¿Todo «Supra» con su red?

Retroalimentación de red en la gama de frecuencias entre 2 kHz y 150 kHz

Los dispositivos y equipos actuales, como las fuentes de alimentación conmutadas, los convertidores de frecuencia, los accionamientos controlados, los dispositivos de carga para automóviles electrónicos o la iluminación LED, funcionan internamente con altas frecuencias de reloj para regular la potencia de forma eficiente. Esto puede provocar interferencias tanto en la línea como en el campo (acopladas) en la red eléctrica. En este informe técnico, explicamos cómo detectar estas fuentes de interferencia en la red utilizando la tecnología de medición adecuada.

El cambio en la tecnología energética

La razón de la eficiencia energética y el ahorro de costes

Para utilizar la energía de forma más eficiente, ahora controlamos muchas cosas mediante la electrónica de potencia. Por ejemplo, un motor asíncrono se sustituye a menudo por un accionamiento controlado por un convertidor de frecuencia, o un aparato se equipa con una fuente de alimentación conmutada en lugar de un transformador.

Por regla general, la nueva tecnología de dispositivos, a diferencia de la antigua, ya no toma una corriente sinusoidal de la red. Los dispositivos de medición de la calidad de la energía descomponen esta corriente en el espectro de todas las frecuencias. En la medición de la calidad de la energía, ahora dividimos las perturbaciones de la red en armónicos, interarmónicos y, más recientemente, superarmónicos.

Definimos los armónicos como múltiplos de la fundamental (ejemplo: 250 Hz = 5º armónico en una fundamental de 50 Hz). Si las frecuencias se encuentran entre dos múltiplos enteros de la fundamental, las denominamos intermedias o interarmónicas. En la tecnología de medición de la calidad de la energía, así como en las normas, todos los interarmónicos de un rango suelen combinarse en un valor (ejemplo: todas las frecuencias entre >350Hz y <400Hz se incluyen en el 7º interarmónico).

Las altas frecuencias por encima de 2,5 kHz y hasta 150 kHz suelen denominarse supraarmónicos. Sí, también hay subarmónicos. Son frecuencias más bajas que la fundamental, que a menudo pueden provocar glitching

La imagen muestra un espectro de frecuencia de la tensión de CC a 20 kHz en una red pública. Se aprecian tanto armónicos como supraarmónicos, que en este caso fueron generados por un variador controlado por convertidor de frecuencia. Los niveles más altos se alcanzan a 10 kHz con aproximadamente 1,8 V.

Frecuencias de ciclo típicas de los sistemas y dispositivos con los que tenemos que contar en nuestras redes hoy en día:

  • Variador de frecuencia: 4kHz a 20kHz
  • Inversor solar (400V): 16kHz a 22kHz
  • Sistema WK (red de MT): 2kHz a 6kHz
  • E-Móvil: 10kHz a 80kHz
  • Filtros de red activos: 8 kHz a 20 kHz
  • Sistemas SAI: 15kHz a 25kHz
  • Luminarias EVG: 20 kHz a 200 kHz
  • Fuentes de alimentación conmutadas: 30kHz a 300kHz

¿De dónde proceden estas altas frecuencias de conmutación en nuestras cargas eléctricas?

Ejemplo: Un puente rectificador a la entrada de una máquina CNC rectifica las tensiones trifásicas a una tensión continua. Esta tensión continua se descompone en impulsos con diferentes tiempos de impulso-pausa a una determinada frecuencia de ciclo para producir una corriente sinusoidal en la carga eléctrica. Esto se denomina «modulación de anchura de impulso sinusoidal». De este modo se puede controlar la velocidad del motor. Las cargas de muy alta potencia, como un aerogenerador, suelen tener una frecuencia de conmutación baja, mientras que los sistemas de baja potencia funcionan con frecuencias de ciclo mucho más altas.

La imagen muestra un diagrama de la estructura de un accionamiento controlado por convertidor de frecuencia, que consta de un rectificador, un enlace de CC y un inversor.

Estas frecuencias de ciclo y sus bandas laterales pueden detectarse en la corriente de red, así como en la tensión de red, que se mapea a través de la impedancia de red.

En el ejemplo (Fig. 5) vemos el espectro de frecuencia de la tensión de una carga con una frecuencia de ciclo de 4,5 kHz a 2,5 V de una planta industrial. Un accionamiento funciona con esta frecuencia de conmutación. Sin embargo, ésta no es la única frecuencia que se representa en la red de energía. Hay otras frecuencias que recibimos como reacción de la red de este sistema. Con la ayuda de la fórmula, obtenemos todos los múltiplos de la frecuencia de conmutación y sus bandas laterales calculadas.

f_{μ} = n *f_{T} ± 2_{n} * f_{1}

n = 1, 2, 3…
fμ = frecuencia de ciclo del inversor
f1 = frecuencia fundamental de la red (50Hz)

En nuestro ejemplo, este sistema imprime no sólo los 4,5kHz sino también todos sus múltiplos. Aquí de 9kHz, 13,5kHz; 18kHz… en la red, así como adicionalmente sus bandas laterales de +/-100Hz; +/200 etc.

¿Cuáles son los problemas a los que nos enfrentamos?

Los problemas que pueden surgir en la red debido a los supraarmónicos son los siguientes

I. Mal funcionamiento de los dispositivos

Cada vez hay más cargas controladas por señales de control muy pequeñas de mayor frecuencia. Ahora puede ocurrir que una señal de interferencia de frecuencia más alta procedente de una carga imprima exactamente estas frecuencias en la red con la que se controla otro dispositivo. He aquí un ejemplo: En un hotel que había equipado todas las habitaciones con lámparas de regulación táctil, una empresa industrial que producía en las cercanías pudo encender y apagar estas lámparas de forma independiente. Como esto ocurría también por la noche, resultaba muy incómodo para los huéspedes que pernoctaban. En otro caso, los efectos de retroalimentación de un inversor solar pudieron provocar el fallo de una línea de ordeño automático de vacas en una granja. En ambos casos, no hay daños, pero algunas cargas de esta red no funcionan sin fallos.

2. Zumbidos molestos

Otro problema que se da cada vez con más frecuencia en nuestras redes son los molestos zumbidos o pitidos de las cargas. Las frecuencias de los ciclos suelen estar dentro del rango de audición del oído humano. Por regla general, el ser humano puede percibir sonidos hasta un máximo de 16 kHz, pero la sensibilidad de las personas varía mucho. En una planta industrial, ya estamos acostumbrados a que en cuanto funciona una máquina CNC, por ejemplo, se perciba un zumbido procedente de la planta. Sin embargo, si el vecino de enfrente oye un zumbido procedente de un transformador o de un equipo de iluminación, posiblemente incluso de noche, entonces puede percibirse como muy molesto y hay que buscar un remedio a esta perturbación.

  1. Avería o envejecimiento del equipo

La carga de frecuencias cíclicas de otras cargas cercanas también es un perjuicio. Las corrientes de mayor frecuencia se ven fuertemente atenuadas por inductancias como las de los transformadores y, por tanto, no quieren fluir hacia el transformador de la red local. Más bien, estas frecuencias de conmutación buscan otras cargas en las proximidades que tengan una baja impedancia para estas altas frecuencias. Debido al consumo de corriente adicional, estas cargas se calientan más, ya que las pérdidas aumentan como el cuadrado de la corriente P = I²xR. Los condensadores pueden sobrecargarse o, al menos, envejecer más rápidamente, ya que tienen una impedancia muy baja para altas frecuencias.

XC=\frac{1}{ω*C}
ω=2*π*f

Un mayor consumo de corriente implica siempre una mayor carga térmica sobre la carga, lo que a su vez conlleva una menor vida útil. ¿Por qué mi lámpara LED no dura tanto como se indica en el embalaje? Los supraarmónicos podrían desempeñar un papel.

Así, la propagación del ruido en la red se ve influida en gran medida por todos los dispositivos conectados y encendidos en las proximidades y en menor medida por las impedancias de línea.

Se produjo una reacción en la nomenclatura de la calidad de la tensión.

Durante mucho tiempo, la gama de frecuencias de 2,5 kHz a 150 kHz fue una zona libre de normas. La norma CEM IEC61000-2-2 (Condiciones ambientales – Niveles de compatibilidad para perturbaciones conducidas de baja frecuencia en redes públicas de baja tensión) ya ha reaccionado y desde 2018 ha ampliado el rango de valores límite de los anteriormente 2,5kHz a 30kHz. En 2019, se introdujeron entonces valores límite de 30kHz a 150kHz y se cerró por completo la brecha normativa. Por encima de 150kHz y hasta al menos 30MHz, los valores límite también se aplican a las interferencias emitidas por dispositivos y sistemas. Éstos se comprueban en un laboratorio de pruebas en el transcurso de un ensayo CEM para la homologación del dispositivo.

Esto significa que hoy en día disponemos de una gama completa de niveles de compatibilidad.

Limits of IEC61000-2-2

Gama de frecuencias (kHz) a 50HzNivel de compatibilidad en %.
2kHz to 3kHz1,4%
3kHz to 9kHz1,4% to 0,65%
Disminución logarítmica con aumento logarítmico de la frecuencia
Gama de frecuencias (kHz)Nivel de compatibilidad en dB(yV)
9kHz to 30kHz129,5 to 122 dB(yV)
Valor límite linealmente decreciente con el logaritmo de la frecuencia 9kHz to 30kHz
30kHz to 50kHz122 bis 119 dB(µV)
Valor límite linealmente decreciente con el logaritmo de la frecuencia 30kHz to 50kHz
50kHz to 150kHz113 bis 89 dB(µV)
Valor límite linealmente decreciente con el logaritmo de la frecuencia 50kHz to 150kHz
Voltage mVdB (yV)
1000mV120dB
100mV100dB
10mV80dB

Casi todas las cargas dejan huellas en la red o, en otras palabras: «Enséñame tu electricidad y sabré más de ti de lo que esperas».

Había instalado un analizador de redes (PQ-Box 300) en mi subdistribución en el sótano y quería analizar el motivo de un disparo esporádico de un interruptor diferencial.

La imagen muestra el lugar de instalación del dispositivo de medición PQ-Box 300 y las pinzas amperimétricas L1, L2, L3, conductor N. Otra gran pinza amperimétrica 5ª registró adicionalmente la corriente diferencial de todas las corrientes en la conexión al RCD.

Además de analizar el dispositivo defectuoso de la casa que activa mi RCD, me di cuenta de que muchas cargas de mi distribución dejan sus huellas en el espectro de frecuencias. Pude identificar claramente muchos dispositivos en el rango de frecuencias, aunque seguramente no se habrían notado en la corriente total de toda la casa con todas las cargas. Así, pude ver cuando la lavadora estaba en marcha o cuando mi mujer utilizaba la aspiradora, que deja una clara frecuencia de 8 kHz en el espectro.

La imagen muestra el espectro de todas las frecuencias de la tensión hasta 170 kHz a lo largo de una semana en una especie de representación tridimensional. Los gradientes de color muestran el nivel de las frecuencias respectivas.

Para mí fue interesante que incluso cargas muy pequeñas, como una de las Playsations 4 de los niños, se podían encontrar claramente en el espectro de frecuencias a 64 kHz, aunque yo había medido a dos pisos de distancia. De este modo, pude controlar la exigencia del niño de jugar sólo un máximo de una hora al día, aunque yo no estuviera en casa.

La imagen muestra la frecuencia de 64 kHz en la fase de tensión L1 de la distribución. Como la habitación de los niños 1 también está conectada a la fase L1, son los momentos en los que nuestro hijo adolescente se la juega. Pero no deja que le digamos lo que tiene que hacer.

Las diferentes alturas de nivel se deben a otras cargas que están conectadas en ese momento y a su efecto de compensación. Como muchos otros aparatos de la casa están encendidos a las 20.30, por ejemplo, absorben parte de la energía de la frecuencia de 64 kHz y reducen así el nivel de interferencia que puedo medir en la distribución. A la 1 de la madrugada, sólo unas pocas cargas siguen activas, aquí los niveles tienen un efecto más fuerte y se pueden medir con valores mayores en la distribución del sótano.

El de 12 años tiene un límite de tiempo de 1 hora y en este caso se superó claramente con 2 horas.

La imagen muestra la frecuencia de 64 kHz en la tensión de la fase L3 de la distribución. Esta fase también alimenta la segunda habitación de los niños y, por tanto, puede asignarse claramente al hijo menor.

El analizador de calidad eléctrica PQ-Box 300 utiliza convertidores de entrada analógico-digital de 24 bits y una frecuencia de muestreo de 409,6 kHz. Gracias a su altísima resolución, es posible medir y asignar con gran precisión incluso los niveles de interferencia más pequeños, de unos pocos milivoltios. El rango de medición de superarmónicos cubre frecuencias de hasta 170 kHz. Éstos pueden registrarse permanentemente sin lagunas durante un largo periodo de medición. En el caso de los problemas descritos anteriormente, rara vez es posible detectar la causa mediante una breve medición en línea. Por regla general, todos los datos de medición deben registrarse sin restricciones durante al menos una semana para poder asignar posteriormente con claridad el momento de la perturbación y también la causa mediante la correlación de los distintos valores de medición.

Conclusión

La retroalimentación de red en el rango de frecuencias entre 2kHz y 150kHz lleva varios años aumentando de forma constante en nuestras redes de energía y esta tendencia continuará, también fuertemente impulsada por la transición energética. Por otra parte, cada vez controlamos más dispositivos y sistemas con señales pequeñas. No se pueden descartar las interferencias mutuas. Hoy en día, las reglas del juego para la red pública están establecidas en la norma CEM IEC61000-2-2, que regula con sus valores límite de hasta 150 kHz si una carga introduce niveles de interferencia demasiado altos en la red en la conexión, o si un dispositivo perturbado tiene una inmunidad a las interferencias demasiado baja. La tecnología de medición puede demostrarlo. Si el nivel de interferencia sigue estando por debajo de los valores límite y una carga se ve influenciada negativamente, es probable que la inmunidad a las interferencias esté diseñada aquí demasiado baja. Si se supera el valor límite de la norma, es casi seguro que la fuente de la interferencia está proporcionando demasiada realimentación a la red.

El analizador de redes de calidad eléctrica PQ-Box 300 utilizado emplea convertidores de entrada analógico-digital de 24 bits y una frecuencia de muestreo de 409,6 kHz. Gracias a su altísima resolución, es posible medir y asignar con gran precisión incluso los niveles de interferencia más pequeños, de unos pocos milivoltios. El rango de medición de superarmónicos cubre frecuencias de hasta 170 kHz. Éstos pueden registrarse permanentemente sin lagunas durante un largo periodo de medición. En el caso de los problemas descritos anteriormente, rara vez es posible detectar la causa mediante una breve medición en línea. Por regla general, todos los datos de medición deben registrarse sin restricciones durante al menos una semana para poder asignar con claridad el momento de la perturbación y también el causante más adelante mediante la correlación de los distintos valores de medición.

Autor
Jürgen Blum, Product Manager Power Quality Mobile

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