ARMONICAS (2° parte: corrientes por el neutro)

En una planta industrial tienen un tablero con 20 convertidores monofásicos alimentados desde la red trifásica:

En un principio vino la consulta porque los interruptores duraban muy poco. Sospechando que la cercanía al trafo de distribución significara una corriente de cortocircuito elevada y que no sirvieran los pequeños interruptores din, se fue a medir y se observó que efectivamente estaba muy cerca, siendo recomendable utilizar un interruptor en caja moldeada (16 o 25kA), mas que interruptores din (6kA como mucho) pero además surgió otra sospecha:  quien midiera la corriente para elegir el interruptor, tomó en cuenta el efecto de las armónicas?

Medidas Trms, arrojaron los siguientes valores:

Fase negra:  40Arms

Fase roja:    43Arms

Fase negra:  29Arms

La corriente en el neutro, normalmente en un sistema casi equilibrado debería ser muy baja. Uno hubiera esperado que fuera del orden de los 10A aproximadamente. Moraleja, se puso un interruptor de 63 A para protección del conjunto. Pero…..:

       Mediciones en el neutro arrojaron un valor de 66Arms!!!!!........

Al colocar el osciloscopio con un adaptador de efecto Hall, se observó lo siguiente:

50A/div, aproximadamente 40Arms, 125A de cresta:

y para el neutro:

No muy sorprendente, pero se ve que la frecuencia es de 150Hz, no de 50Hz como hubiera sido de esperar en una red lineal..... Además hay 66Arms y casi 150A de cresta. 

Una señal de 150Hz habla a las claras de la tercera armónica en estado natural... en vivo y en directo.

¿Por qué? 

Si se analizan gráficamente las sumas de las corrientes de las tres fases, se ve que en el neutro no se cancelan como cuando se operan cargas balanceadas con señales sinusoidales puras:

El valor eficaz de la corriente por el neutro en un sistema “equilibrado”, es decir con 3 corrientes iguales con armónicas, se puede calcular en forma aproximada con Ifase * 1.73. Es decir que siempre será superior a la corriente de fase. Si las corrientes de cada fase son diferentes, la corriente del neutro será inferior a este valor. Por ejemplo en el caso particular de dos fases con una corriente de igual magnitud y la tercera sin carga, la corriente del neutro resulta ser 1.41* I fase. Sigue siendo superior a la de fase.

 La solución  a este problema es en principio colocar un interruptor en caja moldeada de 4*80A, o dos de 4*63 en grupos de 10 convertidores,  replantear cálculo de cables y pensar seriamente en colocar reactancias de red en al menos paquetes de convertidores.

Quedaría la impresión que este problema solo afecta a cosas industriales. En las escuelas, ciber, centros de cómputo, oficinas, etc. hay muchas computadoras, conectadas en forma monofásica a una red trifásica. Por ejemplo la corriente en una fase de un laboratorio de informática de una escuela es poco sinusoidal:

En una tienda de venta de electrodomésticos, donde se exhiben televisores, en una casa con muchas lámparas de bajo consumo, en una oficina con muchos balastos electrónicos y computadoras, y en todos los lugares imaginables donde abunden cargas no lineales, se tendrá algún efecto no deseado debido a las armónicas.

Para elegir los calibres de las protecciones se deben realizar mediciones con instrumentos trms (true rms) ya que si solo se mide la componente de la primer armónica (la fundamental) con un instrumento de valor medio, el interruptor elegido quedará chico para la aplicación.

Además se debe medir la corriente en el neutro.