Distorsión armónica en aplicaciones HVACR

Las ventajas de utilizar un VFD para reducir el consumo energético compensan con creces los efectos negativos de los armónicos derivados de su uso, pero es importante ser conscientes de éstos, los posibles problemas que pueden causar y las soluciones existentes para mitigarlos

Por Abraham Rodríguez

Los sistemas de calefacción, ventilación, aire acondicionado y refrigeración (HVACR, por sus siglas en inglés) son los encargados de mantener la comodidad en edificios,, como locales de oficinas, hospitales y centros de datos, entre otros. Estos sistemas consumen una importante cantidad de energía, por lo que el uso de variadores de frecuencia (VFD) en estos sistemas permite reducir considerablemente su consumo energético. 

No obstante, los VFD, junto con otros tipos de dispositivos electrónicos, generan un fenómeno conocido como armónicos de la línea eléctrica. Las ventajas de utilizar un VFD compensan con creces los efectos negativos de los armónicos, pero es importante ser conscientes de éstos, los posibles problemas que pueden causar y las soluciones existentes para mitigarlos. 

Aunque este documento se centra en los VFD como fuente de armónicos, es importante entender que no constituyen la única fuente de armónicos de un sistema. No obstante, los VFD utilizados en aplicaciones HVACR suelen ser el asunto principal de las conversaciones sobre el cálculo y la mitigación de los armónicos debido a que constituyen una parte importante del consumo general de energía de los edificios.

Algunos ejemplos de VFD en aplicaciones HVACR son las bombas (agua fría, agua de condensadores, agua caliente), los ventiladores (suministro, retorno, extracción, torre de refrigeración) y los compresores. Otros ejemplos de fuentes de armónicos importantes son los ventiladores con motor electrónicamente conmutado (ECM, por sus siglas en inglés), los sistemas de iluminación, los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) y las fuentes de alimentación monofásicas. 

Algunos ejemplos de VFD en aplicaciones HVACR son las bombas (agua fría, agua de condensadores, agua caliente), los ventiladores (suministro, retorno, extracción, torre de refrigeración) y los compresores. Otros ejemplos de fuentes de armónicos importantes son los ventiladores con motor electrónicamente conmutado (ECM, por sus siglas en inglés), los sistemas de iluminación, los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) y las fuentes de alimentación monofásicas

Los armónicos aparecen en forma de onda de tensión porque los dispositivos electrónicos consumen intensidad de manera no lineal. Suelen medirse como valor porcentual, que se denomina distorsión armónica total (THD, por sus siglas en inglés), la cual es la proporción entre el contenido armónico RMS (media cuadrática) y el valor RMS de la frecuencia fundamental. La THD representa el porcentaje de desviación desde la forma de onda sinusoidal fundamental. Si la tensión o la intensidad no contiene armónicos, el valor THD sería del cero por cien. A medida que aumenta la cantidad de armónicos, también lo hace el porcentaje de THD. 

Existen varias normas industriales que se emplean para identificar una cantidad aceptable de distorsión armónica en comparación con una cantidad problemática de distorsión. Por ejemplo, la norma IEEE 519-2014 se aplica en Estados Unidos y algunos países de Asia. En Europa y Asia también existen normas de compatibilidad electromagnética (CEM) para los armónicos. Estas normas está redactadas desde el punto de vista de las empresas de servicios públicos, por lo que su finalidad es evitar que los clientes generen un nivel de distorsión armónica suficientemente elevado que llegue a afectar la calidad de la electricidad de otros clientes cercanos en la red eléctrica. 

El término «armónicos» es genérico y se emplea en distintos sectores. Por desgracia, se culpa incorrectamente a los armónicos de ciertos problemas eléctricos, pero no deben confundirse con las interferencias de radiofrecuencia (RFI), que se producen a frecuencias mucho más altas que los armónicos. Los armónicos de la red eléctrica son de baja frecuencia y, por tanto, no interfieren en las señales de las redes inalámbricas LAN, los teléfonos móviles, las radios de FM o AM ni en los equipos que son particularmente sensibles al ruido de alta frecuencia. 

Fundamentos de los armónicos 

Los armónicos de tensión son la distorsión de la forma de onda de tensión, mientras que los armónicos de intensidad son la distorsión de la forma de onda de intensidad. Estas formas de onda distorsionadas son difíciles de cuantificar con una ecuación simple, por lo que se aplica un método matemático (denominado análisis de Fourier) al hablar de los armónicos. Este método determina la magnitud y la frecuencia de numerosas formas de onda sinusoidales más pequeñas que componen la forma de onda distorsionada que puede haber en una instalación. De este modo, el ingeniero puede identificar cuáles son los armónicos individuales más problemáticos y adoptar las medidas correctoras para reducirlos.

Como se señala más arriba, se suele hablar de los armónicos en términos de porcentaje de THD. Este valor porcentual describe el grado de distorsión de la forma de onda respecto de una forma de onda sinusoidal pura. Una forma de onda muy distorsionada tendrá mayor valor porcentual de THD. Se utilizan las dos ecuaciones siguientes para cuantificar la cantidad de armónicos de un sistema, en donde THD_V es la distorsión armónica total de la forma de onda de tensión y THD_I es la distorsión armónica total de la forma de onda de intensidad. En ambas, el cálculo se basa en la proporción del contenido de armónicos RMS frente al valor RMS del valor fundamental. Es decir, cuanto más contenido armónico, mayor es el porcentaje de THD. 

Otro tema importante relacionado con los armónicos es comprender qué niveles de THD_V y THD_I son aceptables para un edificio. Cada sistema es diferente y tiene en cuenta la magnitud de la carga de un edificio en comparación con la capacidad del servicio, conocida como la relación de cortocircuito. Además, entender dónde hay que medir los armónicos, conocido como el punto de acoplamiento común (PCC), suele ser un concepto mal entendido. En resumen, PCC suele ser el punto en el que la red del edificio se conecta a la red del servicio eléctrico. La distorsión de demanda total (TDD) se mide en el PCC en lugar de THD_I. Normalmente, la TDD sirve para evaluar los armónicos de todo el edificio, mientras que la THDI se emplea para evaluar los armónicos de un dispositivo en particular dentro del edificio. 

Causas 

La causa de los armónicos son las cargas no lineales, que no consumen intensidad de forma sinusoidal desde la red. He aquí algunos ejemplos de cargas no lineales: VFD, motores EC, luces LED, fotocopiadoras, computadoras, fuentes de alimentación ininterrumpida, televisores y la mayoría de los aparatos electrónicos que llevan fuente de alimentación. Las causas más importantes de los armónicos de un edificio suelen ser la alimentación eléctrica trifásica no lineal, por lo que cuanto más electricidad, mayores serán las intensidades de armónicos en la red. 

El funcionamiento del diseño más extendido de VFD consiste en tomar la tensión de entrada de la línea de CA trifásica y rectificarla mediante diodos. Esto la convierte en una tensión de CC uniforme a lo largo de un banco de condensadores. Luego, el VFD vuelve a convertir la CC en una forma de onda de CA para el motor, a fin de controlar la velocidad, el par y el sentido de giro. La intensidad no lineal la genera la rectificación trifásica de CA a CC. 

Problemas derivados 

Los elevados niveles de distorsión armónica de una instalación pueden generar una gran variedad de problemas. Algunos de los problemas que podemos encontrar son: 

• Los dispositivos suelen presentar fallas prematuras y reducir su vida útil cuando se produce sobrecalentamiento: 
  • de transformadores, cables, interruptores automáticos y fusibles
  • de motores con alimentación directa de la red 
• Molestos disparos de interruptores automáticos y fusibles por el calor acumulado y la carga de armónicos
• Funcionamiento inestable de los generadores de reserva
• Funcionamiento inestable de los dispositivos electrónicos sensibles que requieren un forma de onda sinusoidal pura de CA
• Luces parpadeantes

Estos problemas suelen ser difíciles de identificar como problemas relacionados con los armónicos. Por ejemplo, sabemos que los motores están diseñados para funcionar casi hasta el punto de sobrecalentarse; en condiciones normales de funcionamiento, si colocamos la mano en un motor a plena carga, puede resultar muy incómodo tras uno o dos segundos. Por tanto, ¿cómo puede saber el propietario de un edificio si un motor ha estado funcionando a 10 grados más debido a los armónicos? Es probable que el mismo propietario no sea consciente de que, tras seis años, el motor falla a causa de los armónicos cuando debería haber durado 12. Este es solo un ejemplo de numerosos aspectos económicos ocultos ligados a los armónicos y que abordaremos en el apartado siguiente. 

Este ejemplo se basa en un motor conectado directamente a la red, expuesto, por tanto, a una forma de onda distorsionada. En esencia, los VFD amortiguan los armónicos de la red eléctrica para el motor, por lo que los motores que reciben la alimentación de un VFD no sufren este fenómeno de armónicos de red que dan lugar a fallos prematuros. 

Problemas económicos

Los armónicos tienen un impacto económico durante todas las fases de la vida útil de un edificio. En primer lugar, están los costos iniciales del dimensionamiento de los equipos para tratar los armónicos o de inversión en su mitigación. En segundo lugar, se encuentran los costos diarios añadidos a causa de la ineficiencia del sistema. Por último, están los costos derivados del fallo prematuro de los equipos. 

Un modo de tratar los armónicos consiste en sobredimensionar partes de la infraestructura eléctrica de un edificio. Los transformadores y las dimensiones de los cables se aumentan para tratar el contenido adicional de armónicos y el calor. Los generadores de reserva también se deben sobredimensionar en sistemas con cargas armónicas importantes. El dimensionamiento de los generadores presenta varios aspectos, ya que deben ser capaces de gestionar la intensidad armónica añadida. Además, el regulador de tensión del generador debe ser capaz de manejar la distorsión de tensión sin causar un funcionamiento inestable. 

Un modo de tratar los armónicos consiste en sobredimensionar partes de la infraestructura eléctrica de un edificio. Los transformadores y las dimensiones de los cables se aumentan para tratar el contenido adicional de armónicos y el calor

Una alternativa al sobredimensionamiento de equipos sería invertir en productos que generen menos armónicos. Si utilizamos un VFD, por ejemplo, los de menor precio pueden llegar a consumir 67 por ciento (o más) de intensidad que uno de coste moderado que incluya una reactancia de CC o un reactor de la línea de entrada. La mejor solución se obtiene con las tecnologías capaces de mitigar los armónicos a menos del 5 por ciento. Invertir en soluciones de mitigación armónica constituye una solución alternativa al sobredimensionamiento de la infraestructura eléctrica. 

Los costos diarios por ineficiencias debidas a los armónicos suelen estar ocultos y se pasan por alto. Cuando un transformador o un motor funciona a mayor temperatura, consume energía de manera ineficaz, pues una parte la utiliza para generar calor en lugar de alimentar otras cargas del edificio. El sistema de climatización de los edificios ahora funciona a mayor capacidad, consumiendo así más electricidad al tener que eliminar el calor residual del edificio. Los costos de los equipos averiados no permanecen ocultos; sin embargo, identificarlos y sus costos asociados constituye todo un reto. 

Abordar los armónicos durante la fase de diseño permite reducir los costos de otras partes de la infraestructura eléctrica (es decir, sin sobredimensionamiento). Una vez atajado el problema de los armónicos, se obtiene un mayor ahorro a largo plazo gracias a la eficiencia mejorada y a la mayor duración de los equipos. 

Instalaciones críticas 

Existen sectores que deben prestar suma atención a la calidad de la electricidad (y, por tanto, también a los armónicos), ya que el funcionamiento continuo de sus sistemas de climatización resulta esencial. Hospitales, centros de datos y aeropuertos constituyen los tres principales sectores que suelen considerarse instalaciones críticas. En hospitales y aeropuertos existen equipos que, si fallan, pondrían en riesgo la vida de las personas. Los centros de datos albergan equipos sensibles que almacenan una enorme cantidad de información y se espera que funcionen de forma permanente. Los diseñadores de sistemas deben conocer el efecto de los armónicos en cualquier instalación crítica. 

Factor de potencia 

El factor de potencia es un término que se utiliza en el sector eléctrico, que puede generar confusión al haber tres tipos diferentes: factor de potencia real, factor de potencia de desplazamiento y factor de potencia de distorsión. La ecuación siguiente muestra la relación existente entre estos tipos de factor de potencia. El factor de potencia real tiene en cuenta el factor de potencia de desplazamiento (también conocido como cosφ) y el factor de potencia de distorsión (que depende de la cantidad de intensidad armónica). 

Las tres conclusiones más importantes sobre el factor de potencia para un ingeniero o propietario de un edificio son: 

• Existen servicios que cobran una penalización a los clientes que poseen un factor de potencia deficiente o que ofrecen una reducción en la factura del servicio a clientes que tienen un factor de potencia adecuado
• Incorporar un VFD a un motor mejorará el factor de potencia real 
• Los VFD que generan menos armónicos mejoran el factor de potencia real en comparación con los que tienen mayor impacto de armónicos