Influencia de cargas no lineales en transformadores de distribución

Introducción

En los últimos años hemos asistido a un interés creciente sobre los efectos de las cargas no lineales en los sistemas eléctricos de potencia. Las cargas no lineales son todas aquellas que generan corrientes no sinusoidales, es decir, corrientes que además de la componente fundamental tienen otras que son múltiplos enteros de la fundamental y que se conocen como armónicos. Este tipo de cargas ha existido en los sistemas eléctricos desde el principio, principalmente eran de tipo magnético, como las corrientes de excitación de los transformadores y los balastos magnéticos de luminarias tipo fluorescente. Su influencia era escasa. La aparición de la electrónica ha mejorado mucho las propiedades de los productos pero ha traído consigo, entre otros problemas, la generación de armónicos. Los fabricantes de variadores de frecuencia de motores de inducción explican como estos equipos mejoran la eficiencia de las máquinas permitiendo variar la velocidad de funcionamiento según las necesidades de la aplicación, pero advierten que éstos producen armónicos de orden 5, 7, 11 y 13.

Los balastos electrónicos también se presentan como una importante mejora,  tanto para la eficiencia como para la vida útil del equipo. Sólo tienen el pequeño problema del aumento en contenido de armónicos.

Equipos como hornos de arco, cargadores de baterías, y SAIs, son también productores de armónicos.

Pero los mayores causantes de problemas son grupos de pequeñas cargas electrónicas monofásicas, como ordenadores, impresoras, fotocopiadoras,  faxes, etc., conectadas entre fase y neutro generalmente en un sistema triángulo-estrella 380/220.

Problemas de los armónicos.

Se observó, que a medida que aumentaban las cargas electrónicas, los transformadores funcionaban con ruidos y un calentamiento excesivo, e incluso que se quemaban al cabo de uno o dos años. Algunos se preguntaban: ¿Quizás los fabricantes de transformadores habían abaratado costes introduciendo materiales de baja calidad?. No. Los transformadores eran los mismos, la causa estaba en los armónicos. Otros problemas producidos por los mismos:

• Condensadores.- De todos es conocido que en el sistema disponemos de baterías de condensadores utilizadas para compensar individualmente el factor de potencia de la carga y que los receptores son predominantemente inductivos, más aun si consideramos la parte de las propias líneas de distribución. Cuando la reactancia inductiva y capacitiva se igualan a una de las frecuencias de las corrientes armónicas (típicamente 5, 7, 11 y 13 o próximas a ellas) entran en resonancia paralelo pudiendo alcanzarse amplitudes de hasta 16 veces el valor de la armónica inicial. Esto crea fatiga dieléctrica, térmica y mecánica y estropea los dispositivos de protección de otros equipos del sistema. Además estas corrientes armónicas disminuyen notablemente el factor de potencia de la instalación y no es válida la compensación simplemente añadiendo condensadores.

• Conductores.- Incluso sin resonancia, las corrientes armónicas producen pérdidas en las líneas. Los conductores experimentan un calentamiento superior al habitual por efecto Joule debido a que el efecto piel se agrava al aumentar la frecuencia. La solución es aumentar la sección de los conductores. Sin embargo, el sobredimensionamiento de los conductores de fase no es necesario si éstos han sido bien calculados. El conductor neutro es una notable excepción ya que en el se suman los armónicos “triplen” (6n-3) de secuencia cero (3º, 9º, 15º, 21º..). ver figura Nº 1. Estas corrientes pueden crear caídas de tensión importantes a lo largo del neutro, lo que conlleva diferencias de potencial considerables entre éste y el conductor de protección que provocan errores de funcionamiento en los receptores. En sistemas trifásicos de cuatro hilos que alimentan cargas no lineales conectadas entre fase y neutro, cuando el sistema esté equilibrado, estas elevadas corrientes de neutro no activan las protecciones.

• Transformadores. Los armónicos influyen fundamentalmente sobre los transformadores de distribución reductores (típicamente triángulo-estrella 380/220 V) en los que el mayor porcentaje de cargas sean equipos electrónicos monofásicos, conectados entre línea y neutro. Las corrientes armónicas del neutro se reflejan en el triángulo, por donde circulan elevando la densidad de flujo en el núcleo. También, las corrientes de Foucault, proporcionales a la frecuencia, aumentan considerablemente.

• Aparatos de medida. A todos estos problemas se une el que los aparatos de medida habituales determinan el valor eficaz midiendo el valor máximo de la onda y dividiéndolo por el factor de cresta ( 2 ), o miden el valor medio y lo multiplican por el factor de forma (1,11) para ondas sinusoidales. Al dejar de ser la onda sinusoidal pura, la medida de los aparatos es errónea.

Límites de distorsión armónica.

Se limitan, para una distribución de energía eléctrica normal, los valores admisibles del contenido de armónicos. Las normas de vigente aplicación son:

• UNE 21248/6-1996. El contenido de armónicos H en porcentaje (equivalente al TDH-F definido en la literatura anglosajona), se define según su apartado 2 como:

Donde:

I1 es la componente fundamental de la corriente (de frecuencia 50 Hz)
In es el armónico enésimo de la corriente.
N es el máximo orden de armónico a considerar. La norma no especifica este número. Algunos fabricantes consideran hasta el armónico 15, otros hasta el 25 e incluso hay quienes toman hasta el 50.

Los valores admisibles para el contenido de armónicos total y de orden par de la corriente de carga se limitan al 5% y 10% respectivamente.

• CEI 555. La norma indica como límites los valores de la tabla.

• IEEE 519 (revisada).

Límites de corrientes armónicas en punto de acoplamiento común.

I_SC = corriente de cortocircuito disponible en el punto de acoplamiento común.
I_L = máxima corriente fundamental demandada.
TDD = Distorsión total de demanda.

Desclasificación de transformadores. El factor K.

Por todo esto debido a que en países como EEUU, Canadá y Europa, se pensó en cuantificar el calentamiento producido en los transformadores cuando se presentan armónicos. En esta situación el transformador no debe funcionar a su potencia nominal y debe o cambiarse por otro de mayor potencia o disminuirse la carga. El transformador se “desclasifica” asociándole una potencia equivalente.

La potencia equivalente de un transformador es la correspondiente a la sinusoidal que provoque las mismas pérdidas que las producidas con la corriente no sinusoidal aplicada. Esta potencia equivalente es igual a la potencia basada en el valor eficaz de la corriente no sinusoidal multiplicada por el factor “K”.

Este factor “K” se define como aquel valor numérico que representa los posibles efectos de calentamiento de una carga no lineal sobre el transformador. Inicialmente se consideró llamar a este número “C”, de constante, pero se temió que hubiese confusión con la unidad grado centígrado y se optó por utilizar la letra “K”.

La potencia asignada del transformador que se use debe ser igual o mayor que la potencia equivalente En el caso en que un transformador en servicio se desee cargar posteriormente con corrientes armónicas un factor reductor de 1/K debe ser aplicado a la potencia asignada. La figura nº 2 muestra la desclasificación de la capacidad de carga de un transformador en función del factor K de la carga.

El factor K, según la norma UNE, se obtiene por la siguiente fórmula:

Donde:
e –pérdidas por corrientes de Foucault debidas a la corriente sinusoidal a la frecuencia fundamental, divididas por las pérdidas debidas a una corriente continua igual al valor eficaz de la corriente sinusoidal, ambas a la temperatura de referencia. Este valor lo proporciona el fabricante del transformador y suele valer 0,3.
n – orden del armónico
I – valor eficaz de la corriente sinusoidal y, en el otro caso, la de la corriente no sinusoidal, conteniendo todos los armónicos.
In – es la corriente del enésimo armónico (amplitud o valor eficaz).
I1 – es la corriente fundamental (amplitud o valor eficaz).
q – es una constante exponencial que depende de los arrollamientos y de la frecuencia. Pueden usarse los siguientes valores:

• 1,7 para transformadores con conductores redondos o rectangulares en los arrollamientos de baja y alta tensión
• 1,5  para transformadores con conductores de lámina en baja tensión.

A veces distintas distribuciones de carga llevan a idénticos factores K. Existen en el mercado analizadores de armónicos que proporcionan tanto la distorsión armónica como el factor K.

En la tabla 1 se muestra el cálculo de la K de una carga conociendo su contenido en armónicos.

La tabla 2 muestra el resultado de las mediciones hechas en un centro típico de cálculo cuando la conexión de la fuente de alimentación de los ordenadores se conecta entre línea y neutro, entre dos líneas y considerando el conjunto de cargas.

Este factor K varía en las instalaciones dependiendo si se ha tomado de día con un nivel de carga próximo al 100% o por la noche donde tan sólo suelen existir cargas de iluminación. Además las industrias tienen ciclos estaciónales, provocando gran variación en la demanda. Aún es más complejo prever el contenido de armónicos en el caso de nueva instalación. En general la desclasificación es más frecuente en el caso de instalaciones existentes El diseño del transformador deberá realizarse para el peor caso registrado.

La Norma ANSI/IEEE C57.110-1996 nos proporciona una guía para la desclasificación en función del factor K de la carga y de las pérdidas de dispersión proporcionadas por el fabricante del transformador, parte que la norma no considera. Como puede verse en la figura nº 3, este método es muy conservador aún comparándolo con el indicado por UL (Underwriter laboratories) que más adelante se detalla.

FACTOR DE DESCLASIFICACIÓN DE TRANSFORMADORES. ANSI K de la carga = 13

Este método de sobredimensionar el transformador tiene varios inconvenientes:

• La placa de características, habitualmente no se cambia. La próxima persona que lo visite no sabe que ha sido desclasificado y puede considerar que está trabajando muy por debajo de los valores nominales e incrementar de nuevo la potencia nominal hasta el valor indicado en placa.
• Los transformadores suponen la mayor parte de la impedancia de un circuito de distribución y su reactancia puede suponer una oposición considerable a la circulación de los armónicos de mayor frecuencia. Sobredimensionarlo supone reducir su impedancia y, por tanto, los armónicos circulan más fácilmente. Además, se eleva la intensidad de cortocircuito hasta valores que no permiten que la protección primaria saque la unidad fuera de la línea en caso de fallo.

Por el contrario, un neutro subdimensionado, como ya se ha comentado, puede producir elevadas caídas de tensión y considerables diferencias de potencial respecto de tierra no aconsejables para cargas críticas. Es deseable mantener la impedancia del transformador lo menor posible, pero suficientemente grande para que no ocurra lo anterior. Es decir, buscar una situación de compromiso.

• Los transformadores desclasificados requieren mayor sección de conductores, mayor calibre en las protecciones y costos adicionales.

Entre otros, los Laboratorios Underwriters (UL) han reconocido los posibles riesgos en la seguridad asociados al uso de transformadores estándares sobredimensionados.

Transformadores de factor K

Aparecen entonces los transformadores de “factor K” para evitar los anteriores inconvenientes. Presentan algunas peculiaridades constructivas respecto de los convencionales.

• Sobredimensionamiento de los conductores primarios para soportar las corrientes de circulación reflejadas de los armónicos “triplen”
• Las secciones del neutro y sus conexiones se dimensionan para una corriente doble de la de línea.
• El núcleo está diseñado para una menor densidad de flujo. Se emplea menor cantidad de material, pero de mejor calidad, por ejemplo acero magnético M6.
• Las pérdidas por corrientes de Foucault en los conductores de los transformadores se pueden reducir empleando varios conductores paralelos aislados entre sí. A veces se utilizan conductores de tipo fleje y otras técnicas de interpolación y transposición de conductores.
• Tienen una capacidad térmica especial.

En Estados Unidos la asignación de K a un transformador lo realiza Underwriter Laboratories, no el fabricante.

El criterio UL1561 para establecer la clasificación es el siguiente: Inicialmente se prueba al transformador con una corriente sinusoidal de 60Hz para determinar las pérdidas en los devanados y en el núcleo. Del total de las pérdidas en los arrollamientos se restan las debidas al I2R, calculadas a 60Hz, y de este modo se deducen las pérdidas de dispersión que se consideran fundamentalmente producidas por corrientes de Foucault. Si el transformador es adecuado para un factor K determinado, las pérdidas por dispersión se multiplican por ese factor K y se suman a las debidas al efecto Joule a 60Hz. Si la elevación de la temperatura media en los devanados no supera la nominal el transformador es marcado (ver figura nº 4) como válido para trabajar con cualquier carga no linear de ese o menor factor K.

Los valores de K para transformadores catalogados por U.L. son: 1, 4, 9, 13, 20, 30 y 40.

Muchos diseñadores e ingenieros de aplicaciones comparten el punto de vista de que el criterio empleado por U.L. no representa con precisión el calentamiento en los transformadores. Proponen, para ciertos transformadores que por cuestiones de diseño tienen una capacidad térmica especial, prescindir del factor K por sus posibles desajustes, y solo indicar la elevación de temperatura entre los 115 y 80 ºC. Esto es especialmente indicado para aquellos construidos con materiales de 220ºC de aislamiento que pueden soportar sin riesgo puntos calientes y aumentos en la temperatura de los devanados de hasta 150ºC.

El factor K de las cargas

Habitualmente los transformadores se desclasifican o se eligen con un factor K correspondiente a la media ponderada del factor K de los distintos receptores. Dicho valor suele valer entre 14 y 20. La práctica ha demostrado que al medir la K de varias ramas en paralelo el valor total de K se reduce considerablemente. En una oficina se midió el factor K de la instalación variando el número de ordenadores conectados en varias configuraciones de carga. Un solo ordenador con monitor tiene una K de 13,9. AL conectar 26 ordenadores iguales, conectados en 4 ramas dan un valor de K del conjunto de 4,6. Esto se debe a la cancelación de armónicos entre sí, especialmente los de elevadas frecuencias por los ángulos de desfase que hay entre ellos.

Determinar un factor K de los receptores realista es importante, porque, si no aparecen problemas similares a los conocidos por sobredimensionar el transformador.

Aunque algunos comerciales aconsejen transformadores de factor K20 e incluso 30 en aplicaciones de oficina, los valores más recomendables después de experiencias en las que se mide el verdadero valor eficaz son de K13 para baja tensión y de K 9 ó 4 para media tensión. Un transformador con una K superior a la necesaria sólo beneficia al vendedor.

Evitando los armónicos

Como en cualquier problema la mejor solución para evitar un efecto no es mitigarlo, sino eliminar la causa que lo produce. En nuestro caso, eliminar los armónicos de la red.

Normas como las ya citadas limitan el contenido de armónicos que una carga puede introducir a la red.

Actualmente los sistemas más empleados son:

• Filtros pasivos, los más populares, construidos basados en condensadores e inductancias ajustados para bloquear o absorber determinados armónicos. Las aplicaciones en que son empleados deben estudiarse con cuidado para asegurar su compatibilidad con el resto del sistema. Pueden llegar a ser excesivamente voluminosos y crear efectos indeseables como transitorios y resonancias. La figura nº 5 muestra una configuración típica.

• Los filtros activos, con sofisticados sistemas electrónicos empiezan a hacer su aparición en el mercado. Son costosos y delicados. No gozan de una total aceptación.
• Algunos tipos de conexión de transformadores, descritos a continuación.

En los transformadores triángulo–estrella (figura nº 6) las corrientes “triplen” se suman en el conductor neutro. En el primario, los “triplen” de las cargas desequilibradas salen por los conductores y los de las cargas equilibradas quedan atrapados en los bobinados del triángulo. Aunque esto podría utilizarse para eliminar los “triplen” equilibrados, solo es válido en determinadas aplicaciones por los problemas que genera la recirculación por el triángulo de dichas corrientes.

Los transformadores con secundario en zig-zag están formados por seis devanados iguales, dos por fase. Esta disposición desvía los “triplen” del neutro a los conductores de fase. Ver figura nº 7.

En los últimos años se construyen transformadores de múltiples salidas.

El transformador de doble salida (ver figura nº 8) se construye con dos devanados secundarios desfasados entre sí 30º grados. El primario conectado en triángulo, como ya sabemos, bloquea los “triplen” de cargas equilibradas. Los secundarios compensan sobre todo los armónicos de orden 5,7,11,19.

La otra posible configuración son los de cuádruple salida (figura nº 9) en la que los devanados están desfasados entre sí 15º grados. El primario como siempre bloque los “triplen” y el secundario los de orden 5, 7, 11, 13, 17, 19, 29 y 31.

Para que sea máxima la atenuación de estos armónicos, las cargas no lineales conectadas en cada salida deben ser idénticas. Por ello en estas aplicaciones se suele monitorizar las salidas de los distintos circuitos. No es recomendable, por ejemplo, un transformador de doble estrella cargado con tres armarios de salida porque las medidas no reflejan si los secundarios están equilibrados.

La tabla hace una comparación entre la distorsión introducida por una disposición típica de ordenadores en dos cuadros, cuatro líneas y la que aparece en el primario cuando se utilizan transformadores de múltiples salidas.

CONCLUSIONES

• Cuanto mayor sea el número de experimentos y medidas de verdadero valor eficaz estaremos en mejor posición para indicar cual es el factor K de la carga y así elegir el transformador y la configuración más apropiada.
• La única norma UNE que existe sobre el tema sólo trata le desclasificación y el criterio es aún más estricto que los americanos.
• Hasta el día en que las corrientes armónicas disminuyan, los transformadores de distribución de factor K jugarán un papel muy importante.