23 mayo 2011

Corrigiendo el problema de los armónicos en las instalaciones industriales


Trabajamos en un centro industrial complejo y con frecuencia los equipos se estropean sin que encontremos un motivo concreto para ello. Este problema es cada vez más frecuente en la industria y es posible que se deba al problema de los armónicos.


El problema de los armónicos
La gestión de la calidad de la energía es el principal problema al que la industria se enfrenta hoy en día, y en particular al problema de las distorsiones de armónicos. Se trata de un fenómeno que ha irrumpido con fuerza desde hace muy pocos años como consecuencia del cambio en las cargas conectadas a los sistemas de distribución de electricidad. Nos referimos en particular a la utilización masiva de equipos electrónicos en aplicaciones domésticas, comerciales e industriales. El mundo actual está lleno de ordenadores portátiles, aparatos de aire acondicionado, variadores de velocidad, ascensores que se ajustan lentamente al llegar al destino y muchas otras aplicaciones similares. Todas ellas están equipadas con equipos tales como los rectificadores o los moduladores que distorsionan la forma de onda de la corriente eléctrica.
Los armónicos son introducidos en los sistemas de distribución industriales a través de los cada vez más frecuentes dispositivos de electrónica de potencia no lineales. Y los armónicos en los sistemas de potencia acortan la esperanza de vida de los equipos y pueden interferir con las líneas de comunicación y equipos sensibles. Dado el coste de las máquinas de hoy en día los armónicos provocan costosas averías sin una causa aparente y las averías son además reincidentes ya que en la mayoría de las ocasiones la medida que se lleva a cabo no es otra que sustituir el equipo dañado.

Incluso aunque los dispositivos no lineales y electrónicos sean flexibles, eficientes energética y económicamente, pueden degradar la calidad de la energía creando corrientes armónicas y consumiendo una excesiva energía reactiva.
 
¿Qué originan las corrientes de armónicos?

Las corrientes de armónicos provocan la distorsión de la curva de voltaje en el punto de acoplamiento común (y en otras partes del sistema de distribución), así que pueden quedar afectados diversos clientes por la contaminación de los armónicos. El fenómeno de la resonancia puede incrementar los componentes de armónicos del voltaje que llevarán a incrementar el voltaje en diferentes partes del sistema de suministro de electricidad, sobrecargando transformadores y, en particular condensadores. Los armónicos pueden también originar pérdidas al incrementar el calentamiento de líneas eléctricas, cables, transformadores y bancos de condensadores, llevando a la aceleración del envejecimiento y reducción de la vida operacional.
 
Protección frente a los armónicos

Las dos aproximaciones que se usan para superar la distorsión de armónicos son los filtros activos y pasivos. El filtro pasivo es la solución convencional más simple para mitigar la distorsión de armónicos. Aunque simple, el uso de elementos pasivos no siempre responden correctamente a las dinámicas de los sistemas de distribución de energía. Proporcionan una inyección de corriente para quitar la corriente de armónicos del lado de la fuente del sistema eléctrico y también pueden mejorar el factor de potencia.
 
El diseño de filtros de armónicos se ha hecho convencionalmente mediante una aproximación de ensayo y error, aunque en los últimos años se han desarrollado varios métodos para conseguir un mejor diseño en los filtros de armónicos. Es importante sobre todo conseguir que el método considere la efectividad en costes de la selección de filtros y a la vez se evalúen las especificaciones que deben cumplirse en el sector industrial.
 
El problema del diseño de filtros de armónicos tiene una formulación parcialmente discreta y continua con una función de objetivo no lineal no diferenciable.
 
Veamos a continuación cómo se comportan los armónicos antes y después de la compensación. En la siguiente figura vemos la forma de onda de la corriente de alimentación antes de la compensación. Consiste en la corriente fundamental así como la corriente de armónicos debida a la carga no lineal.

Análisis de espectro de la corriente de alimentación antes de la compensación
En la siguiente figura vemos el análisis del espectro de la corriente de alimentación después de la compensación. La distorsión de armónicos totales (THD) de la corriente de alimentación se reduce al 4,10 % desde el 30,44 %.
Análisis del espectro de la corriente de alimentación después de usar compensación .

¿En qué industrias encontraremos los armónicos?

Hoy en día, en la industria moderna, alrededor del 50 % de los receptores de un cliente industrial son suministrados usando convertidores de frecuencia (variadores ajustables AC y DC), suministro de energía en modo de conmutación (para controladores de proceso o sistemas computerizados de suministro de energía) y balastos electrónicos. Debido a las características no lineales de estos receptores (se usan diodos, tiristores o transistores para convertir voltaje AC en voltaje DC y voltaje DC en voltaje AC o voltaje DC en voltaje DC), en los sistemas de distribución industrial aparecerán las corrientes de armónicos. Estas corrientes de armónicos llevan a la distorsión de la curva de voltaje en punto de acoplamiento común (y en otras partes del sistema de distribución). El fenómeno de la resonancia puede incrementar los componentes de armónicos de voltaje que llevan a incrementar el voltaje en diferentes partes del sistema de suministro de la electricidad, sobrecargando transformadores y, en particular condensadores. También, pueden causar pérdidas incrementando las líneas eléctricas aéreas, cables, transformadores y bancos de condensadores, llevando a la aceleración del envejecimietno del aislamiento y reducción de la vida útil. En los sistemas con cuatro cables, a las corrientes de armónicos con múltiple frecuencia en tres cables se le añadirán los armónicos en el conductor de neutro, así que los armónicos pueden alcanzar altos valores. Varias medidas pueden llevarse a cabo para educir las corrientes de armónicos del cliente, cambiando la frecuencia de resonancia y filtrando la distorsión de armónicos usando sistemas pasivos, activos o híbridos.

Bibliografía:
  • Design of Filters for Reducing Harmonic Distortion and Correcting Power Factor in Industrial Distribution Systems. Tamkang Journal of Science and Engineering, Vol. 4, No. 3, pp. 193-199 (2001). Ying-Tung Hsiao.
  • Efficient Hybrid Shunt Active Power Filter for Improvement of Power Factor and Harmonic Suppression using MATLAB. Jarupula Somlal. Associate Professor, EEE Department. Swarnandhra College of Engineering &Technology. Narsapur, W.G(di), India-534280
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