Medidas de calidad de la energía:

El conductor N y los armónicos

En las mediciones de la calidad de la energía, los armónicos impares, como el 15, 21 y 27, se violan a menudo. ¿Qué son los armónicos, cómo se produce esta circunstancia y qué influencia tiene en el conductor neutro? Este artículo aborda estas cuestiones y arroja luz sobre este asunto.

Definición de armónicos

Debido al creciente número de consumidores no lineales, cada vez se producen más realimentaciones de red que pueden caracterizarse por una corriente no sinusoidal. TÜV SÜD define los armónicos de la siguiente manera:

Los armónicos son múltiplos enteros de la frecuencia de la red. Están causados por cargas no lineales como lámparas de descarga (por ejemplo, lámparas de bajo consumo), transformadores sobrecargados, fuentes de alimentación con rectificadores de valor pico y por el uso de válvulas convertidoras de potencia, por ejemplo, rectificadores, convertidores de frecuencia, reguladores, sistemas SAI. La característica de estos consumidores y equipos es una corriente no sinusoidal o un flujo de corriente que se conecta y desconecta periódicamente. Los generadores cuya tecnología de bobinado permite la generación de tensiones armónicas (campos armónicos) también provocan corrientes armónicas cuando se conectan a la red. Estas magnitudes no sinusoidales pueden reconducirse a magnitudes sinusoidales mediante procedimientos matemáticos adecuados (análisis de Fourier). Además de la frecuencia fundamental (en Europa: 50 Hz), también contienen múltiplos enteros, los llamados armónicos. Estas corrientes armónicas provocan caídas de tensión en las impedancias de la red o del generador. Estas caídas de tensión (tensiones armónicas) se superponen a la frecuencia fundamental (50 Hz) y distorsionan la forma sinusoidal de la tensión de red. Como resultado, el funcionamiento sin problemas de otros consumidores (por ejemplo, motores, generadores, condensadores) puede verse afectado.

Estos armónicos pueden detectarse midiendo la calidad de la energía. La figura 1 muestra una medición típica de la calidad de la energía en un caso como el descrito. A primera vista, los armónicos son exclusivamente impares y divisibles por tres.

Figura 1: Informe de violación del valor límite según EN 50160

Efectos de los dispositivos monofásicos

Hoy en día se utilizan cada vez más aparatos monofásicos que se controlan mediante una fuente de alimentación conmutada. En el ámbito doméstico, se trata, por ejemplo, de ordenadores, videoconsolas y muchos otros electrodomésticos. Hoy en día, estos aparatos ya no tienen un transformador conectado aguas arriba, sino una fuente de alimentación conmutada. En la mayoría de los casos, en la entrada de estas fuentes de alimentación conmutadas se incorpora un puente rectificador que absorbe la corriente en forma de impulsos. Antes, la corriente era absorbida sinusoidalmente por una carga resistiva. La figura 2 muestra una medición del impulso.

Figura 2: Circuito de entrada con B2

Descomponiendo la corriente en su espectro, todos los armónicos impares están presentes. Los armónicos divisibles por tres se suman en el conductor N. Esto se debe a que las fases L2 y L3 están desfasadas 120° en el sistema trifásico. Esto se debe a que las fases L2 y L3 están desfasadas 120° en el sistema trifásico. El desfase de 120° es, por supuesto, también el desfase en el que se realiza una oscilación sinusoidal completa de 150 Hz, como se muestra en la figura 3. En la figura puede verse que después de 120° ha pasado una onda sinusoidal completa y comienza entonces la siguiente fase L2. Si ahora suponemos que en la red hay instaladas cargas similares en las tres fases, entonces el tercer armónico de la posición de fase para la fase L2 y L3 seguramente también estaría en una posición similar.

Figura 3: Oscilaciones sinusoidales trifásicas + 150

Si la carga en las tres fases L1, L2 y L3 es simétrica y está cargada con 100 A, entonces el conductor N no está cargado. Sin embargo, esto sólo es cierto para el fundamental y para todos los armónicos que no son divisibles por 3. Si puede medir 10 A en todas las fases para un quinto armónico, entonces también podría ver sólo 0 A en el conductor N. El tercer armónico tiene una característica especial: como la posición inicial es exactamente 120°, todas las muestras de las fases L1, L2, L3 y el conductor N deben sumar 0. Si las fases se solapan exactamente, esto significa que en el conductor N debe circular el triple de corriente. Esta circunstancia también se aplica a la doble y triple frecuencia, así como al sexto o noveno armónico. Sin embargo, se da el caso de que durante las investigaciones en la red se encuentran principalmente armónicos impares y, por regla general, apenas aparecen armónicos pares.

Efectos de los armónicos de corriente en la red eléctrica

En conclusión, se puede afirmar que los armónicos de corriente con un número ordinal divisible por tres se superponen a una magnitud triple con carga simétrica en el conductor neutro. Esto plantea un problema para la red, ya que la impedancia de la red para los armónicos divisibles por 3 es cuatro veces mayor que para el quinto armónico o el fundamental. Con simetría, no fluye corriente del quinto armónico por el conductor N, pero pueden medirse corrientes tres veces mayores del tercer armónico, que fluyen de vuelta al transformador. Por lo tanto, para los armónicos divisibles por 3, siempre es bastante decisivo en qué punto de la red se evalúan estos armónicos en la red. En el caso de que las mediciones se realicen relativamente cerca del transformador, un armónico divisible por tres suele pasar desapercibido aquí. Sin embargo, cuanto más se aleja uno del transformador hacia el consumidor, los armónicos divisibles por tres aumentan rápidamente en la tensión: mucho más rápido de lo que lo haría un quinto o séptimo armónico.

La tendencia hacia redes con armónicos de mayor carga no puede evitarse debido al gran número de dispositivos monofásicos. Todos estos dispositivos aumentan el nivel de los armónicos divisibles por tres, como el 3º, el 15º o el 21º armónico. Mientras tanto, las normas han reaccionado y han aumentado los niveles de compatibilidad permitidos para la red pública. Por ejemplo, el nivel de compatibilidad de la actual norma EN 50160 para el 15º armónico ha pasado del 0,5 % al 1,0 %.

Si hoy en día se realizan evaluaciones de la calidad de la energía, los valores límite almacenados en los dispositivos de medición deben ajustarse correctamente a los valores límite válidos actualmente.

Autor
Jürgen Blum, Jefe de Producto de Power Quality Mobile

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