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Nuevas normas de medición: Armónicos superiores en la red
La situación de la red de baja tensión ha cambiado mucho en los últimos años.Esto se debe a la llegada de nuevos aparatos -luces, aparatos electrónicos con fuentes de alimentación conmutadas- y a los cambios en los lugares de suministro/generación.
Fuentes de alimentación: muchos pequeños jugadores
En el pasado, se utilizaban sobre todo grandes generadores (máquinas rotativas). Su construcción permitía generar directamente una curva sinusoidal. Su distorsión se debía a imperfecciones técnicas (eléctricas y mecánicas) y era muy pequeña.
En la actualidad, existen grandes cantidades de pequeños generadores no rotativos, que son inversores/convertidores conmutados. Para generar curvas pseudo sinusoidales, se utiliza la modulación por ancho de pulsos (PWM) con filtro de paso bajo. La frecuencia de modulación alcanza varios kHz. Principalmente, la PWM genera gran cantidad de armónicos superiores, que deben filtrarse de la señal final.
Sin embargo, la filtración de estos armónicos conlleva mayores costes financieros, por lo que, en la mayoría de los casos, se tolera. Cuanto mayor sea la potencia generada suministrada, más complicada y costosa será la filtración (bobina y condensador) a utilizar. Posteriormente, esto conlleva un agravamiento de la calidad del suministro eléctrico.
Electrodomésticos – Sin motivo de satisfacción
En el pasado, predominaban los electrodomésticos que funcionaban a base de resistencias (bombillas, calefacción, calderas de agua…). Constaban de reguladores simples, su electrónica se alimentaba de fuentes lineales. Las máquinas rotativas se controlaban mediante reguladores lineales clásicos. Los armónicos aparecían muy raramente y su tamaño era insignificante. Los aparatos también estaban bien compensados en factor de potencia.
Por eso no era necesario que los clientes finales -los hogares- midieran la energía reactiva ni vigilaran la calidad de la energía suministrada. Esta calidad sólo la controlaban los grandes clientes, así como los transformadores de distribución allí donde tenía sentido hacerlo.
La situación actual es muy diferente. Entre las fuentes de luz predominan las lámparas fluorescentes compactas y las bombillas led. Se alimentan de cambiadores conmutados, y con escasa compensación del factor de potencia y ninguna de las perturbaciones.
A veces, la compensación es totalmente inexistente para mantener los precios bajos. Los condensadores se utilizan para limitar la impedancia de las bombillas led. Como resultado, se produce una disminución del consumo de potencia activa en decenas de puntos porcentuales, mientras que la influencia de la potencia reactiva, y de mayor frecuencia, aumenta. Ahorramos en potencia activa, mientras que el factor de potencia se deteriora considerablemente.
Hoy en día, casi todos los electrodomésticos utilizan fuentes de alimentación conmutadas, u otros cambiadores sincronizados controlados/conmutados por paso por cero. Estas fuentes tienen un rendimiento relativamente alto y son de pequeño tamaño, pero si las utilizamos, aparece una gran cantidad de armónicos de corriente superiores (y secundarios, de tensión).
| Consumo (potencia activa) | Potencia aparente | Factor de potencia | |
| Bombilla clásica | 60W | 60VA | 1 |
| Lámpara fluorescente compacta | 12W | 30VA | 0,4 |
| Luz LED | 5W | 10VA | 0,5 |
Cómo (no) miden los E-metros los armónicos superiores
Los e-metros (contadores de energía eléctrica) deben medir toda la energía suministrada/consumida. Es decir, tanto la energía de los armónicos básicos como todos los armónicos que aparecen en la red. Los e-metros electrónicos actuales pueden medir con gran precisión cantidades muy pequeñas de corriente (corriente stand by).
Por otro lado, no miden la energía que contiene armónicos más altos en la red. En esta fase, los instrumentos de medición legales van muy por detrás de la situación real de la red.
La limitación más importante es la frecuencia de muestreo del convertidor analógico digital (adc). Este adc debe ir acompañado (según el teorema de muestreo) de un filtro de paso bajo -filtro antialiasing- que garantice que los armónicos superiores no se acerquen al convertidor.
Hoy en día, la frecuencia de muestreo suele alcanzar 1 kHz, por lo que teóricamente podemos medir armónicos con una frecuencia de hasta 500 Hz (10º armónico). Las frecuencias superiores a 1 kHz (la frecuencia de todos los inversores de potencia) no se miden en absoluto.
La dependencia de la frecuencia de los transformadores de corriente también influye (en menor medida) en los resultados de la medición de la energía de los armónicos superiores. Esta dependencia de la frecuencia se compensa mal en el dominio temporal, mientras que puede compensarse en el dominio de la frecuencia. Además, en las bobinas de dos núcleos (con inmunidad a la corriente continua), la compensación es imposible.
Los e-metros con fuente de alimentación de condensador también influyen en la medición de armónicos más altos. Estos e-metros se calientan y se recalientan si hay armónicos más altos presentes. La alimentación de un e-metro se sobrecarga con armónicos más altos y, como resultado, puede dañarse.
¿Cómo podemos gestionarlo?
Tenemos un par de posibilidades en cuanto al enfoque que elegiremos para resolver el problema de la no medición de los armónicos superiores:
- Podemos dejar este problema sin resolver y comportarnos como si no fuera un problema. ¿Quizás con la esperanza de que la situación mejore más adelante?
- Podemos intentar mejorar la filtración en los suministros. Obligar a los fabricantes de inversores a añadir filtros de calidad, lo que implica cambios en las normas pertinentes relativas a la calidad del suministro eléctrico y la compatibilidad electromagnética.
- Podemos probar a filtrar mejor los aparatos. La situación es la misma que la anterior, y se refiere a la aplicación de otra norma.
- Empezando a medir la influencia del suministro y la carga, y empezando a poner multas si no se mantiene el factor de potencia. Una de las posibilidades es medir realmente toda la energía y medir el factor de potencia (FP). Si el FP está fuera de los límites, los clientes pagarán más.
En cualquier caso, es necesario medir la potencia en un espectro de frecuencias más amplio que el estándar actual (hasta 10 kHz) y controlar la calidad del suministro eléctrico en más puntos de la red.
Conclusión
Hoy en día, cuando el consumo real de los aparatos disminuye, mientras que la potencia reactiva crece y tenemos que añadir energía a frecuencias más altas, los actuales dispositivos de medición certificados se han quedado obsoletos. Hay que cambiar los límites de los errores adicionales y las señales/curvas de prueba.
Las normas actuales permiten errores adicionales de hasta el 6% para la medición de armónicos (armónicos inferiores). No existe ninguna norma para que un e-metro mida armónicos superiores.
Sin embargo, estas normas sobre contadores electrónicos y calidad del suministro eléctrico NO reflejan el hecho de que los suministros de energía y los aparatos han cambiado. Por tanto, ya es hora de sustituir estas normas por otras nuevas.