Compatibilidad electromagnética (EMC) y armónicos en la red

Compatibilidad electromagnética (EMC) y armónicos en la red

Problemática de los variadores de frecuencia instalados a la red eléctrica

La distribución de la energía eléctrica se realiza en corriente alterna. Las tensiones son ondas senoidales trifásicas, es decir, sin presencia de armónicos ni de perturbaciones de RFI. Es muy importante, antes de avanzar en el tema, que se sepa distinguir lo que es un problema en la red, de armónicos (múltiplos de frecuencia de la onda fundamental de 50 Hz, y uno de baja frecuencia, normalmente de cierta importancia hasta el orden nº 13, o bien el equivalente en frecuencia a 650 Hz); o un problema que hace referencia al ruido eléctrico en forma de RFI (interferencias de radiofrecuencia), producidas por las conmutaciones de los transistores de salida (IGBT) de los variadores de frecuencia, y que pueden abarcar un rango de frecuencias de unas pocas decenas de kHz hasta unos millares de MHz.

1. Problemas de armónicos en la red

La primera pregunta que nos hacemos es: ¿Qué son los armónicos? Se puede demostrar que cualquier forma de onda periódica, es decir, repetitiva, puede ser representada como una serie de ondas senoidales de diferentes frecuencias y fases, que forman el llamado espectro armónico de la onda. La frecuencia de la onda senoidal predominante se denomina fundamental, y las frecuencias del resto de ondas, armónicos, son un múltiplo entero de esta. El instrumento matemático que se utiliza para analizar el contenido de armónicos en una onda se denomina análisis de Fourier.

En un sistema equilibrado, la onda está centrada en torno a cero, y los armónicos son múltiplos sobrantes de la fundamental. En una onda cuadrada, la amplitud de cada armónico es inversamente proporcional a su orden, es decir, cuanto mayor es su frecuencia, menor es su amplitud. Por lo tanto, ciertas condiciones de carga pueden provocar una distorsión armónica en las tensiones y producir efectos desfavorables en determinados tipos de carga conectados a ellas.

Cuando una carga eléctrica se conecta a una fuente alterna, la corriente absorbida puede ser senoidal. En este caso, la carga se denomina lineal, y puede estar en fase con la tensión (carga resistiva), en adelanto (carga capacitiva), o en retraso (carga inductiva).

En otros tipos de carga (como en los variadores de frecuencia), por el contrario, la corriente absorbida puede ser no senoidal, por lo que tendrá un cierto contenido en armónicos. Este tipo de cargas se denominan no lineales. Un ejemplo típico de carga no lineal es un rectificador que utiliza los diodos y/o tiristores para convertir la corriente alterna en corriente continua, en el caso de los variadores de frecuencia. Así, se produce el consumo de potencia en las crestas o pico de la senoidal, observándose en ella un recorte de dicho pico en la forma de onda de tensión en la red.

En un rectificador trifásico no conmutado de 6 pulsos, el contenido de los armónicos en la corriente de absorción de la red se distribuye en:

Fundamental: 50 Hz; amplitud relativa: 100%.

Armónicos 3º, 9º, 15º; múltiplos de 3 nulos.

Armónico 5º: 250 Hz; amplitud relativa 32%.

Armónico 7º: 350 Hz; amplitud relativa 14%.

Armónico 11º: 550 Hz; amplitud relativa 7%.

Armónico 13º: 650 Hz; amplitud relativa 4%.

Efectos de las corrientes armónicas en la entrada

El primer efecto de los armónicos en la corriente de entrada es el incremento del valor RMS (o valor eficaz) de esta corriente respecto al valor que tendría que tener si fuese una senoide pura. Por consiguiente, incrementará la sección de cables de entrada y, a su vez, el transformador de alimentación que nos suministra la potencia requerida. Esta corriente no es productora de trabajo (reactiva pura), de manera que nos implica a un sobredimensionamiento inútil. Para cargas monofásicas conectadas a una red trifásica con neutro, repercute en un aumento de la corriente eficaz que circula a través de esta, sobredimensionando así también el neutro del sistema.

Por otra parte, otro efecto no deseable es la distorsión armónica en tensión. Cuantificar dicha distorsión es muy difícil, ya que se requiere conocer las impedancias del transformador y, lo que es más importante, las de la línea de distribución de potencia. En la parte de conexión del transformador de 11 kV (alta tensión), la distorsión en tensión es mínima dado que las impedancias de esta línea son muy pequeñas. Aquí será donde las compañías eléctricas medirán el índice de distorsión armónica, que no deberá superar el 5% de la THD 8o tasa de distorsión armónica) en tensión. Así, en el secundario del transformador 380 V (baja tensión), la distorsión es apreciable debido a la impedancia (reactancia y resistencia del cable) del transformador y se hace más agravante al añadirse las impedancias de distribución o líneas desde el transformador hasta la carga.

Repercusiones sobre el sistema de distribución (redes o líneas)

La deformación de la onda de tensión puede ocasionar los siguientes efectos:

En primer lugar, cargas que necesiten una amplitud correcta en tensión pueden ver afectado su funcionamiento en líneas monofásicas de ordenadores y otros dispositivos de bajo consumo, así como en instalaciones de iluminación.

Incremento de pérdidas en motores y otros dispositivos magnéticos, así como en dispositivos de corrección del factor de potencia, ya que la impedancia de los condensadores disminuye al aumentar la frecuencia, y se incrementa el paso de corriente por los mismos llegando a su destrucción.

En las redes de distribución pueden producirse fenómenos de resonancia entre sistemas capacitivos e inductivos.

¿Cómo reducir los armónicos?

Se pueden tomar varias medidas, y estas pasan por asegurarse de que las impedancias de red sean pequeñas, por distribuir los armónicos generados por las cargas, de la incorporación de inductancias de choque a la entrada de los rectificadores, además de poder utilizar un sistema de rectificación de 12 pulsos y de filtros adecuados.

a. Asegurando que la impedancia de red sea pequeña

Si se disminuye la impedancia de la distribución de la línea dimensionando la instalación de forma que se reduzcan las resistencias y las inductancias, un valor determinado de corriente provocará una caída de tensión comparativamente inferior en la impedancia de la red. El resultado será que la onda de tensión presentará un nivel de THD más bajo.

b. Distribuyendo los armónicos por las cargas

Lógicamente, todos los equipos perturbadores no tendrían que conectarse sobre una misma salida de distribución de potencia. Se deberían interrelacionar cargas lineales con cargas no lineales para reducir la distorsión en tensión. La distorsión armónica por equipo no será inferior, pero un estudio adecuado de la conexión de las diferentes cargas no lineales a la distribución puede reducir la distorsión en cada salida de distribución.

c. Incorporación de inductancias de choque (filtros L) a los rectificadores

Si se equipan los rectificadores con filtros de choque, la corriente de entrada será una onda semi-cuadrada. La gran mayoría de variadores de velocidad no los incorporan, por lo que la producción de armónicos es elevada. Si no se instalan en el bus de continua, se deben añadir en la parte alterna. Estas bobinas deben representar una caída de tensión entre el 3% y el 5% de la representada por la carga.

d. Instalación de rectificadores en sistemas de distribución de 12 pulsos

Si se reparte la entrada rectificada del equipo conversor de potencia entre dos puentes rectificadores, las tensiones de entrada de cada puente están desfasadas 30º eléctricos entre sí. En teoría se podrían eliminar todos los armónicos inferiores al undécimo, pero para ello se requiere un transformador de doble secundario, uno conectado en estrella y el otro en triángulo, alimentando cada secundario la mitad de la carga, de forma que sus respectivas corrientes están desfasadas 30º. Estas corrientes se suman en el primario de transformador y dan como resultado la onda de salida rectificada de 12 pulsos, con lo que se eliminan los armónicos 5º y 7º, siendo así el undécimo el primer armónico de valor más significativo.

e. Disposición de filtros resonantes adecuados para cada armónico

Un filtro de armónicos en una red no es más que una inductancia y un condensador en serie, con sus valores ajustados de forma que se produzca la resonancia (mínima impedancia) a la frecuencia del armónico que se desea eliminar. El factor Q (o de calidad, relación entre la inductancia y la resistencia) de la red debe elegirse de forma que se eliminen las frecuencias elegidas (las de los armónicos más importantes), sin sobrecargar los componentes del filtro. Normalmente es suficiente con eliminar los armónicos 5º y 7º. 2.

2. Problema de las emisiones de RFI

Como se comentó al inicio de este capítulo, otro aspecto es el que se refiere a las perturbaciones en la red. Son las provocadas por las altas frecuencias originadas en las conmutaciones del puente de salida (IGBT) de los variadores de frecuencia debido a los flancos abruptos de tensión (dV/dt) y corrientes originados (dI/dt). La actual legislación europea sobre compatibilidad electromagnética impone limitaciones importantes en cuanto a la emisión de perturbaciones de los equipos e instalaciones, tanto industriales como domésticas.

Dichas normativas a cumplir son las siguientes:

El uso de filtros cumple con ambas normativas genéricas mencionadas anteriormente (EN50081-1 y EN50081-2).

Tipos de emisiones electromagnéticas (EMC)

La RFI puede ser radiada desde el variador mediante la emisión por los cables. Puede ser relativamente fácil eliminarla mediante el uso de cables apantallados y haciendo pasar los mismos, pero sin la pantalla, a través de los anillos de ferrita. Estos absorben dichas radiaciones cerrándose en torno al núcleo, de manera que se evitan posibles perturbaciones a otros equipos electrónicos. Es útil, sobre todo, en los cables de salida del variador hacia el motor. El campo de la RFI radiada disminuye rápidamente a medida que nos alejamos del variador.

Por otro lado, existen otro tipo de perturbaciones, las conducidas, bien a través de los cables de potencia de salida hacia el motor o a través de los cables de línea de entrada al variador. Para este tipo de perturbación es imprescindible el uso de los filtros de red instalados a la entrada del variador.

¿De qué se componen los filtros de RFI?

Los filtros están normalmente constituidos por unas inductancias (o choques) en serie, que presentan una alta impedancia a las corrientes de alta frecuencia, y unos condensadores en paralelo con conexión a tierra para facilitar el camino de baja impedancia a dicha corriente de alta frecuencia. Los filtros permiten que las RFI sean derivadas a tierra y reconducidas a la fuente de tensión.

Existen diferentes tipologías de filtros, según sean monofásicos o trifásicos, y dependiendo del espectro de frecuencias y ganancias de atenuación de los mismos.

Consejos y recomendaciones a la hora de eliminar las perturbaciones de RFI

Filtros y choques

Los filtros de red deberán instalarse lo más próximos al variador, de modo que las conexiones sean lo más cortas posibles. Si se utilizan cables de conexión a motor relativamente largos (dependiendo de la potencia del variador y del número de metros de cable, superior a 50m, aprox.) es aconsejable el uso de inductancias de salida para minimizar la emisión de RFI, además de proteger el variador de frecuencia frente a posibles bloqueos por picos de corriente. De este modo, se compensa la capacidad parásita de los cables. Al usar anillos de ferrita o choques, estos deberán colocarse lo más cerca posible de la salida del variador, y haciendo pasar por ellos única y exclusivamente las tres fases de potencia, formando más de una espira alrededor del anillo y sin hacer pasar por él el cable de tierra ni la pantalla de trenza de cobre.

Armario de control

En general, todos los reguladores incluyen un armario de montaje, con su aparellaje eléctrico y protecciones. Se recomienda el uso de armario eléctrico metálico, ya que la propia carcasa actúa como una armadura (o jaula) y evita la emisión de RFI radiada vía éter. Todas las diferentes piezas (incluyendo la placa de montaje sin pintar, solamente galvanizada) que constituyan el armario deben estar unidas entre sí mediante cables, y tiene que haber una puesta a tierra general del armario.

Puesta a tierra

De todos los factores que afectan a la compatibilidad electromagnética (EMC), la correcta realización de la conexión a tierra es la más importante. Se deben definir claramente cuáles van a ser las vías por las que las corrientes de alta frecuencia se derivan a tierra y poder así minimizar su efecto sobre otros componentes. Todas las conexiones de tierra (filtro de entrada, variador de frecuencia, cables apantallados tanto de entrada de red como de salida hacia motor) deberán ser siempre lo más corta posible, en un único punto, y fijadas al panel inferior de montaje mediante una U o clip, de forma segura.

Los cables de control que actúan sobre las bornas del variador de frecuencia deberán ser siempre apantallados, y solo uno de los extremos de la pantalla (el más próximo al variador) será colocado a 0 V de potencial, en la señal de control analógica del variador.

Cableado de conexión

Como se ha indicado anteriormente, los cables de potencia de entrada y de salida hacia motor deben ser apantallados y deben conectarse ambos extremos de la pantalla a tierra. La separación de los cables de potencia respecto a los de control es sumamente importante: no deben pasar por el mismo orificio de conexión o canal, nunca deben ir de forma paralela, y en caso extremo de cruce entre ambos, siempre en ángulo recto (90º).

Siempre hay que realizar el cableado de la forma más corta posible dentro del armario, tanto en lo referente a los cables de potencia, como a los de control, y de la forma más directa.

Deja un comentario

* Nombre:
* Email: (No publicado)
   Website: (URL del sitio http://)
* Comentario:
Captcha