Normalmente, un contador multifunción se compra por el dato de consumo energético. Alguien quiere saber los kilovatios-hora por turno o por línea de producción, y el contador se instala para proporcionar esa cifra. La pantalla de armónicos es la parte que nadie abre durante el primer año. Luego, un terminal de neutro empieza a calentarse o un banco de condensadores comienza a fundir fusibles, y ese mismo contador se convierte en el instrumento más útil del armario.
Nota de alcance: este documento trata sobre la lectura de armónicos en un contador de panel instalado de forma permanente, en redes de distribución de baja y media tensión, hasta el trigésimo primer armónico. No sustituye a un estudio de conformidad realizado con un analizador portátil de calidad de la energía, y no abarca estadísticas sobre interarmónicos, parpadeos ni caídas de tensión. ACXION fabrica los contadores de la serie TS que se comentan aquí, por lo que esta información procede del ámbito de la fabricación y la aplicación, y no de un laboratorio de ensayos.
¿Por qué el neutro puede transportar más corriente que la fase?
En un sistema trifásico equilibrado que alimenta cargas lineales, el neutro apenas transporta corriente. Por eso, los conductores de neutro suelen tener un tamaño menor que los conductores de fase. Las fuentes de alimentación conmutadas cambian esta situación. La corriente que consume la etapa de rectificación no es sinusoidal. El tercer armónico que produce no se cancela en el neutro como lo hace la fundamental. Los armónicos tercero, noveno y decimoquinto se suman en el neutro en lugar de cancelarse.
Hemos medido una corriente en el neutro superior a la corriente en las fases en cuadros que alimentan únicamente iluminación LED y equipos de escritorio. Las lecturas de las fases parecían correctas, muy por debajo de la capacidad nominal del disyuntor, y era el neutro el que se calentaba. En cuatro cuadros que analizamos el año pasado, el neutro estaba más caliente que cualquier fase. En todos los casos, el cuadro se había diseñado partiendo de la hipótesis de que la carga era lineal. Nada en las placas de características lo habría revelado.
Un contador que solo indica la corriente total oculta esta información por completo. Es necesario conocer el contenido armónico en el neutro, o al menos el tercer armónico en las fases, antes de decidir si el conductor neutro tiene el calibre adecuado.
Fíjate en el panorama general, no en un solo porcentaje
La mayoría de los medidores muestran la distorsión armónica total como una sola cifra, y la mayoría de la gente se queda ahí. Es la cifra menos útil de la pantalla. Un 8 % causado por un tercer armónico es un problema distinto al 8 % causado por un undécimo, y la solución no es la misma.
El orden indica el origen. Una quinta y una séptima dominantes apuntan a un rectificador de seis pulsos, lo que en una planta suele significar variadores de velocidad y las unidades de SAI de mayor tamaño. Una tercera dominante apunta a cargas electrónicas monofásicas, y ese es el problema del neutro descrito anteriormente. La undécima y la decimotercera suelen indicar una configuración de doce pulsos o un variador de corriente continua de gran tamaño. La norma IEC 61000-4-7 establece cómo deben agruparse y evaluarse las mediciones de armónicos e interarmónicos en un sistema de suministro. Es la referencia que utilizamos cuando alguien pregunta por qué un contador fijo y un instrumento portátil presentan una diferencia de unas pocas décimas.
Los medidores multifunción TS miden desde el segundo hasta el trigésimo primer armónico. Ese rango abarca lo que es probable que te encuentres en un cuadro eléctrico industrial o comercial. Cualquier valor por encima de ese rango corresponde a una clase diferente de instrumento y a un tipo distinto de investigación.
De dónde proceden los armónicos
Las fuentes son casi siempre las mismas cuatro y, una vez que las conoces, normalmente puedes predecir el espectro antes de medirlo. Los variadores de frecuencia son la mayor fuente individual en la mayoría de las plantas. Las fuentes de alimentación conmutadas de los armarios de control, los racks de PLC y los equipos informáticos aportan un amplio fondo de armónicos de tercer orden que nunca se apaga. Los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) contribuyen en función del diseño de su rectificador. La iluminación LED aporta más de lo que la gente espera en una instalación de gran tamaño, ya que el número de luminarias es elevado, aunque cada una de ellas sea pequeña.
Nada de esto se debe a un fallo del equipo. Las cargas modernas consumen corriente en pulsos y la red de suministro tiene que adaptarse a ello. La cuestión es únicamente si la red de distribución se diseñó para ello, y normalmente no fue así.
La trampa del banco de condensadores
Los condensadores de corrección del factor de potencia son los que convierten un nivel de armónicos manejable en un fallo. Un condensador presenta una baja impedancia a las frecuencias de los armónicos, por lo que el banco absorbe la corriente de armónicos de toda la instalación. Si la inductancia del banco entra en resonancia cerca de un armónico presente, la corriente en esa rama puede elevarse muy por encima de los valores para los que se seleccionaron los fusibles y los contactores. Los fusibles de los condensadores fundidos, las carcasas abombadas y los contactos de los contactores soldados son los síntomas habituales. Se suelen diagnosticar como un problema de calidad de los condensadores.
Nos han llamado para intervenir en dos casos en los que el fallo visible era el banco de condensadores. La causa real fue una modernización de los variadores realizada dieciocho meses antes. El banco se había dimensionado cuando la carga estaba compuesta principalmente por motores, y la corriente armónica de los nuevos variadores encontró el punto de resonancia de inmediato. En ambos casos, los datos del medidor zanjaron la discusión. La corriente del quinto armónico en la rama de los condensadores era varias veces superior a la fundamental.
La solución habitual consiste en colocar un reactor desintonizado en serie con cada etapa. El reactor debe seleccionarse en función del orden armónico que realmente esté presente, y no en función de un valor genérico tomado de un trabajo anterior.
Cifras en las que puedes confiar
La calidad de una lectura armónica depende del transformador de corriente que la alimenta. Los medidores TS admiten un secundario del transformador de corriente (TC) de 1 A o 5 A. La entrada de tensión es de 57,7/100 V o 220/380 V, directamente o a través de un transformador de tensión (TT). Presentan una carga inferior a 0,2 VA tanto en la entrada de corriente como en la de tensión. Esta última cifra es más importante de lo que parece. Si el transformador de corriente es pequeño y el cableado secundario es largo, la carga en el cable puede llevar al núcleo a la saturación. Un núcleo saturado indica armónicos que en realidad no existen.
La corriente y la tensión se miden con una precisión de clase 0,2; la potencia activa y la energía activa, con una precisión de clase 0,5; y la energía reactiva, con una precisión de clase 1. Para el análisis de armónicos, hay que fijarse en la precisión de la tensión y la corriente, ya que el contenido armónico procede de la misma etapa de entrada. El rango de frecuencia es de 45 a 65 Hz, y la sobrecarga continua en la entrada de corriente es de 1,2 veces el valor nominal.
En cuanto a las comunicaciones, los contadores utilizan el protocolo Modbus-RTU a través de RS485 a 2400, 4800, 9600 o 19200 bps, siendo 9600 la velocidad predeterminada. En la práctica, el factor limitante rara vez es la velocidad de transmisión. Es la frecuencia de sondeo del maestro SCADA. Una lectura del espectro realizada una vez por hora no mostrará el pico que se produce cuando se pone en marcha un variador concreto.
Formato del panel y opciones disponibles
El medidor debe ajustarse al espacio disponible y, en una sustitución, ese espacio es el que ocupaba el instrumento anterior. La serie TS está disponible en formatos cuadrados de 48, 72, 80 y 96 mm, además de una versión de 96 por 48 mm. Las dimensiones de los huecos de montaje son de 45 por 45, 68 por 68, 76 por 76 y 91 por 91 mm, y de 91 por 45 mm en la versión ancha. Una unidad de 96 mm dispone de suficiente superficie de pantalla para mostrar un espectro de forma legible. Esto es importante si se espera que el operador lo lea in situ en lugar de a través del bus.
La ampliación opcional incluye una o dos salidas de relé, dos o cuatro entradas digitales y de una a tres salidas analógicas de 4 a 20 mA o de 0 a 20 mA. La opción que necesites dependerá de si el medidor solo proporciona información o también realiza acciones, y no todas las combinaciones son compatibles con todos los tamaños de carcasa. En los medidores de corriente continua de 96 por 48 mm, la opción RS485 y la salida analógica única son mutuamente excluyentes. Esa elección debe realizarse antes de realizar el pedido.
La alimentación es de CA o CC, de 80 a 270 V, con un consumo máximo de 5 VA. El rango de funcionamiento es de -10 a +55 grados Celsius y el límite de altitud es de 2.500 metros. El aislamiento entre la alimentación, las entradas y las salidas es superior a 2 kV CA.
Esta misma plataforma también permite la medición de corriente continua. La tensión de entrada de corriente continua directa alcanza los 1000 V, y la corriente se obtiene a partir de una derivación de 75 mV o de un sensor Hall, con una clase de precisión 0,5. Esa es la versión que necesitan las placas solares y de telecomunicaciones. Se trata de una familia de modelos independiente, y no de una opción de los medidores de corriente alterna.
Lo que preguntamos antes de dar un presupuesto por un contador
Somos el fabricante, por lo que es lógico decir que vendemos estos productos y que las indicaciones lo reflejan. Lo que necesitamos de usted no es una orden de compra, sino la tensión del sistema, la relación del transformador de corriente (TC) y la potencia nominal del secundario ya instaladas, así como si la tensión es directa o pasa por un transformador de tensión (TT). Además, la clase de precisión que realmente necesita, qué salidas de expansión requiere y cómo se recopilarán las lecturas.
Los contadores de esta gama se fabrican bajo pedido a partir del catálogo y su precio se calcula en función de la configuración. Las matrices de modelos, los códigos de ampliación, los esquemas de cableado y las dimensiones de recorte figuran en el catálogo de la serie TS, disponible en nuestra centro de descargas. Si esa misma instalación también necesita protección, consulta nuestras indicaciones sobre cómo elegir un Relé de protección ACX6300 Aplica una capa que cubra ese lado del panel.
Lo que no se trata en este artículo
Las estadísticas sobre interarmónicos, fluctuaciones de tensión, caídas y picos de tensión, así como los informes de cumplimiento de la tarifa de la compañía eléctrica, quedan fuera del ámbito de actuación de un contador de panel. Si la cuestión es si una instalación cumple los límites de armónicos establecidos por el operador de la red, se necesita un analizador portátil durante un periodo de estudio. La norma IEEE 519 es la referencia habitual para determinar cuáles deben ser esos límites. Un contador instalado de forma permanente te indica lo que ocurre un martes por la tarde. Por sí solo, no te indica cuál será la valoración de la empresa eléctrica al respecto.
Las especificaciones que aquí se indican proceden del catálogo actual. Comprueba el código del modelo y la combinación de ampliaciones que figuran en la confirmación del pedido, y toma como referencia definitiva el esquema de cableado suministrado con el dispositivo.