Análisis de problemas que generan los armónicos y los desbalances de voltaje en equipos modernos de aire acondicionado y refrigeración.
por Ing. Willian Morales*
Es importante notar que la profesión de frigorista en general podemos entender que es una persona o empresa que se dedica al campo del conocimiento HVAC/R.
El frigorista ve cada día más complicado el poder dedicarse con éxito a dicha profesión, es decir si anteriormente debía tener conocimiento cabal de la termodinámica, de la mecánica de fluidos, de la psicrometría para tener un buen sustento teórico para el buen desempeño de su profesión, y este conocimiento teórico lo debía acompañar con un vasto conocimiento práctico del funcionamiento del sistema frigorífico para poder diagnosticar las fallas más comunes, así mismo tener práctica en conocimientos de albañilería, de electricidad, de drenajes, de soldadura y de electrónica.
Hoy en día, por el motivo de que las maquinas modernas deben ser más eficientes en su consumo de energía eléctrica bien sea por razones ecológicas y/o comerciales, dicho conocimiento del frigorista se ve más incrementado con la aplicación de variadores, compresores inverter, componentes computacionales inmersos en los circuitos electrónicos que gobiernan los sistemas modernos de todo tipo de maquina aplicada al HVAC/R, incluyendo la expansión directa simple, la expansión directa de los sistemas VRF, así como los chillers que ya cuentan con compresores y ventiladores que son capaces de variar su velocidad de giro en función de la carga térmica.
Esto nos lleva a tomar nota de cómo debemos alimentar los equipos eléctricamente, analizar la potencia para estos equipos nuevos que se ven alterados fácilmente por los armónicos y los desbalances de voltaje, es decir tenemos que estudiar con un analizador de armónicos cómo está llegando la electricidad sinusoidal a nuestros equipos, para tratar de eliminar los efectos nocivos de los armónicos y de los desbalances de voltaje con medidas preventivas, con el fin de minimizar estos efectos y así poder lograr que se cumpla la vida útil esperada de los equipos modernos de aire acondicionado y refrigeración, debiendo aumentar aún más nuestro bagaje de conocimientos para ser un verdadero frigorista de HVAC/R.
En el Perú se cuenta en muchos lugares con suministro de potencia eléctrica en 380 voltios con neutro, es decir 4 cables, esto se realiza para tener 220 voltios entre cualquier fase y el neutro, si la demanda de cargas eléctricas tienen muchas cargas eléctricas no lineales, se pueden encontrar corrientes de secuencia armónica positiva, negativa y cero; si la distribución es de 380 voltios trifásica con tres hilos, solo se encontrarán corrientes de secuencia armónica positiva y negativa.
Figura 1. Onda fundamental con armónicos de 3° y 5° grados
Las corrientes armónicas que fluyen en el circuito de una red a través de las impedancias originan una deformación en la onda sinusoidal fundamental, originando una desviación anormal de las fuentes de suministro, causando probables fallas prematuras en los equipos, dispositivos electrónicos, contactores y protecciones térmicas de los motores eléctricos.
Figura 2.
Forma de onda de una carga lineal -
Forma de onda no lineal
Esto se conoce como una baja calidad del suministro eléctrico. Este fenómeno origina costosas averías en máquinas que a simple vista están “normales”, pero a pesar de una revisión técnica el problema sigue allí latente, originado que los transformadores de potencia que aparentemente se encuentren bien se sobrecarguen, que los conductores neutros que se encuentran en circuitos perfectamente balanceados empiezan a recalentarse, que las protecciones térmicas de motores eléctricos y los circuitos electrónicos de sistemas modernos de aire acondicionado fallen inexplicablemente. Es el momento de analizar sus cargas eléctricas y especialmente los circuitos eléctricos no lineales, como son las tarjetas electrónicas de potencia que usan mucho ahora los sistemas de aire acondicionado VRF. Es el momento de verificar la “Calidad de la Energía” que está recibiendo y originando dentro de su edificio o planta industrial, para luego encontrar como minimizar el efecto de los armónicos.
Problemas típicos que originan los armónicos
Por la brevedad del presente artículo no podemos extendernos mucho más, aunque es necesario, por la presencia de muchas cargas no lineales en la vida moderna, enumerar los principales problemas y sus soluciones:
1.- Sobrecalentamiento y vibración en motores eléctricos de inducción: dichos motores, al ser alimentados por una fuente de energía totalmente sinusoidal, no genera armónicos, en caso de ser alimentados por una energía de baja calidad el motor eléctrico puede presentar una falla eventual originándose calentamiento excesivo en los bobinados y en el estator a consecuencia de las corrientes de Foucault anormales, y en presencia de armónicos negativos de alta frecuencia como son el 5° y el 11° crean un campo magnético y un giro opuesto al campo magnético del motor originando vibraciones mecánicas al interactuar dichos armónicos con el campo magnético fundamental.
La solución es utilizar dos circuitos eléctricos, uno para las fuentes generadoras de armónicos como son las computadoras y los variadores de velocidad y otro para las cargas de motores eléctricos de inducción; se recomienda que la distorsión total armónica de la tensión debe limitarse a una cantidad menos al 5% del voltaje de línea.
Figura 3. Compresores inverter
2.- Sobrecalentamiento de los conductores y oscilaciones en los interruptores automáticos de circuitos eléctricos: las corrientes armónicas tienden a incrementar la corriente eficaz de la corriente total que circula en toda la línea, aumentando las pérdidas y originado calentamientos excesivos y el efecto piel que se ve incrementado en las altas frecuencias de los armónicos, los interruptores magnéticos como los Relay térmicos que protegen a los motores eléctricos que reaccionan ante sobrecargas eléctricas del motor, ahora se ven confundidos y actual en su afán de proteger el motor, así mismo existen muchas protecciones en los equipos de aire acondicionado que son protegidos con transformadores de medida pequeños donde su secundario es una sola espira que capta el amperaje del compresor para protegerlo de una sobrecarga, podría actuar originando una alarma en el equipo de aire acondicionado.
En este caso se recomienda utilizar cable de mayor sección que los recomendados por el fabricante para su acometida, además de colocar pequeños filtros de armónicos en la entrada de potencia.
Figura 4.
Placa de control inverter
3.- Sobrecalentamiento de los conductores neutros, ante esta inusual falla aun habiendo dimensionado bien el cable neutro, este se ve afectado por los eventuales incrementos de carga que originan los armónicos. Se recomienda dimensionar el cable neutro de mayor sección como anticipándose a una posible formación de armónicos en la línea eléctrica, para así evitar su sobrecarga y que se produzca el efecto piel en el cable. Como sabemos, las corrientes eléctricas viajan por los conductores a través de su superficie exterior en mayor cantidad (ver figura 5).
Figura 5.
4.- Sobrecarga en condensadores de corrección del factor de potencia: en este caso, como el valor de la reactancia es inversamente proporcional a la frecuencia, las corrientes armónicas de mayor frecuencia circulan con más facilidad por donde hay menor impedancia, en vez de dirigirse a los transformadores de distribución, siendo la consecuencia de que los condensadores se sobrecarguen y se calienten debido a las corrientes armónicas; el problema se agrava si entran en resonancia los condensadores y las inductancias de distribución, por lo que la corriente armónica puede alcanzar un pico muy alto sobrecargando los condensadores y quemando los fusibles.
Debe evitarse las corrientes de resonancia mediante la colocación de inductancias en serie con los condensadores que impidan que se formen ondas resonantes (ver figura 6).
Figura 6.
5.- Sobrecarga de los transformadores de distribución: las corrientes armónicas afectan negativamente a los transformadores de distribución que alimentan cargas no lineales, la onda distorsionada origina calentamientos excesivos en los bobinados, así mismo se incrementan las pérdidas en el núcleo metálico del transformador debido a las corrientes parásitas de Foucault. Ante esta situación es mejor hacer trabajar al transformador por debajo de su carga máxima, así se evitan fallos, pero se estaría bajando la capacidad del transformador.
También se pueden instalar reactores de línea en serie con los conductores alimentadores de cargas no lineales, de modo que estos alisen la onda resultante de la suma de la onda fundamental y de los armónicos.
6.- Instalar filtros de armónicos: en ocasiones, el cambiar los cables por unos de mayor sección se hace muy difícil; se pueden instalar filtros de armónicos para retener o minimizar las corrientes armónicas en el cableado, las características de los filtros armónicos deben ser analizadas por un especilista de acuerdo a cada situación.
Figura 7. Filtros de armónicos.
Desbalance de voltaje
En todo sistema eléctrico realizado para cualquier edificio o fábrica, por la razón misma de la utilización de la energía eléctrica en distintas funciones que pueden ser de iluminación, alimentación de motores eléctricos de inducción, circuitos lineales y no lineales como de las computadoras, variadores, etc., tendremos cargas monofásicas, trifásicas, etc. Aun a pesar de que inicialmente el sistema eléctrico puede estar balanceado, la distribución de la potencia eléctrica es muy diversa y difícil de balancear, especialmente las cargas monofásicas en la red trifásica que son las que causan los desbalances.
El resultado es la aparición de componentes de corrientes de secuencia inversa y homopolar que dan como resultado pérdidas adicionales de potencia y energía, calentamiento adicional de las maquinas eléctricas limitándose la capacidad de carga máxima, reducción de la capacidad de carga de los conductores de la distribución de potencia eléctrica, en los motores eléctricos asíncronos de inducción con conexión delta o estrella sin neutro, el desbalance provocará corrientes de secuencia negativa, generando campos magnéticos opuestos al campo magnético fundamental causando vibraciones y el equivalente de un freno eléctrico.
Este campo eléctrico que se opone al campo fundamental origina calentamiento en los bobinados, reducción de la potencia nominal del motor, con pérdidas de potencia activa en el motor, algo semejante ocurre con el torque que se ve reducido por el motivo de los campos magnéticos opuestos de secuencia negativa.
Los análisis de este fenómeno muy común en la ciudad demuestran que si el desbalance es menos al 2% del valor del voltaje nominal, la maquina no se ve muy afectada, pero si se supera a un valor mayor el motor deberá ser sometido a un régimen de “derating”.
Podemos poner algunas normas de países como ejemplos prácticos:
Estados Unidos: ANSI C84.1 Anexo 1, y NEMA MG1, para desbalances mayores al 1% deberá aplicarse el derating a los motores eléctricos.
Brasil: se aplica como desbalance máximo el 2%.
Alemania: de acuerdo a la VDEW de 1992 el nivel de compatibilidad es del 2%.
* Ingeniero Willian Morales Quipe. Mecánico Electricista UNI - CIP N° 93846. Gerente General RETER EIRL - PERÚ. Puede ser contactado al correo: [email protected]
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