SAIs y Rectificadores

La presencia de armónicos en los centros de datos

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LapresenciaAEl incremento del uso de los equipos electrónicos ha sido un fenómeno característico de los últimos años, tal como indica el aumento de aplicaciones de pequeña potencia, como alumbrado con balastos electrónicos, ordenadores personales, servidores y equipos de comunicaciones, hasta aplicaciones de gran, potencia como los variadores de velocidad y sistemas de refrigeración de salas técnicas.

También los equipos generadores de energía, como los grandes rectificadores de corriente continua, los sistemas de alimentación ininterrumpida y los grupos electrógenos, han supuesto una gran diversificación de los equipos diseñados para las necesidades actuales.

Al mismo tiempo, las empresas han incrementado su dependencia de estos equipos electrónicos, cada vez más sofisticados y, en ocasiones, más vulnerables a las alimentaciones de baja calidad, causadas en buena parte por la presencia de armónicos en la red de distribución eléctrica, principalmente generados en nuestra propia instalación.
Pero todas estas cargas anteriormente descritas, se concentran y multiplican de manera particular en los centros de datos, que reciben un nombre diferente en función de sus dimensiones.
Las instalaciones compuestas entre uno y cinco racks se denominan salas técnicas o salas de datos; los centros de datos pequeños son aquellos que tienen entre cinco y veinte racks; los medianos, de veinte a cien, y los grandes centros de datos son los que tienen más de cien racks.
Para tener una mejor perspectiva de lo que puede ocurrir en un centro de datos, debemos de analizar el esquema unifilar de la instalación de la Figura 1.

 


Podemos comprobar que las cargas electrónicas generadoras de armónicos de corriente se sitúan generalmente aguas abajo de la instalación; al final de la línea, estos armónicos circulan siempre hacia la fuente que genera la tensión de alimentación.
La consecuencia de estos armónicos de corriente es la contaminación de las fuentes de tensión, comenzando por la más próxima, que suele ser el sistema de alimentación ininterrumpida; aguas arriba se encuentra el transformador de Media Tensión/Baja Tensión (MT/BT) y el grupo electrógeno de emergencia. También sufrirán estas corrientes cuando se pongan en funcionamiento, soportando las cargas generales no críticas, los sistemas de alimentación ininterrumpida, el alumbrado, las cargas de refrigeración y el resto de servicios del edificio, como ascensores, control de accesos, seguridad, vigilancia, etc.
Estos equipos generadores de corrientes armónicas presentan, como una de sus características fundamentales, el deterioro de la calidad de la tensión que circula por las redes de alimentación. Cuanto peor es la calidad de la tensión, mayor es la contaminación, lo que incrementa la tasa de distorsión global de corriente (THDI).
Estas cargas distorsionan de manera importante la tensión generada por el centro de transformación MT/BT, pudiendo llegar a un umbral en el cual puede no ser aceptable esa calidad para determinados equipos o fuentes de alimentación. La norma IEEE-519-1992 indica que el umbral de la distorsión global de tensión ha de estar por debajo del 5% y la tasa individual de armónico de mayor amplitud ha de situarse por debajo del 3%.


Lapresencia1Esta norma es específica para los equipos electrónicos por su sensibilidad a la distorsión de la onda de alimentación. Las consecuencias de una distorsión excesiva son las averías irregulares, los fallos prematuros y el envejecimiento acelerado, lo que perjudica las perspectivas de vida media de los productos que estiman los propios fabricantes de los equipos, que basan siempre este cálculo en una alimentación de buena calidad.
Las instalaciones están diseñadas generalmente para el modo de funcionamiento normal sobre el centro de transformación. En ocasiones, no se tiene suficientemente en cuenta el correcto dimensionamiento del grupo electrógeno o en la evolución propia de la instalación, se puede quedar fuera de los parámetros tolerables ante cualquier ampliación o remodelación del centro de datos.
Para apreciar la sobredimensión que hay que realizar al instalar un grupo de emergencia, analicemos la Tabla I, que muestra la potencia de grupo necesaria en función de si utilizamos un rectificador PFC o con corrección electrónica de los armónicos THM, un rectificador con filtro antiarmónicos clásico FAH o un rectificador estándar.
Un SAI con rectificador estándar de tiristores necesita un grupo electrógeno del doble de la potencia del SAI, si se filtran armónicos (FAH) hay que sobredimensionar un 160% y si al rectificador se le realiza una compensación activa de los armónicos (THM) o se emplea un rectificador de transistores IGBT del tipo PFC (corrección del factor de potencia), ante su pequeña distorsión es suficiente sobredimensionar un 118%.
No hace falta realizar grandes números para entender que, una vez controlados los armónicos, el grupo electrógeno puede ser de menor potencia con el consiguiente ahorro en la compra inicial, en el mantenimiento y en el consumo de combustible en modo operativo.


¿Qué son los armónicos?
Introducción
Es problemático tener que diseñar una instalación sabiendo que va a alimentar un ambiente rico en cargas no lineales o deformantes, con alta presencia de receptores monofásicos, lo que va a generar múltiples problemas.
Una carga lineal es aquella cuya forma de consumir es senoidal, como la tensión de la cual se alimenta, y una carga no lineal o deformante es la que su forma de onda de corriente no tiene nada que ver con la de tensión.
En la gráfica de la Figura 2 se representa una forma de onda clásica de una fuente de alimentación conmutada monofásica (la de un PC). Es posible descomponerla en su fundamental y en el resto de las corrientes armónicas múltiplos de la fundamental que la componen, siendo todas ellas sinusoidales.


Lapresencia2Gracias a esta descomposición, podremos conocer el rango cada armónico y su amplitud para poder utilizar esta información en la búsqueda de la solución más apropiada.
Existen diversas soluciones electrotécnicas que no resuelven la presencia de armónicos en la instalación ni tampoco el verdadero problema que causan, la calidad de tensión.
Si la instalación lo permite, se pueden confinar los armónicos tercero y noveno en una zona determinada con la utilización de un transformador de aislamiento galvánico específico para este cometido, evitando que circulen aguas arriba y aliviando, de esta forma, el conductor de neutro, para tener controlados esos armónicos en una zona restringida.
También se puede utilizar un filtro sintonizado a la frecuencia que se desea eliminar; para ello, se realiza la medición pertinente y se diseña el filtro adecuado al armónico que se desea eliminar. A este tipo de filtros se les denomina filtros pasivos. La plena eficacia se obtiene a potencia nominal; por debajo de este valor, su eficacia disminuye de forma importante.


LapresenciatablaSe puede usar una inductancia serie cuya misión no es la de eliminar los armónicos sino la de atenuarlos, pudiendo alcanzar una atenuación próxima al 50% de la tasa de distorsión global de corriente. Esta aplicación se utiliza principalmente con rectificadores y variadores de velocidad. Como en el caso anterior, su eficacia disminuye en función del nivel de carga.
Para contribuir a solucionar de una forma contundente y definitiva los problemas generados por los armónicos, existen en el mercado desde hace más de cinco años unos equipos denominados compensadores activos de armónicos.


Como depolucionar: compensación activa de armónicos
El compensador activo de armónicos analiza cada una de las fases de manera permanente, teniendo en cuenta la forma de la corriente de carga (Ich). De este análisis, se extrae el espectro armónico, que está constituido por la suma de la intensidad fundamental y la de todos y cada uno de los armónicos.
El compensador genera una señal de corriente que es igual a la diferencia entre la corriente de carga y la intensidad fundamental. Esta diferencia, que es la suma de las corrientes armónicas desfasada 180º, se inyecta a la carga de tal manera que la resultante será una corriente senoidal igual a la intensidad fundamental de la fuente.
El compensador se intercala en paralelo entre la fuente y la carga, teniendo que dimensionarse exclusivamente para las corrientes armónicas y no para la corriente total.


LapresenciaBPara asegurar una alta fiabilidad y obtener un buen rendimiento del sistema, se utilizan transistores IGBT en la etapa de potencia.
El compensador activo de armónicos analiza cada una de las fases de manera permanente, teniendo en cuenta la forma de corriente de la carga (I. carga), extrayendo de ella el espectro armónico, generando una señal igual a la forma de corriente de la carga sin tener en cuenta la componente fundamental y ciñéndose únicamente a los armónicos presentes en la instalación (IH. armónicos).
Contribuye asimismo a disminuir la distorsión de tensión THDU aguas arriba, lo que se traduce en una forma de onda senoidal que permitirá alimentar los equipos electrónicos sensibles, con una tensión de calidad sin distorsión.
La corrección de la distorsión armónica permite reducir hasta un 30% la potencia aparente de la instalación, teniendo en cuenta que cuanto mayor sea la tasa de distorsión armónica global que haya que depurar, mayor será el éxito del compensador activo de armónicos.
Además la potencia sobrante no utilizada para reducir los armónicos puede dedicarse a mejorar el cos j, disminuyendo así la potencia reactiva consumida por la instalación.


Conclusiones
En instalaciones como los centros de datos, no podemos esperar a que aparezcan los problemas, sino que hemos de anticiparnos a ellos.
En primer lugar, hemos de tomar el pulso de la instalación y realizar una auditoría eléctrica completa de ésta, partiendo del esquema unifilar, para saber cómo están instaladas las cargas más contaminantes, cuáles son, que función tienen, cuál es la distorsión de corriente en cada punto y la distorsión de la tensión para determinar la calidad.
Estos análisis se deben repetir cada año para analizar las tendencias de la instalación y saber en que momento hay que realizar algún cambio, mejora o actuación para mitigar los efectos.
Las auditorías van a permitir mejorar muchos aspectos vitales de la instalación, no solamente la amenaza de los armónicos.

Autor: Ángel Pérez, Director Técnico de APC by Schneider Electric

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