Ejecución de AF y ACS Hotel | Solución para ACS

Casos de estudio 5 de junio de 2024

ACLARACIONES INICIALES

En este articulo se trata de dar una visión de las perturbaciones que aparecen en las
instalaciones eléctricas provocadas por armónicos.
Se utiliza Documentación Técnica y Gráficos de libre difusión en internet,
indicando siempre su procedencia.
Se adjunta bibliografía complementaria que permite ampliar conocimientos de los
conceptos aquí especificados.

ARMÓNICOS

Los armónicos son distorsiones que se producen en los receptores eléctricos, que
absorbiendo corriente senoidal y debido a su propio funcionamiento, generan cargas no
lineales.

Las cargas no lineales, dan lugar a la aparición de frecuencias muy superiores a la
fundamental (50 periodos por segundo en Europa) (60 p.p.s. América)

La presencia de armónicos en los circuitos eléctricos no es nueva, si bien hace algún
tiempo aparecían en procesos industriales como pueden ser los hornos de inducción, de
arco, Soldadoras, Convertidores de Potencia, etc.

Es con el desarrollo de la electrónica es cuando cada día aparecen en mayor medida
en las instalaciones hoteleras (Variadores de velocidad, Ordenadores, Televisores,
Impresoras, Iluminación, Equipos de Telecomunicaciones, Microondas, Grupos de
Continuidad, Carga de vehículos, etc. etc.).

En las nuevas Instrucciones Técnicas Complementarias del Reglamento de Baja
Tensión, (como es el caso de la recarga de vehículos eléctricos), se hace alusión a la
corrección de armónicos:

ITC-BT-52
INSTALACIONES CON FINES ESPECIALES. INFRAESTRUCTURA PARA
LA RECARGA DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS
En instalaciones para la recarga de vehículo eléctrico, que reúnan más de 5
estaciones de recarga, por ejemplo en estaciones dedicadas específicamente a la
recarga del vehículo eléctrico, el proyectista estudiará la necesidad de instalar
filtros de corrección de armónicos, con el objeto de garantizar que se mantiene la
distorsión armónica de la tensión según los límites característicos de la tensión
suministrada por las redes generales de distribución, para que otros usuarios que
estén conectados en el mismo punto de la red no se vean perjudicados.

Armónicos frecuentes en instalaciones hoteleras.

Las instalaciones hoteleras pertenecen al sector terciario.

https://cisar.es/manual-tecnico-cisar/

En el cuadro se observa que los receptores utilizados provocan distorsiones que generan armónicos de orden 3, 5 y 7.

Frecuencias armónicas

Los armónicos provocan una elevación de las frecuencias.

Se ha incluido una grafica para la frecuencia que se utiliza en Europa (50 p.p.s.)

En el caso de América, que la frecuencia es de 60 p.p.s.

Para un armónico de orden n en América, la frecuencia sería

n * 60

Ejemplo.

Un armónico de orden 5 en América

Frecuencia = 5*60 = 300 p.p.s.

https://cisar.es/manual-tecnico-cisar/

Detección de armónicos.

Los armónicos se pueden detectar de una forma inicial en base a los comportamientos de la instalación.

Si se producen disparos intempestivos de las protecciones, sobre todo en diferenciales.
Si los conductores se calientan mas de lo normal.
Si se producen ruidos excesivos en los transformadores de potencia.
Disminución de la potencia de generadores y transformadores
Deterioros en condensadores.
Sobrecargas en el conductor neutro
Vibraciones en cuadros eléctricos

La detección de armónicos requiere que se realicen mediciones en la red, para la que no son válidos los analizadores de redes convencionales.

Existen analizadores digitales, basados en la ultima tecnología, que son los que los detectan.

Conocidos los armónicos, se diseñan las actuaciones.

Tasa de distorsión armónica

Una vez realizada las medidas se determina la tasa de distorsión armónica.

Existen dos tasas de distorsión armónica, la de corriente y la de tensión.

La distorsión armónica de corriente se genera en el propio receptor.

La distorsión armónica de tensión se genera como resultado de una corriente muy distorsionada y afecta a la red.

Si la tensión está distorsionada, la distorsión armónica de la intensidad se incrementa.

https://cisar.es/manual-tecnico-cisar/

La tasa de distorsión armónica se calcula por la formula:

Ejemplo de calculo de distorsión armónica

https://cisar.es/manual-tecnico-cisar/

Se desarrollan los cálculos para los valores indicados en la tabla.

El calculo de la reducción de corriente eficaz se calcula mediante la formula:

La corriente eficaz es un 25% superior a la fundamental

Otra forma de llegar a este valor es dividir directamente la corriente eficaz considerando los armónicos y la corriente fundamental que es la que tendría la instalación sin armónicos.

Un aspecto muy importante al analizar la tasa de distorsión armónica, es si afecta a un circuito o a la totalidad de la instalación.

En el caso del ejemplo la tasa de distorsión armónica es muy elevada (74,51%) debido a que se analiza un solo circuito, sin embargo puede resultar irrelevante en el computo de la instalación general.

Ejemplo:

Supongamos que el receptor analizado, es el único componente armónico de una instalación donde la intensidad eficaz es de 147 A.

En ese caso

Se observa que en la derivación al receptor que contiene el armónico, la tasa de distorsión armónica del circuito es del 74,51%.

Se observa igualmente que considerando toda la instalación, si solo existe ese armónico, la tasa de distorsión armónica es 1,84%.

Por otra parte el incremento de la intensidad que ese armónico provoca es:

Si solo se considera su circuito el incremento es el 25%
En el global de la instalación 0,017%, que es insignificante.

Este valor no tiene prácticamente ninguna incidencia sobre la instalación.

Si tiene incidencia sobre el circuito donde se sitúa el receptor, en el que puede provocar por ejemplo, el disparo de diferenciales.

Una tasa de distorsión armónica en el conjunto de la instalación menor del 10% en intensidad y menor del 5% en tensión, se considera aceptable, aunque como se indica en el párrafo anterior deba ser tenida en cuenta para circuitos o receptores específicos.

https://library.e.abb.com/public/897462d590876b5fc125791a003bd1e0/1TXA007107G0701_CT8.pdf

Efectos provocados por los armónicos

https://cisar.es/manual-tecnico-cisar/

Condensadores

En condensadores cuando se incrementa la frecuencia, disminuye su impedancia, y por tanto se incrementa la intensidad.

La corriente eficaz puede superar el 30% de la nominal.

No solo se producen perdidas, sino que también reduce su vida útil.

Hay que evitar que se produzcan resonancias que afectaría a su vida útil con riesgo de destrucción.

Sobrecalentamientos por efecto Pelicular, Kelvin o SKin

En un conductor de corriente continua, la intensidad ocupa la sección del conductor de forma uniforme.

En corriente alterna sin embargo no es así, sino que la sección del conductor no se aprovecha totalmente, debido a la tendencia que tiene la corriente a circular mas cerca del perímetro, que del centro del conductor.

A medida que se incrementa la frecuencia por la aparición de armónicos, se incrementa el efecto pelicular, lo que en la practica supone que el total de la intensidad circula por una sección menor que la del propio conductor.

El efecto pelicular provoca perdidas adicionales, que incrementan la temperatura del conductor y las perdidas por efecto Joule.

Sobrecargas

Al igual que ocurre en los circuitos inductivos, la presencia de armónicos provoca un incremento en la intensidad superior al que requiere el receptor, que se ve agravada por el efecto pelicular. Por tanto en las redes se producen perdidas por efecto Joule.

Sobrecargas en la red por incremento de la intensidad.
Aumento de las perdidas en transformadores.
Sobrecargas en el conductor neutro.
Sobrecargas debido al deterioro de los motores.

Reducción de potencia en generadores y transformadores

Al igual que los circuitos inductivos la presencia de armónicos limita la potencia que aportan.

Debido a la distorsión armónica, los generadores y transformadores tienen que aportar a la red una mayor intensidad de la necesaria, reduciendo la potencia disponible.

Ocurre en:

Transformadores

Generadores.

SAIS (Servicios de alimentación ininterrumpida.

Resonancia en las redes

Es un fenómeno perturbador importante que se produce cuando la reactancia inductiva y la reactancia capacitiva se igualan.

Este hecho se produce a una frecuencia denominada frecuencia de resonancia, que acaba provocando graves perturbaciones a la instalación sobre todo a los condensadores.

Para evitar que se produzca, es conveniente colocar un filtro pasivo que iguale la frecuencia de resonancia.

Envejecimiento prematuro de equipos

Los armónicos crean problemas en los receptores y muy especialmente en las baterías de condensadores.

Disparo de diferenciales

A pesar de estar correctamente ejecutada la instalación y sin fugas, como consecuencia de los armónicos se producen disparos intempestivos.

Efectos en motores y generadores

https://www.salicru.com/files/pagina/72/278/jn004a00_whitepaper-armonics_.pdf

Corrección de circuitos armónicos

Se realiza mediante filtros de armónicos.

Su misión es detectarlos y anular su efecto aguas arriba de la red.

Si se desea eliminar un solo armónico se puede instalar un filtro pasivo, que resulta adecuado para anular la frecuencia de resonancia.

https://library.e.abb.com/public/897462d590876b5fc125791a003bd1e0/1TXA007107G0701_CT8.pdf

Si se desean eliminar varias frecuencias de armónicos es preciso instalar filtros activos.

A diferencia del filtro pasivo dispone de tecnología electrónica que detecta los armónicos que provoca el receptor, produciendo corrientes contrarias que lo eliminan.

https://library.e.abb.com/public/897462d590876b5fc125791a003bd1e0/1TXA007107G0701_CT8.pdf

Entre el generador de armónicos y el filtro, la corriente que circula es la distorsionada provocada por el receptor.

En el filtro se contrarrestan los armónicos.

Desde el filtro al transformador la onda es senoidal.

Desconexión de diferenciales

En el sistema TT, que es el que se utiliza en España, se instalan diferenciales para la protección de personas e instalaciones.

Es muy frecuente que en instalaciones perfectamente ejecutadas en las que se conectan cargas no lineales que desconecten los diferenciales.

Una de las causas principales de estas desconexiones son las corrientes armónicas.

Para evitar problemas de desconexión en estos circuitos se deben instalar diferenciales superinmunizados de construcción especial que tienen un coste mas elevado que los diferenciales convencionales.

Si la instalación dispone de filtros activos y el diferencial se coloca antes del filtro no requiere que sea superinmunizado debido a que la onda entre el filtro y el origen es senoidal.

conclusiones

Los armónicos aparecen cada vez en mayor medida en las instalaciones hoteleras.

Las técnicas de optimización energética traen nuevos dispositivos electrónicos que sustituyen a los convencionales, dotados de componentes electrónicos.

Aparecen nuevas perturbaciones en las redes eléctricas que son poco conocidas por los técnicos de mantenimiento, que provocan perturbaciones y requieren ser analizadas y corregidas.

Aparece la picaresca y llegan ofrecimientos que basándose en el poco conocimiento sobre perturbaciones armónicas, ofrecen tecnologías totalmente ciertas, aunque distorsionando la realidad para obtener réditos económicos.

En cualquier instalación existente, solo se pueden tomar decisiones después de medir. A partir de ahí realizar un Estudio y en base a el tomar las decisiones mas convenientes.