Los armónicos pueden tener un impacto económico importante en la vida útil de la planta, especialmente al necesitar sobredimensionar los equipos para hacer frente a los armónicos o invertir en medidas para mitigarlos.

Mejorar la fiabilidad de una instalación reduciendo los armónicos en origen

Daniel Gomà. Responsable de Marketing de ABB para convertidores de frecuencia

28/02/2020

Los convertidores de frecuencia ofrecen una eficiencia energética significativa y ventajas en materia de rendimiento para las bombas, ventiladores y los compresores que se emplean en los sistemas HVACR (calefacción, ventilación, aire acondicionado y refrigeración) de los edificios. Sin embargo, los convertidores, junto con otros tipos de dispositivos electrónicos, pueden generar armónicos en la línea eléctrica que provocan ciertos problemas operativos como un funcionamiento intermitente o fallos prematuros en los equipos. Afortunadamente, ahora contamos con soluciones que pueden mitigar el impacto de los armónicos desde el origen.

¿Qué son los armónicos?

Las empresas de servicios públicos buscan que la corriente alterna (CA) que suministran a los edificios presenten una onda sinusoidal limpia, tal y como muestra la figura 01. La frecuencia de esta forma de onda será de 50 o 60 hercios (Hz), según la región del mundo. Sin embargo, en instalaciones reales, se suele ver que las formas de onda de la tensión y la corriente varían de forma significativa, por lo que presentan una forma distorsionada, como muestra la figura 02. Esto se debe a la presencia de frecuencias de armónicos que contaminan la forma de onda. La contaminación de armónicos se describe como múltiplos de la frecuencia base, es decir, el segundo armónico de 50 Hz es 100 Hz y el tercer armónico, 150 Hz y así sucesivamente

Es importante aclarar la diferencia entre las perturbaciones provocadas por la presencia de armónicos y el impacto de las interferencias de radiofrecuencia (RFI). Las RFI suelen encontrarse en frecuencias superiores a los 150 kilohercios (kHz), mientras que los armónicos suponen un problema en frecuencias bajas, normalmente por debajo de los 3.000 Hz.

01 Onda sinusoidal pura - 02 Onda sinusoidal distorsionada por efecto de los armónicos

La distorsión armónica total (THD) es la medición que empleamos para indicar el impacto de los armónicos. Se trata de una cifra porcentual basada en la proporción entre el contenido armónico RMS (media cuadrática) y el valor RMS de la frecuencia fundamental. El valor de la THD aumenta a medida que sube el nivel de armónicos. En una situación ideal, sin contenido de armónicos, la THD sería del 0%.

¿De dónde proceden los armónicos?

Es probable que toda carga no lineal que no consume una intensidad sinusoidal de la fuente de alimentación genere armónicos. Ejemplos de cargas no lineales son las fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS), los ordenadores, los fluorescentes y otros aparatos electrónicos que incluyen una fuente de alimentación. Lo más significativo para el sector HVACR es que los convertidores de frecuencia están incluidos en este grupo de equipos que pueden generar armónicos.

¿Cuáles son los problemas de funcionamiento que provoca la distorsión armónica?

La distorsión armónica puede dar lugar a una amplia variedad de problemas de funcionamiento en las instalaciones, entre otros:

Fallos prematuros y acortamiento de la vida útil de los equipos. Pueden darse problemas específicos de sobrecalentamiento de motores, transformadores, cables, interruptores automáticos y fusibles
Disparo molesto de interruptores y fusibles, sin que haya una causa aparente
Funcionamiento inestable de los generadores de reserva
Luces parpadeantes

En general, los armónicos pueden tener un impacto económico importante en la vida útil de la planta, especialmente al necesitar sobredimensionar los equipos para hacer frente a los armónicos o invertir en medidas para mitigarlos.

¿Cómo puede hacer frente a los armónicos?

La forma tradicional de hacer frente a los armónicos es sobredimensionar las infraestructuras críticas, lo que puede suponer aumentar el tamaño de los transformadores y cables para controlar el sobrecalentamiento que causa la intensidad armónica añadida. Una forma habitual de abordar otras dificultades que provoca la presencia de armónicos es sobredimensionar los generadores de reserva.

Instalación HVAC

¿Qué medidas específicas existen para mitigar los armónicos de convertidores de frecuencia?

La instalación de dispositivos que generen menos armónicos puede ser una opción más atractiva y rentable que invertir en equipos sobredimensionados. Los armónicos generados por convertidores pueden mitigarse con una serie de medidas, o desde el mismo diseño de los equipos. Vamos a ver las opciones que tenemos:

Convertidor de seis pulsos, sin reactancia

Los convertidores de seis pulsos estándar sin ninguna mitigación armónica se emplean porque cuestan menos y ocupan poco espacio. Sin embargo, normalmente estos convertidores presentan unos valores de distorsión de intensidad que oscilan entre el 90 y el 120%.

Convertidor de seis pulsos, reactancia del 3 al 5%

Es posible reducir los niveles de intensidad armónica hasta el 35-45% simplemente añadiendo una reactancia de CC al circuito intermedio de CA a la entrada del convertidor para aumentar la impedancia de un convertidor de seis pulsos estándar.

Filtros pasivos

Se añade una solución de filtros pasivos en el lado de la alimentación (línea) del convertidor. En los diseños actuales, consiste en un inductor-condensador-inductor ajustado para una frecuencia específica de armónicos. Normalmente, el uso de un filtro pasivo en un convertidor de frecuencia reducirá la distorsión de intensidad a niveles de entre el 5 y el 10% a plena carga.

Filtros activos

Un filtro de armónicos activo (AHF) funciona de forma similar a unos auriculares de cancelación de ruido. El AHF mide la distorsión de intensidad y después suministra una forma de onda contraria que logra contrarrestar la distorsión. Puede ser una forma de mitigación armónica muy eficaz que suele dar lugar a niveles de distorsión en la intensidad armónica de entre el 4 y el 7%.

Soluciones multipulso

El convertidor estándar es un modelo de seis pulsos. Las configuraciones multipulso de baja tensión suelen ser diseños de 12 ó 18 pulsos. También existen diseños de 24 pulsos o más, pero estos suelen encontrarse en convertidores de media tensión. Si se instala en una red de energía adecuada y equilibrada, la distorsión de intensidad de un convertidor de frecuencia de 18 pulsos es del 5 ó 6%. La distorsión de intensidad de un convertidor de 12 pulsos oscila entre el 10 y 12 por ciento.

Los convertidores ULH ofrecen un frente activo

La solución más avanzada en mitigación armónica para los convertidores es un modelo de frente activo (AFE). En este diseño, el rectificador consta de transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), en vez de diodos. El convertidor AFE también lleva integrado un filtro LCL (inductor-condensador-inductor). El rectificador basado en IGBT permite al convertidor generar una intensidad sinusoidal casi pura. El filtro LCL contribuye a eliminar el ruido de alta frecuencia que genera la conmutación IGBT.

Los convertidores AFE también suelen denominarse ULH (armónicos ultrabajos) porque presentan una distorsión de intensidad de entre el 3 y el 5%.

Actualmente, los convertidores ULH ofrecen la solución más compacta capaz de conseguir una distorsión de intensidad inferior al 5%. Otra ventaja del diseño de los ULH es que tienen un factor de potencia unitario, por lo que consumen la menor cantidad posible de corriente reactiva. Los convertidores ULH presentan una excelente respuesta a los armónicos con cargas parciales y son fáciles de instalar como un componente independiente y compacto del equipo.

ABB ACH580 ULH drive con sistemas integrados que reducen los armónicos

El factor de potencia también es importante

Además de tener en cuenta los armónicos, es fundamental considerar el factor de potencia (FP). Se trata de una medición muy utilizada en ingeniería eléctrica para determinar lo eficaz que es una red eléctrica usando la energía que consume de la red. Hay tres tipos de factor de potencia: el factor de potencia real, el factor de potencia de desplazamiento y el factor de potencia de distorsión.

Los diseñadores y responsables de una planta deben plantearse tres cuestiones importantes relacionadas con el factor de potencia:

Es posible que las plantas con un factor de potencia bajo vean cómo las empresas de servicios públicos les aplican recargos, mientras que quizá ofrezcan una reducción en las facturas de electricidad de las plantas con un buen factor de potencia.
Se puede mejorar el factor de potencia real añadiendo un convertidor de frecuencia a un motor.
El factor de potencia real también guarda relación con el impacto de armónicos del convertidor. Los convertidores que generan menos armónicos mejorarán el factor de potencia real en comparación con los convertidores con un mayor impacto de armónicos.

La fiabilidad de una planta puede mejorar prestando atención a los armónicos de los convertidores

En resumen, los armónicos generados por los convertidores de frecuencia pueden causar problemas significativos en las aplicaciones HVACR que dan lugar a un funcionamiento ineficiente, una baja fiabilidad y una posible pérdida de confort. La instalación de soluciones para mitigar los armónicos no tardará en brindar un retorno de la inversión gracias a la mayor fiabilidad y mayor vida útil de los equipos. La nueva generación de convertidores ULH supone una solución especialmente atractiva ya que puede mitigar los armónicos en origen.