Armónicos

Entendimiento, mediciones e interpretación de los resultados

Hay un técnico que recientemente documentó los códigos de errores que se reciben cuando el circuito de un enfriador se dispara. Con una inspección cercana al refrigerador se descubrió que los errores indicados no coincidían con lo que estaba pasando con la unidad. Los diagnósticos indicaban que el refrigerador había sufrido una "inversión de la fase" y, más tarde, una "sobrecarga en el motor del compresor". También se había recibido un aviso de "error del variador de la velocidad de la bomba del condensador".

Es altamente improbable que se hubiese producido una inversión de la fase; esto es generalmente un problema de instalación. Las investigaciones revelaron que tanto el compresor como el variador de velocidad de la bomba del condensador parecían funcionar con normalidad. Aunque el problema que causa estos desplazamientos molestos podría ser un componente en el propio panel de control, otro candidato, el cual se suele ignorar a menudo, eran los armónicos.

Las corrientes de armónicos y el sistema de distribución eléctrica

Las corrientes de armónicos fluyen en un circuito como múltiplos de la frecuencia fundamental de 60 hertzios (Hz). Por ejemplo, la corriente que fluye en un circuito a 180 Hz es el tercer armónico (60 Hz multiplicado por 3). Dichas corrientes no se indican directamente en los multímetros, y no se encuentran normalmente hasta que comienzan a surgir problemas inusuales con los controles y el equipo. Si compara las lecturas de la corriente desde un medidor de respuesta promedio con las de un medidor True RMS de buena calidad en el mismo circuito, esto le ayudará a solucionar problemas de armónicos. El medidor de respuesta promedio indicará solo la corriente de 60 hertzios, y el medidor True RMS le indicará una combinación de 60 hertzios y de corrientes de armónicos. La producción y la reflexión de estas corrientes de armónicos en el sistema de distribución eléctrica puede causar problemas.

A continuación se muestran algunos ejemplos de los problemas que causan los armónicos:

  • Operación incorrecta de los circuitos de control
  • Mal apagado de enfriadores y unidades de tratamiento de aire controlados electrónicamente
  • Sobrecalentamiento de las bobinas de solenoide, que necesitan ser sustituidas
  • Sobrecalentamiento de transformadores de 480 voltios que suministran los sistemas de climatización a 208Y/120 voltios
  • Sobrecalentamiento del ventilador y los motores de la bomba del agua refrigerada
  • Con un entendimiento de los aspectos básicos, los técnicos e ingenieros profesionales de hoy pueden aislar problemas con armónicos en su origen y mitigar sus efectos, ya sea sustituyendo el elemento dañado o instalando filtros para armónicos.

    Los circuitos electrónicos modernos deben convertir la corriente alterna suministrada a 60 Hz (CA) en corriente continua (CC), ya que los dispositivos electrónicos funcionan con tensión y corriente de CC. La forma de onda de la corriente atraída por estas cargas electrónicas revela que la forma de onda de la corriente no corresponde a la forma de onda de la tensión aplicada. De modo que a dichas cargas electrónicas se las refiere como cargas "no lineales". Estas cargas no lineales producen las corrientes de armónicos reflejadas en el sistema. Las corrientes de armónicos aparecen en un espectro amplio, pero generalmente disminuyen a medida que las frecuencias son más y más altas. Consulte la figura 1.

    Aunque las diferentes frecuencias de los armónicos producen su propio efecto único en un circuito, al combinarse, distorsionan la onda sinusoidal original de 60 Hz. Una potencia distorsionada en la entrada de equipos electrónicos puede causar las activaciones y alarmas erróneos que a veces se producen en los circuitos de control. Algunas corrientes de armónicos producen calor excesivo. Otros armónicos de hecho producen una torsión inversa en motores, de modo que reducen su eficacia y los sobrecalientan.

    Solución de problemas

    La solución de problemas en cualquier circuito se traduce en identificar adecuadamente la causa raíz del problema y aislar el origen. Si las comprobaciones rutinarias de solución de problemas en un circuito eléctrico con cargas no lineales no revela el problema, considere la opción de buscar armónicos.

    Para hacer una prueba inicial sobre la presencia de armónicos, mida con una pinza amperimétrica que sea capaz de indicarle la distorsión armónica total (THD). La THD proporciona una cifra que indica el total de los armónicos presentes. La THD de la tensión no debe exceder el 5 % y puede leerse fácilmente desde una pinza amperimétrica. La THD de la corriente será considerablemente más alta. Una THD excesiva de la tensión se traduce en que cualquiera de los problemas mencionados anteriormente puede producirse y que deben tomarse medidas correctivas. Para obtener información más detallada, utilice un analizador de calidad de la energía para investigar mejor la magnitud y los efectos de los armónicos individuales.

    Carga no lineal
    Figura 1. Carga no lineal. Observar un conjunto de ondas sinusoidales monofásica de tensión y de corriente causadas por un variador de frecuencia (VFD) muestra fácilmente que la forma de onda de la corriente (más baja) no se alinea de ninguna manera con la forma de onda de tensión aplicada. Dichas cargas no lineales producen corrientes de armónicos que fluyen al sistema de la distribución.
    Armónicos
    Figura 2. Armónicos. En esta captura de un analizador de calidad eléctrica, las frecuencias de armónicos aparecen en el eje de armónicos. El porcentaje al que se encuentra la frecuencia específica de los armónicos es un componente de la frecuencia fundamental de 60 Hz que aparece en el eje vertical. El cursor se encuentra sobre la frecuencia del tercer armónico, y la corriente de este tercer armónico parece representar aproximadamente 25 % de la frecuencia de 60 Hz.

    El analizador de calidad eléctrica mide el nivel de cada frecuencia de los armónicos, así como muchos otros problemas relacionados con la calidad eléctrica. Existen analizadores de la calidad eléctrica disponibles para circuitos monofásicos y trifásicos. Estos se colocan generalmente en el circuito durante un periodo concreto que permita registrar perturbaciones en la alimentación de la línea. Los datos pueden descargarse más tarde a una PC, para proceder con su análisis.

    Asimismo, para medir los armónicos, los analizadores de calidad de la energía también registran otras perturbaciones que puedan causar un mal funcionamiento de los circuitos de control. Por ejemplo, las "subidas" son incrementos en la tensión por encima de los valores clasificados y pueden dañar el equipo. Las "bajadas" son disminuciones en la tensión aplicada y causarán apagones inesperados y falsas alarmas en variadores de frecuencia (VFD) y circuitos de controlador lógico programable (PLC).

    Los niveles de THD y de armónicos deben medirse en el punto de acoplamiento común (PCC). Al realizar la solución de problemas, el PCC es el punto en el que las cargas no lineales que se sospecha causan el problema se conectan con el resto del sistema de distribución. Por ejemplo, una comprobación rápida en el cubículo del centro de control del motor (MCC) que suministra un VFD indicará si este VFD está creando un posible problema de armónicos. Busque THD de tensión cercana a 5 %, y compruebe la presencia y los niveles de diferentes frecuencias de armónicos. Consulte la figura 2. La salida de armónicos del VFD variará a medida que varíe la salida del VFD. Es posible que sea necesario configurar el analizador de calidad eléctrica para registrar valores durante un periodo, porque los requisitos del sistema de ventilación varían.

    ¿Qué debe hacer cuando se encuentre con demasiados armónicos?

    Si se encuentra con demasiados armónicos, observe cada caso individualmente y entonces tome decisiones. Puede comprar filtros para armónicos y colocarlos lo más cerca posible del equipo que está generando las corrientes de armónicos. Lo mejor es consultar al fabricante del equipo o a un consultor de ingeniería externo, a fin de encontrar el mejor filtro de armónicos para el problema. No existe una "talla única" cuando se trata de este tipo de filtros. Debe considerarse el tamaño de la carga y los armónicos particulares que se están generando.

    Controles de la ventilación
    Figura 3. Los controles de ventilación, como los dispositivos electrónicos y el PLC del lado izquierdo de este gabinete, pueden verse afectados por los armónicos, lo que daría como resultado un funcionamiento inadecuado del equipo que controlan.

    Otra alternativa es aislar el equipo con el problema usando un transformador de aislamiento. Reubicar la carga no lineal que causa el problema o el circuito afectado en otro panel de distribución, puede ser útil. Por ejemplo, si los controles afectados se suministran desde el mismo tablero que la carga no lineal que causa el problema, mover el circuito de control a otro tablero puede ayudar a aligerar el problema. Los problemas de armónicos tienden a disminuir a medida que nos vamos alejando de la carga no lineal.

    Resumen

    Los equipos eléctricos de climatización de hoy en día son una combinación de VFD trifásicos que suministran energía a motores de ventiladores, compresores, bombas de agua y ventiladores de torres de refrigeración. Los circuitos de control contienen PLC y circuitos electrónicos patentados que mantienen temperaturas, tasas de flujo y presiones. Consulte la figura 3. Aunque los VFD son ejemplos de cargas no lineales que causan muchos problemas de armónicos, otras fuentes de armónicos pueden ir desde fotocopiadoras en zonas de oficinas hasta una planta de los alrededores en la misma línea de suministro de los servicios públicos eléctricos.

    Los efectos de los armónicos en equipos de climatización pueden ocasionar paradas no deseadas de los controles o de los motores principales, o fallas en los transformadores. Las comprobaciones iniciales usando dos pinzas amperimétricas permiten identificar fácilmente posibles problemas de armónicos. No obstante, el analizador de calidad eléctrica es la clave para medir, aislar y corregir los problemas de armónicos. El equipo de calefacción, ventilación y aire acondicionado moderno exige que los ingenieros y técnicos entiendan la causa y el efecto de los armónicos, y cómo medir e interpretar los valores de los armónicos si deben solucionarse problemas relacionados.