generando un importante riesgo de incendio.
Sobrecalentamiento en transformadores e incremento de las pérdidas asociadas
Para los transformadores que se alimentan de cargas que producen armónicos, la pérdida de la corriente de Foucault en los devanados es el componente más dominante en la máquina. La pérdida de la corriente de Foucault se incrementa proporcionalmente al cuadrado del producto de la corriente armónica y su frecuencia correspondiente.
La pérdida total en un transformador a uno totalmente cargado que suministra a una carga no lineal es dos veces mayor que para una carga lineal equivalente. Esto causa calentamiento excesivo y la degradación de los materiales aislantes, lo que eventualmente conlleva a una falla en el transformador.
Disparos de los interruptores
Todos los circuitos que contienen capacitancia e inductancia tienen una o más frecuencias resonantes. Cuando una de estas corresponde a la frecuencia armónica producida por cargas no lineales, una resonancia armónica puede ocurrir. El voltaje y la corriente durante una frecuencia resonante pueden estar altamente distorsionados, lo que puede causar disparos en un sistema eléctrico y pérdidas en la producción.
Fallas en bancos de capacitores
Muchos sistemas eléctricos comerciales e industriales tienen capacitores instalados para compensar el efecto del factor de baja potencia. La mayoría de los capacitores están diseñados para operar a un máximo del 110 % de la tensión normal de su índice kVAR. En un sistema caracterizado por mucho voltaje o corrientes armónicas, estas limitaciones frecuentemente son excedidas, resultando en una falla. Debido a que la reactancia capacitiva es inversamente proporcional a la frecuencia, las corrientes armónicas sin filtrar llegarán a los bancos de capacitores, los cuales actúan como un pozo atrayendo las corrientes armónicas, creando así una sobrecarga.
Cómo diagnosticar y arreglar los armónicos
Un analizador de armónicos es el instrumento más efectivo para llevar a cabo análisis detallados de la calidad de la energía, los cuales pueden determinar las formas de las ondas del voltaje y la corriente en sus respectivos espectros de frecuencia. Este dispositivo también es útil en instancias en las que la falta de señales obvias previene que los armónicos se tomen con seriedad.
Un analizador de armónicos se emplea para proveer un análisis de la fuente sospechosa. Con estos datos, la relación armónica calcula un valor de 0 a 100 por ciento para indicar la desviación de una onda sinusoidal o no sinusoidal. Este indica la presencia de armónicos.
Fuentes: Grainger
Electrical Construction & Maintenance Magazine
JMK Engineering
