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Volumen 1, Artículo 1Distorsión Armónica - Tensión frente a Corriente

En este articulo se describen las diferenciasentre las distorsiones de corriente y las de tensión y seofrecen indicaciones para predecir los niveles dedistorsión de tensión en instalaciones típicas.

El Problema

Diana Morando, técnico de GrupoSchneider en Albuquerque(U.S.A.), nosllamó el otro día con un dilema importantesobre armónicos. Estaba preparando unaoferta sobre un paquete que incluíaaproximadamente 20 variadores develocidad, cuando se sorprendió al leer unapartado de los requisitos en el que elcliente le pedía:

“ La tasa de distorsión de armónicosdel equipo ofertado no debe superar un 5%;si es necesario debe incorporarse un filtropara limitar la distorsión por debajo de estatasa.” Diana estaba preocupada por esterequisito porquesabía que el nivelde distorsión dearmónicos detensión es difícil depredecir en baseúnicamente a lacarga.

Descubrió quealgunos técnicosteníanconocimientossuficientes sobrearmónicos parasaber que estosdebían estarlimitados, pero nosabían comohacerlo. El técnicoque escribió lasespecificacionestambién sabía quelos niveles dedistorsión dearmónicos de tensión inferiores al 5%

generalmente no causan problemas eninstalaciones de baja tensión. Hasta aquíalcanzaban sus conocimientos.

Diana concluyo que no podía predecirel impacto de sus variadores de velocidad enla distorsión de la tensión de la planta, sininformación adicional. Además sabía que elmismo grupo de variadores podía producirdiferentes niveles de armónicos de tensiónen dos situaciones distintas. Paraasegurarse, Diana incluyó compensadoresde reactiva en cada variador. Esto aumentósu oferta en una cantidad que ella consideróinaceptable. Supuso que otros vendedorespodían ofrecer variadores que nonecesitaran equipos adicionales tales comocompensadores y filtros, para lograr el 5%de distorsión límite. ¿Por tanto, qué equipoadicional debería ofertar Diana?

Términos y conceptos clave

Figura 1. Cargas lineales producen formas de onda sin distorsionar cuando sonalimentadas por fuentes de tensión sin distorsión.

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Distorsiones de Tensión frentea Distorsiones de Corriente

Las cargas no electrónicas producencorrientes no distorsionadas cuando sonalimentadas porfuentes sindistorsiones. Lascargaselectrónicas, comovariadores develocidad,producendistorsiones deintensidad cuandoson alimentadaspor una fuente sindistorsión. Ladistorsión de latensión tiene lugarcuando laintensidaddistorsionada pasapor la impedanciade la fuente. Ladistorsión detensión será mayor

cuanto mayor sea esta impedancia.En la figura 3, observamos como el

transformador de 10 KVA representa una

impedancia mayor que el de 100 KVA parael variador de velocidad. La misma cantidadde distorsión de intensidad provoca mayordistorsión de tensión en el de 10 KVA que

en el de 100 KVA. En eldiagrama, la distorsión detensión resultante en elprimero es del 10%. Estenivel de distorsión puedecausar problemas defuncionamiento ysobrecalentamiento, asícomo reducir la vida útil delequipo alimentado por eltransformador.

En la figura 3 se indicael nivel de distorsiónarmónica para mostrar ladiferencia de la impedanciade los dos sistemas. ¿Pero,que nivel de distorsiónhabía antes de la instalacióndel equipo? ¿ Será estenivel excesivo? El THD detensión e intensidad puede

Figura 2. Cargas no lineales producen corrientes distorsionadas cuando son alimentadaspor fuentes sin distorsión.

Figura 3. Cargas no lineales idénticas pueden producir niveles de distorsióndiferentes dependiendo de la impedancia de la fuente.

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preverse mediante una modelizacióncomputerizada de la impedancia de la fuentey del variador de velocidad.

Niveles Típicos de Armónicos.

Los variadores de velocidad (en elrango de 5 a 100 HP) son generalmentevariadores modulados por ancho de pulso(PWM). Estas cargas trifásicas pueden tenerniveles de distorsión superiores al 100%como se muestra en la figura. Los variadoresde corriente continua de esta categoría,producen menos armónicos de intensidad;generalmente cerca de un 30%. Las fuentesde alimentación que alimentan ordenadores,fax y otros equipos electrónicos, sondispositivos monofásicos que inyectanintensidades con un 80 % THD.

La Solución

Método Empírico deDeterminación de la Distorsión porArmónicos de Tensión

Como se indicó, los niveles dedistorsión de tensión no puedendeterminarse únicamente apartir de la distorsión deintensidad de la carga. Peroexisten indicaciones que,con una pequeñainformación acerca delsistema eléctrico al queserán aplicadas las cargasarmónicas, nos puedenayudar a determinar si ladistorsión de la tensión seráexcesiva.

Precaución: Si loscondensadores decorrección del factor depotencia están en servicio,las siguientes indicacionesno podrán aplicarse!

Industrial -Muchas plantas industrialesutilizan variadores trifásicosde seis pulsos de corriente alterna o

continua. Estos variadores producenarmónicos de corriente de quinto y séptimoorden. Si los variadores trifásicos decorriente continua representan menos de un30% de la capacidad del transformadoraproximadamente, y no existen otras cargaselectrónicas significativas o rectificadores defactor de potencia, la distorsión de tensiónserá probablemente inferior a un 5%. Paravariadores de modulación de ancho de pulsode alterna, aproximadamente el 20% de lacapacidad del transformador pueden servariadores de velocidad, sin exceder el 5%.

Se puede obtener un criterio muyparecido considerando la potencia (HP) delvariador aproximadamente igual al requisitode KVA del variador. Como lostransformadores están calibrados en KVA, lapotencia total del variador (KVA) debe serinferior al 20% (c.a.) o 30% (c.c.) de lacapacidad del transformador. Por ejemplo,veinte variadores de 50-hp (1000 kVA) en untransformador de 2000 kVA excede el 30%indicado. Estos 20 variadores no deben serinstalados sin un estudio armónico o unasimulación.

Comercial - La mayoría de cargaselectrónicas de los edificios de oficinas son

monofasicas. Lascargas típicas sonordenadores,reactancias y otrasmaquinaselectrónicas. Estosdispositivosmonofásicosgeneralmente sonalimentados a 220V, por untransformadorreductor de tensiónde 880 V en elprimario. Ladistorsión de latensión en lainstalación de 880V no esta afectadageneralmente porlas cargas de 220V, pero esta

Figura 4. Variadores de velocidad modulados porancho de pulso, producen una forma de onda decorriente con un doble diente característico que esrico en armónicos.

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indicación tiene sus excepciones. Losedificios de oficinas con un alto porcentajede cargas monofásicas emparejadas avariadores de tensión de velocidad de 480 V(generalmente variadores de ancho de pulsomodulado que controlan refrigeradores,ventiladores y bombas) puedenexperimentar problemas con la distorsión detensión. La distorsión de la tensión debe sermenor al 5% si las cargas no lineales soninferiores al 20% de la capacidad deltransformador.

Aplicación Anterior

La oferta que Diana estabapreparando incluía 16 variadores PWM paraun transformador de 750 KVA, y dos en otro.La potencia total era 390 HP en el primercaso y 100 HP en el segundo. Utilizando laestimación de que un HP equivale a un KVA,el primer transformador de capacidad 750KVA proporcionaría 390 KVA a las cargas.Esta carga supera con creces la indicaciónde un 20%. Por tanto los 16 variadores nodeben ser instalados sin un sistema deanálisis de armónicos.

En el segundo caso, los variadoreselectrónicos representan solo un 13% de lacapacidad del transformador. Estainstalación no causará una distorsión detensión excesiva si los variadores son lasúnicas cargas generadoras de armónicosalimentadas por el transformador.

Conclusión

Vemos pues, que los requisitos delequipo para las especificaciones dedistorsión de tensión son engañosas. Elvalor de distorsión resultante de un grupo decargas electrónicas depende no solo de lascargas sino también de las característicasdel sistema eléctrico que las alimenta. Sincondensadores compensadores del factorde potencia, la cantidad de carga electrónicapuede ser como mucho un 20% (variadoresde alterna) o un 30% (variadores decontinua) de la capacidad del transformador

sin superar el 5% de distorsión en tensión.Con condensadores, la distorsión en tensiónpuede ser excesiva a niveles de armónicosde corriente muy inferiores debido a laresonancia.

Los Circuit Monitor POWERLOGICofrecen la ventaja de analizar los armónicosdel variador o del transformador paradetectar la distorsión antes de que seconvierta en un problema. Además estedispositivo puede incluirse en cualquierinstalación de variadores, para asegurar quelos niveles de armónicos del sistema depotencia son analizados y controlados.