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Armónicos de variadores de frecuencia: efectos y soluciones

Por qué los variadores de frecuencia generan armónicos, qué daños causan en la planta (condensadores, transformadores, disparos) y qué soluciones existen.

Por Shadai García, ingeniero electricista, fundador y CEO de Tiza Group.

redMT/BTPCCPQanalizador clase Areactor de desintoníabanco~~Mvariador~=filtro activoel variador inyecta 5.º y 7.º armónicosbanco sin reactor: resonancia cerca del 5.ºreactor y filtro: bajo los límitestensión en el PCC casi sinusoidalcorriente del variadorbarrido Z(h)hr ≈ √(Scc/Qc)barrido Z(h)tensión en el PCCantesdespuésIh en el PCClímite IEEE 519571113orden hEstudioMedición clase AModelo Z(h)Límites en el PCCSolución© tizagrp.comredMT/BTPCCPQanalizador clase Areactor de desintoníabanco~~Mvariador~=filtro activoel variador inyecta 5.º y 7.º armónicosbanco sin reactor: resonancia cerca del 5.ºreactor y filtro: bajo los límitestensión en el PCC casi sinusoidalcorriente del variadorbarrido Z(h)hr ≈ √(Scc/Qc)barrido Z(h)tensión en el PCCantesdespuésIh en el PCClímite IEEE 519571113orden hEstudioMedición clase AModelo Z(h)Límites en el PCCSolución© tizagrp.com
Estudio de armónicos: espectro, resonancia y solución en el PCC. Ubicación en el sistema, principio de funcionamiento e IEC 61850. Ilustrativo: los valores reales salen de la placa y del manual del fabricante.
Respuesta corta

Un variador de frecuencia con rectificador de diodos de seis pulsos toma la corriente de la red en pulsos, no como una onda senoidal, y esa corriente contiene armónicos de orden 5, 7, 11, 13 y siguientes. Los armónicos calientan transformadores y cables, sobrecargan y hacen resonar los bancos de condensadores, distorsionan la tensión y causan disparos y fallas de equipos. Se controlan con reactores, rectificadores de más pulsos o activos, filtros pasivos o activos, y bancos desintonizados, según lo que muestre la medición frente a IEEE 519.

Por qué un variador genera armónicos

La mayoría de los variadores de frecuencia de baja tensión tienen a la entrada un rectificador de diodos de seis pulsos que carga un bus de corriente continua con condensadores. Los diodos solo conducen cuando la tensión de la red supera la del bus, así que la corriente de entrada no es una senoide: son pulsos cerca del pico de cada semiciclo.

Esa forma de onda se descompone en una fundamental más armónicos, corrientes a frecuencias múltiplo de la de la red. En un rectificador de seis pulsos los armónicos característicos son de orden 6k ± 1: 5.º, 7.º, 11.º, 13.º, y así sucesivamente, con el 5.º y el 7.º como los más grandes. Cuantos más variadores y más potencia, mayor es la corriente armónica que la planta inyecta a su red.

La distorsión de corriente se mide como THDi (distorsión armónica total de corriente) o, para comparar con IEEE 519, como TDD, referida a la demanda máxima. Al circular por las impedancias de la red, esas corrientes distorsionan también la tensión (THDv), que es lo que afecta a los demás equipos.

Qué daños causan

EfectoPor qué ocurre
Transformadores calientesLas corrientes armónicas aumentan las pérdidas por corrientes parásitas en los devanados; un transformador puede calentarse sin estar sobrecargado en kVA
Condensadores que fallanResonancia entre el banco y la red, y sobrecarga por corrientes armónicas
Disparos indeseadosInterruptores y relés que miden mal formas de onda distorsionadas; fusibles de condensadores que se funden
Fallas en electrónicaFuentes, PLC y equipos sensibles alimentados con tensión distorsionada
Cables y conexiones calientesMás corriente eficaz por la misma potencia útil
Factor de potencia bajoLa distorsión reduce el factor de potencia verdadero, aunque el de desplazamiento sea bueno

El caso más costoso en la industria es el banco de condensadores sin desintonía en una planta llena de variadores. Las dos guías del problema económico de la reactiva son factor de potencia en la industria y banco de condensadores.

Hay un efecto que se suele pasar por alto: los armónicos de corriente de un variador también los «ve» la generación propia. Una planta de emergencia (grupo electrógeno) tiene una impedancia mucho mayor que la red, así que la misma corriente armónica produce más distorsión de tensión cuando la planta opera en isla. Variadores que funcionan bien con la red pueden causar problemas con el generador.

Qué dice IEEE 519

IEEE 519-2022 fija límites de distorsión de tensión y de corriente en el punto de acoplamiento común (PCC), el punto donde la planta se conecta con la red y donde sus armónicos pueden afectar a otros usuarios. Los límites de tensión dependen del nivel de tensión del PCC; los de corriente dependen de la relación entre la corriente de cortocircuito disponible y la demanda máxima de la planta: cuanto más débil es la red frente a la carga, más estricto el límite.

Dos consecuencias prácticas. Primero, el cumplimiento se evalúa en el PCC, no en cada variador. Segundo, un mismo variador puede ser aceptable en una planta con red fuerte y problemático en otra con red débil o con generación propia. Las tablas y el método están en estudio de armónicos según IEEE 519.

Las soluciones

SoluciónCómo actúaCuándo conviene
Reactor de línea o choque de CCSuaviza los pulsos de corriente y reduce la distorsiónPrimer paso, económico, en casi cualquier variador
Rectificador de 12 o 18 pulsosCancela los armónicos de orden bajo con transformadores desfasadosVariadores grandes
Rectificador activo (AFE)Toma corriente casi senoidalVariadores nuevos, regenerativos o redes exigentes
Filtro pasivo sintonizadoOfrece un camino de baja impedancia a un armónico específicoPocos variadores grandes con carga estable
Filtro activoInyecta corrientes que cancelan las armónicas medidasMuchos variadores, carga variable, varios órdenes
Banco desintonizadoCompensa la reactiva con un reactor en serie que lleva la resonancia por debajo del 5.º armónicoPlantas que necesitan compensación y tienen variadores

No hay una solución universal. Elegir sin medir suele terminar en un filtro que no alcanza o en uno sobredimensionado.

Los armónicos no son el único efecto del variador

Del lado del motor, la salida del variador produce flancos de tensión rápidos que, con cables largos, generan sobretensiones en los bornes y corrientes en los rodamientos. Es otro problema, con otras soluciones (filtros dv/dt o senoidales, cables y puesta a tierra adecuados). Para la protección del motor alimentado por variador, vea relé de protección de motor.

Señales de que su planta tiene un problema de armónicos

  • Fusibles de condensadores que se funden o condensadores que se inflan.
  • Un transformador que se calienta más de lo que su carga en kVA justificaría.
  • Interruptores o relés que disparan sin causa aparente cuando arrancan los variadores.
  • PLC, computadores o variadores que se reinician o fallan sin explicación.
  • Diferencias entre lo que miden instrumentos distintos en el mismo punto.
  • Un factor de potencia que no mejora aunque se agregó compensación.

Cómo se diagnostica

  1. Medir con un analizador de calidad de potencia clase A en el tablero principal y en los tableros con variadores, durante un ciclo de operación representativo. Vea analizador de calidad de potencia.
  2. Identificar las fuentes y los órdenes armónicos dominantes.
  3. Modelar la red: transformador, cables, condensadores y la impedancia de la red externa, para encontrar resonancias.
  4. Comparar con IEEE 519 en el PCC y decidir la solución.

Cómo le ayudamos

Nuestro equipo hace estudios de armónicos y calidad de potencia para plantas industriales: medimos, modelamos la red y sus resonancias, comparamos con IEEE 519 y le recomendamos la solución técnica y económicamente adecuada, con la especificación para comprarla. El análisis y el diseño los hacemos de forma remota; en Colombia también medimos y verificamos en sitio después de instalar.

Conozca nuestro servicio de calidad de potencia o escríbanos contándonos cuántos variadores tiene y qué está fallando.

Guías relacionadas

Referencias

  • IEEE 519-2022, Standard for Harmonic Control in Electric Power Systems.
  • IEC 61000-4-7, técnicas de medición de armónicos e interarmónicos.
  • IEC 61000-4-30, métodos de medida de la calidad de la energía (clase A).
  • IEEE C57.110, Recommended Practice for Establishing Liquid-Immersed and Dry-Type Power and Distribution Transformer Capability When Supplying Nonsinusoidal Load Currents.
  • IEEE 18, Standard for Shunt Power Capacitors.

Preguntas frecuentes

¿Qué armónicos generan los variadores de frecuencia?

Un variador con rectificador de seis pulsos genera principalmente armónicos de orden 6k ± 1: 5.º, 7.º, 11.º, 13.º y siguientes, con el 5.º y el 7.º como los más grandes. Con rectificadores de doce pulsos los dominantes pasan a ser el 11.º y el 13.º, y con rectificador activo (AFE) la distorsión de corriente es mucho menor.

¿Por qué se queman los condensadores en una planta con variadores?

Porque el banco de condensadores y la inductancia de la red forman un circuito resonante. Si su frecuencia de resonancia queda cerca de un armónico que inyectan los variadores, ese armónico se amplifica, sobrecarga los condensadores y eleva la tensión. Se evita con reactores de desintonía o cambiando el tipo de compensación, según el estudio.

¿Qué es mejor para los armónicos de variadores: filtro pasivo o activo?

Depende de la carga. El pasivo sintonizado es robusto y económico para uno o pocos variadores grandes de carga estable; el activo se adapta a cargas variables y a varios órdenes armónicos a la vez. A veces lo más simple, un reactor de línea o un variador con más pulsos, basta. La elección sale de la medición y del estudio.

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