Armónicos

03-02-2012 | Climatización

Desde disparos del control de poca gravedad a fallos en el compresor y el transformador, los armónicos pueden tener efectos sobre todo tipo de equipos de climatización.

Hay un técnico que recientemente ha documentado los códigos de errores que se reciben cuando el circuito de un refrigerador se dispara. Con una inspección más de cerca 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 accionador de la velocidad variable de la bomba del condensador”.

Es muy 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 accionador de la bomba del condensador parecían estar funcionando con normalidad. Aunque el problema que causa estos desplazamientos molestos podría ser un componente en el propio panel de control, otro candidato, que 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 hercios (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 multímetros y no se encuentran normalmente hasta que empiezan a aparecer 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 localizar problemas con los armónicos. El medidor de respuesta promedio indicará solo la corriente a 60 hercios y el medidor de verdadero valor eficaz le indicará una combinación de 60 hercios 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 problemas que causan los armónicos:

  • Funcionamiento incorrecto de los circuitos de control
  • Apagado incorrecto de refrigeradores y unidades de tratamiento de aire controlados electrónicamente
  • Sobrecalentamiento de las bobinas de solenoide, que necesitarán sustitución
  • 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 conceptos básicos, los técnicos profesionales e ingenieros de hoy en día pueden aislar problemas con armónicos en su origen y mitigar sus efectos, ya sea sustituyendo el elemento dañado o instalando filtros para armónicos.

Carga no lineal
Figura 1. Carga no lineal. Observar un conjunto de ondas senoidales 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 conforma en ninguna manera con la forma de onda de tensión aplicada. Dichas cargas no lineales producen corrientes de armónicos que fluyen por el sistema de la distribución.
Armónicos
Figura 2. Armónicos. En esta captura de un analizador de la calidad de la electricidad, las frecuencias de armónicos aparecen en el eje del armónico. 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 ha colocado sobre la frecuencia del tercer armónico y la corriente de este tercer armónico parece representar aproximadamente el 25 % de la frecuencia de 60 Hz.

Los circuitos electrónicos modernos deben convertir la corriente alternativa suministrada a 60 Hz (CA) en corriente continua (CC), ya que los dispositivos electrónicos funcionan usando tensión y corriente continua. 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 este modo, 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 todo el amplio espectro, pero generalmente disminuyen a medida que las frecuencias son más y más altas. Vea la figura 1.

Aunque las diferentes frecuencias de los armónicos producen su propio efecto único en un circuito, al combinarse distorsionan la onda senoidal original de 60 Hz. Una potencia distorsionada en la entrada de equipos electrónicos puede causar problemas de disparos de los dispositivos y alarmas que a veces se producen en los circuitos de control. Algunas corrientes de armónicos producen exceso de calor. Otros armónicos de hecho producen una inversión en los motores, lo que reduce su eficacia y los sobrecalientan.

Solución de problemas

La solución de problemas en cualquier circuito consiste 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 observar los armónicos.

Para hacer una prueba inicial sobre la presencia de los 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 notablemente más alta. Una THD excesiva de la tensión significa que puede producirse cualquiera de los problemas mencionados anteriormente 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.

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

Asimismo, para medir los armónicos, los analizadores de calidad de la energía también registran otras perturbaciones que puedan causar un fallo de funcionamiento de los circuitos de control. Por ejemplo, las "fluctuaciones" 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 del controlador lógico programable (PLC).

Los niveles de THD y de armónicos deben medirse en el punto de acoplamiento común (PCC). A la hora de proceder con el proceso de solución de problemas, el PCC es el punto en el que las cargas no lineales que se sospechan que 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. Compruebe la THD para ver si la tensión se acerca al 5 % y compruebe la presencia y los niveles de frecuencias diferentes de armónicos. Consulte la figura 2. La salida de los armónicos del VFD variará a medida que la salida del VFD varíe. Es posible que sea necesario configurar el analizador de la calidad eléctrica para registrar valores durante un periodo de tiempo, 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, a continuación, tome las decisiones pertinentes. Puede comprar filtros para armónicos y colocarlos lo más cerca que sea posible al equipo que está generando las corrientes de armónicos. Lo mejor, no obstante, para encontrar el mejor filtro para armónicos que sea el adecuado para este problema, es consultar al fabricante del equipo o a un asesor ingeniero externo. No existe un "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 la ventilación, tales como dispositivos electrónicos y el PLC en el lado izquierdo de este armario, pueden verse afectados por los armónicos de tal manera que generen un funcionamiento inadecuado del equipo controlado.

Otra alternativa es aislar el equipo que presenta el problema con un transformador de aislamiento. Recolocar bien la carga no lineal que causa el problema o el circuito afectado en otro panel de distribución puede ayudar. Por ejemplo, si los controles afectados se suministran desde el mismo tablero que la carga no lineal que causa el problema, moviendo el circuito de control a otro tablero puede ayudar a aliviar 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 a una planta de los alrededores en la misma línea de suministro de los servicios públicos eléctricos.

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