Harmònics elèctrics: definició – problemàtica – solucions

Sens dubte, els harmònics elèctrics, de tensió o intensitat de corrent s'han convertit en l'actualitat en un paràmetre la gestió i el control del qual es fa imprescindible. Especialment, per prevenir la possible aparició de problemes que, com veurem posteriorment, estan associats a la seva presència a la nostra xarxa elèctrica.

Gestionar i controlar els harmònics elèctrics és fonamental per evitar que sorgeixin diversos problemes a la xarxa d'elèctrica.

Definim en primer lloc el terme harmònic.

Per això, viatgem a principis del segle XIX, quan el matemàtic Jean Baptiste Fourier va determinar que qualsevol forma d'ona periòdica es pot descompondre en una suma de sinusoïdals simples, de diferents freqüències i amplituds, que s'anomenen harmònics.

Però vegem un exemple que de ben segur ens permet comprendre millor el concepte:

Suposem que l'ona que apareix a la Fig. 1 correspon a “un cicle” de la intensitat de corrent en una xarxa de 50 Hz. O sigui, que es repeteix 50 vegades en un segon i té una durada de 20 mil·lisegons. Si es tracta d'una xarxa de 60 Hz, la durada seria de 16,6 ms. Aquesta ona la denominarem “fonamental”.

I sobre ella una altra ona, de menor amplitud, però de 250 Hz. És a dir, d'una freqüència 5 vegades superior. L'ona de la Fig. 2 correspondria a l'harmònic 5è, i l'ona resultant seria la de la Fig. 3.

I per finalitzar, sobre aquestes dues ones, una altra de 350 Hz, de 7 vegades més freqüència que la fonamental, l'harmònic 7è, que correspon a la Fig. 4. L'ona resultant final seria la que veiem a la Fig.5, que , de manera informal, la coneixem com la 'M de McDonalds'.

Aquesta és l'ona que mesuraríem de manera habitual, per exemple, a l'entrada de la majoria dels variadors de velocitat trifàsics, que són càrregues que han esdevingut indispensables a les instal·lacions industrials.

En definitiva, l'ona de corrent generada per un variador de velocitat pot simplificar-se, per tant, i de manera molt aproximada, en la fonamental, de 50 o 60 Hz, i bàsicament els harmònics 5è i 7è.

Per tant, dividirem les càrregues elèctriques entre aquelles que consumeixen un corrent purament fonamental, que anomenarem càrregues lineals, com són els motors d'inducció o càrregues purament resistives; i les que consumeixen una fonamental més altres corrents harmònics, que coneixerem com a càrregues no lineals o distorsionants. Entre elles, els variadors de velocitat o freqüència, els equips electrònics monofàsics o les lluminàries tipus LED. En resum, totes aquelles càrregues en què alguna etapa del seu funcionament implica una conversió de corrent altern a corrent continu.

Per analitzar el contingut harmònic de la xarxa elèctrica, utilitzarem la descomposició en freqüència o allò que es coneix com el seu espectre. És a dir, l'amplitud, o el valor, de cada ordre harmònic. Fig.6

Així, per a xarxes amb predominància de càrregues trifàsiques, habitualment els més importants serien el 5, 7, 11 i 13, en aquest ordre decreixent de magnitud. I, en el cas de xarxes de 4 fils, amb una important presència de càrregues monofàsiques alimentades entre fase i neutre, també estarien presents, a més dels anteriors, els harmònics 3r, 9è i 15è, sent en aquest cas generalment el 3r el més significatiu.

I les magnituds que habitualment utilitzarem per avaluar els nivells d'harmònics a la xarxa són les anomenades Taxes de Distorsió Harmònica, total harmonic distortion en anglès, THD(U) per a la tensió, i THD(I) per al corrent, que representen el percentatge de la tensió o corrent harmònic, que es calcula a partir del valor RMS, o suma quadràtica dels valors de cada freqüència, respecte del valor de la fonamental. Aquestes taxes ens permetran, com veurem, determinar la severitat de la distorsió harmònica a la nostra xarxa, i la necessitat o no aplicar mesures correctives.

Un aspecte important que cal considerar és que, com hem determinat, són les càrregues no lineals o distorsionants les que generen harmònics de corrent, i el fet que circulin pels cables de distribució aquests corrents harmònics provoca caigudes de tensió a les diferents freqüències harmòniques. Això suposa l'aparició de tensions harmòniques, és a dir, que distorsionen la tensió, incrementant així el valor del THD (U). Per tant, les taxes de THD(I) i THD(U) seran sempre valors que s'hauran d'analitzar de manera conjunta, quan es plantegi la necessitat de solucionar algun tipus de problemàtica associada als harmònics elèctrics a la nostra xarxa.

Una altra important particularitat dels harmònics elèctrics és el fet que presenten diferents seqüències de fase. Poden ser directes, inverses o homopolars, també conegudes com a seqüència zero.

A efectes pràctics, són aquestes últimes, que corresponen als harmònics triples, les que impliquen més problemàtica a les xarxes elèctriques pel fet que en estar en fase se sumen entre elles. Així, en xarxes de 4 fils, 3 fases i neutre, amb un nombre significativament alt de càrregues monofàsiques electròniques (ordinadors, o computadors, i receptors similars), en no anul·lar-se entre ells, se sumen al conductor de neutre.

Per tant, si suposem una xarxa amb 50 A de corrent harmònic d'ordre 3 per cada fase, al conductor de neutre tindrem directament 150 A de corrent d'harmònic 3.

Això comporta un risc de sobrecàrrega en aquest conductor de neutre, tant a nivell de tret de proteccions tèrmiques, com de seccionament del neutre. Això provocaria la situació més adversa, per l'important desequilibri de les tensions d'alimentació de les càrregues que ocasionaria, que podria derivar en avaries greus dels equips connectats en aquell moment per sobretensió.

Els problemes també sorgeixen de manera habitual a nivell dels transformadors de potència que alimenten la instal·lació. Si aquests han de subministrar, a més del corrent fonamental associat a la potència activa, corrents harmònics no productius (és a dir, que no són útils), les seves pèrdues poden ser tan elevades que causin que la qualitat de la tensió que se subministra sigui pobra , amb alts nivells de THD(U). Aquest fet afectaria el funcionament de les càrregues alimentades. El cas més extrem, fins i tot es produiria un excés de temperatura al transformador que pot derivar en la seva destrucció.

Un altre aspecte essencial és l'afectació que la presència d'harmònics elèctrics pot provocar a les proteccions diferencials contra corrents de fuga. És imprescindible utilitzar relés diferencials adequats per garantir la correcta protecció en aquestes xarxes. En aquest sentit, l'ús de diferencials tipus B per a tots aquells receptors que incorporin una conversió CA/CC en el seu funcionament (com són els variadors de velocitat, SAI, rectificadors o carregadors de vehicles elèctrics) es fa no només essencial, sinó obligatori.

Pel que fa a l'existència d'alts nivells de distorsió harmònica en tensió a la xarxa, els podem relacionar amb problemes que apareixen en equips electrònics “sensibles”. En aquest cas, la mala qualitat de la tensió de subministrament pot causar el seu mal funcionament en relació amb resets, interferències, errors de càlcul, etc.

Finalment, sens dubte el problema més conegut i freqüent és la problemàtica entre la instal·lació d'una bateria de condensadors per compensar energia reactiva inductiva i l'existència d'harmònics elèctrics a la xarxa.

L'explicació del cas

Considerem primer com és la corba d'impedància d'un condensador, que podem anomenar resistència. Com podem veure a la Fig. 8, a major freqüència, menor impedància. I ja sabem que els harmònics tenen una freqüència superior a la de la fonamental de la xarxa. Per tant, el condensador presenta menys resistència a aquestes freqüències harmòniques. Es converteix, en conseqüència, en un “camí de baixa impedància” per a aquests corrents. En altres paraules, tendeix a absorbir-les, de manera que a les xarxes amb presència d'harmònics els condensadors sempre estan sobrecarregats en un cert nivell. I això en provoca el deteriorament a curt termini.

No obstant això, aquesta sobrecàrrega no és el problema més gran que es pot generar. Ho és la possibilitat que es produeixi un fenomen de ressonància, que implica l'amplificació dels corrents harmònics prèviament existents a la xarxa abans de la connexió de la bateria de condensadors.

Hem de considerar llavors el paràmetre conegut com la freqüència de ressonància del sistema (Fig. 9), que relaciona la potència de curtcircuit al punt de connexió de la bateria de condensadors a la xarxa amb la potència en kvarC de la pròpia bateria. Aquest valor indica l'ordre de l'harmònic, és a dir, ordre 5, 7, 11… que podria amplificar-se en connectar-se els condensadors a la xarxa, ocasionant-ne l'amplificació.

A l'exemple de la Fig. 10, apareix un clar ressò a l'harmònic 5è. Simplement hem de comptar els 5 pics que apareixen un cicle.

El procediment que cal implementar per evitar aquest fenomen de ressonància es basa en instal·lar bateries de condensadors amb filtres de rebuig o desintonitzades. Aquestes bateries incorporen en sèrie amb cada condensador o grup de condensadors de cada esglaó una reactància, que a la Fig. 11 es pot identificar amb un color groguenc. D'aquesta manera, aquest grup reactància-condensador se sintonitza a una freqüència per sota del primer harmònic rellevant a la xarxa.

reactàncies bateries de consensadors

Com hem comentat, el primer harmònic rellevant a la xarxa és, en la gran majoria de casos, el tercer o el cinquè. I les habituals freqüències de ressonància són les que s'especifiquen a la Fig. 12 (s'indiquen els valors a 50 Hz / 60 Hz).

Fig.12

Uns sistemes que garanteix al 100% la compensació d'energia reactiva de manera totalment immune a la presència d'harmònics a la xarxa són els generadors estàtics de reactiva, concretament, la gamma SVGm de CIRCUTOR (Fig. 13). Aquests generadors de reactiva, amb capacitat de compensació tant de potència inductiva com capacitiva, estan basats en electrònica de potència i constitueixen la solució tecnològicament més avançada en la correcció del cosinus de phi.

Hi ha opcions de filtrat passiu de corrents harmònics, entre els quals els més senzills són les reactàncies de línia o xoc (Fig. 14). S'instal·len a l'entrada de variadors de velocitat o càrregues similars, que poden proporcionar un cert grau de reducció dels nivells de THD(I). Habitualment, des de valors inicials al voltant del 40% fins a valors finals de 25%.

En tot cas, el més eficient per aconseguir disminuir els nivells de corrents harmònics i, per tant, també de tensions harmòniques a la nostra xarxa elèctrica és l'ús de filtres actius d'harmònics. És a dir, la gamma AFQm de CIRCUTOR.

Un filtre actiu AFQm és, de fet, un generador de corrents harmònics que, a partir de l'ús de la més avançada electrònica de potència i els sistemes de control més innovadors, és capaç d'injectar corrents harmònics en contrafase amb els existents a la xarxa, aconseguint així anul·lar-les.

Entre els seus múltiples avantatges respecte als sistemes de filtratge passiu podem destacar la seva precisió. És capaç d'injectar el corrent harmònic exacte per compensar l'existent a la xarxa a cada harmònic, sense dependre de la variabilitat de la càrrega.

Destaca igualment la seva versatilitat, ja que ofereix no només la capacitat de filtratge de corrents harmònics, sinó també de compensació de reactiva.

La gamma de filtres actius AFQm comprèn un rang de capacitats d'injecció de corrent que abasta la totalitat d'escenaris a nivell de qualsevol instal·lació elèctrica, ja sigui industrial o de serveis, gràcies a la seva modularitat. A més, inclou tensions de funcionament des de 208 VCA fins a 690 VCA.

2 Solucions: Tipus mural y Tipus rack

Per reds de 50/60 Hz ±5

• 4 hilos 3P+N: 208 - 400 V - 525 V fase-fase
• 3 hilos 3P: 230 - 480 V - 690 V fase-fase

Mes informació →

qualitat de consum y subministrament→

estalvi energètic→