Respuesta de un filtro de RED, frente a las principales frecuencias armónicas que se producen al conectar cargas no lineales a la red eléctrica. Análisis del funcionamiento de un filtro de RED y medidas de su respuesta en frecuencias utilizando métodos muy sencillos.
Armónicos en la RED eléctrica
Los armónicos en la corriente se propagan por las redes eléctricas y crean distorsiones en la forma de onda de tensión, senoidal de origen, modificando las impedancias de las líneas, y pudiendo provocar el mal funcionamiento de algunos equipos eléctricos.
Las corrientes armónicas son componentes de la corriente eléctrica, descompuesta en la serie de Fourier. Los armónicos tienen una frecuencia que es múltiplo de la frecuencia fundamental, múltiplos de 50 ó 60 Hz en las redes eléctricas. El número múltiplo (n) de la frecuencia fundamental, determina el rango de la componente armónica. Por ejemplo, el tercer armónico de una red eléctrica de 50 Hz será 50 x 3 = 150 Hz.
Los armónicos se clasifican según su amplitud, indicada en % con respecto a la fundamental, y su paridad par o impar. Los armónicos de rango par no tienen relevancia en los entornos industriales, porque se anulan gracias a la simetría de la señal alterna. En líneas trifásicas, las corrientes de armónicos de rango 3 y sus múltiplos están en fase (ver imagen anterior) y se suman de forma vectorial en el hilo del neutro, pudiendo provocar un excesivo calentamiento en dicho conductor.
Filtros de red
En la mayoría de los dispositivos modernos que van conectados a la red eléctrica, lo primero que se encuentra después del cable de alimentación es un filtro de red. Los filtros de red son filtros ‘paso-bajo’, y normalmente son circuitos pasivos compuestos por una serie de bobinas y condensadores.
Un filtro de red podría ir alojado dentro del propio conector de alimentación, intercalado entre el cable y la alimentación al equipo (electrodomésticos), o formando parte de la propia fuente de alimentación del equipo (fuentes conmutadas).
El objetivo principal de un filtro de red, es la de minimizar el nivel de radiaciones electromagnéticas (EMI) producidas por los equipos. La mayoría de las fuentes de alimentación conmutadas que incorporan los dispositivos modernos, incorporan un filtro de red en su entrada.
¿Se eliminan los armónicos con un filtro de red?
Es posible que esta pregunta te la hayas hecho alguna vez, porque los fabricantes no lo dejan muy claro, ni muestran la respuesta en frecuencias de un filtro de red. Para salir de dudas, he realizado estas medidas de respuesta en frecuencia, utilizando un equipamiento muy simple. El equipo de medida es un osciloscopio o polímetro, y el generador de frecuencias un teléfono móvil… convertido en un generador de señales de audio, mediante la instalación de una APP.
Te adelanto que el filtro de red que medí no filtra ni atenúa las señales armónicas. Puedes ver todo el proceso de medida y los resultados en el siguiente video:
Posibles causas del salto de un disyuntor diferencial cuando no estamos en casa. Detalles del funcionamiento de un disyuntor diferencial, monofásico y trifásico, comprobando su correcto funcionamiento. Sobretensión en una instalación trifásica cuando falla el neutro, y modo de proteger la instalación mediante un circuito de protección casero. Detalles de funcionamiento del módulo de control MT53RA, montado en un diferencial trifásico de 40A. Modos de funcionamiento de un diferencial rearmable, y comprobación del ciclo completo con sus tiempos de rearme.
Sistemas de protección eléctrica
En los cuadros de distribución eléctrica se instalan dos sistemas de protección:
Magnetotérmico: destinado a la protección de la propia instalación eléctrica y los equipos conectados.
Diferencial: destinado a la protección de personas frente a posibles descargas eléctricas.
Magnetotérmico
El interruptor magnetotérmico es un dispositivo diseñado para proteger tanto la instalación eléctrica como los aparatos conectados a ella. Los magnetotérmicos incluyen dos sistemas de protección:
Protección Magnética – respuesta rápida frente a cortocircuitos: Consiste en una bobina colocada en serie con la corriente que circula a través del interruptor/disyuntor. Esta protección se activa cuando circula una intensidad de corriente entre 5 y 10 veces superior a la nominal. Este margen evita que se dispare la protección durante la fase de arranque de algunos dispositivos de potencia (principalmente motores).
Protección Térmica – respuesta lenta frente a sobrecargas: Consiste en una lámina bimetálica, la cuál se curvará en mayor o menor medida en función de la cantidad de corriente que circule por ella, provocando así un disparo de respuesta lenta. El sistema de protección térmica se dispara cuando se sobrepasa la corriente nominal durante un tiempo, protegiendo así la instalación eléctrica por sobrecarga.
Diferencial
El interruptor diferencial tiene como misión evitar que una persona que toque un conductor de la instalación se pueda quedar electrocutada, al circular una intensidad de corriente peligrosa (>30 mA) a través de su cuerpo a tierra. En instalaciones de tipo industrial, cuando los equipos conectados no son manipulados por personas, la protección diferencial se instala para proteger los equipos frente a posibles averías, al circular la corriente a tierra cuando existe alguna derivación eléctrica (normalmente por humedad excesiva o inundación). En estos casos, la corriente de disparo por derivación puede superar los 30mA, y se suelen utilizar diferenciales de mayor corriente (normalmente 300 mA).
El interruptor diferencial se conecta al inicio de la instalación, con el fin de proteger a las personas cuando manipulan en el cuadro eléctrico (conectar o desconectar algún magnetotérmico). Un interruptor diferencial mide la corriente que entra y sale del circuito, para así determinar si entra y sale la misma intensidad. Esta medida se realiza con un pequeño transformador de corriente, compuesto por un anillo de ferrita, el cuál traduce en tensión la diferencia de flujo magnético que lo atraviesa, entre el hilo de Fase y Neutro (ver imagen anterior). Si existe una diferencia de corriente entre ambos hilos (Fase-Neutro) superior a la nominal (>30 mA), la tensión inducida en el bobinado secundario provoca el disparo del mecanismo que mantiene conectados los contactos entre la entrada y salida del diferencial.
El interruptor diferencial dispone de un pulsador Test, con el fin de comprobar su correcto funcionamiento. El pulsador conecta una pequeña carga entre el hilo de salida de la Fase y el de entrada del Neutro. Cuando se pulsa el botón, la corriente que circula por la resistencia (>30 mA) pasa a través del anillo toroidal en un solo sentido y se provoca el disparo del diferencial.
¿Por qué se dispara el diferencial de forma aleatoria?
La normativa actual obliga a los fabricantes de electrodomésticos a que sus equipos no inyecten ruidos radioeléctricos ni armónicos en la red. Por este motivo, todos los equipos modernos incorporan a su entrada un filtro de red. Este filtro pasivo de tipo ‘paso bajo‘ elimina cualquier interferencia o frecuencia armónica que pudiera producir el electrodoméstico. Los filtros de red eliminan estas señales mediante condensadores colocados entre ambos polos de la salida del filtro y tierra (ver imagen siguiente).
Dichos condensadores provocan al mismo tiempo una pequeña corriente de derivación a tierra, cada vez que conectamos un electrodoméstico en la instalación… y todas estas corrientes se suman creando una corriente residual y permanente en la instalación (<30 mA). El problema es cuando a la entrada del cuadro eléctrico no llega una señal pura, sinusoidal a 50/60 Hz y libre de armónicos. En estos casos, como los condensadores de los filtros de red permanecen conectados aunque los electrodomésticos estén sin funcionar, se produce un incremento en la corriente diferencial que circula a través del cuadro eléctrico… y se provoca el disparo del interruptor diferencial.
En un cuadro de distribución trifásico existe un riesgo añadido, y es el de sobretensión en caso de que falle la conexión del cable de Neutro. Si no existe una conexión del Neutro entre el centro de transformación (compañía eléctrica) y la instalación, se provoca un desequilibrio en las tensiones de las 3 fases (ver imagen siguiente).
Si las cargas entre fases no son idénticas, la tensión en cada fase cambiará en función de su carga. La fase que esté más cargada tendrá una tensión más baja de lo normal, y en la fase menos cargada subirá la tensión. Si esto sucede, lo normal es que los equipos conectados a la fase menos cargada empiecen a quemarse por sobretensión. Si los equipos averiados acaban por desconectarse de la red (rotura de fusibles o cables de conexión), la carga en dicha fase será todavía menor y como consecuencia aumentará la tensión en dicha fase… provocando una reacción en cadena hasta que se queme el último equipo conectado.
Aunque existen módulos de protección contra sobretensión para instalar en los cuadros eléctricos, como no tenía espacio libre, decidí fabricar una protección de tipo ‘casero’ para proteger los equipos frente a un posible fallo del Neutro.
Este sistema de protección consiste en provocar una corriente diferencial alta en la instalación, en caso de que la tensión en alguna de las fases supere los 270V. Se instala un circuito idéntico por fase. Cuando la tensión de entrada en alguna de las fases supera la tensión del varistor (250V) la corriente alterna rectificada por el diodo y condensador llega al relé de 24 VDC, provocando el cierre de sus contactos. La conexión entre Fase y tierra de la resistencia de 4K7 provoca una corriente diferencial >30 mA, se dispara el interruptor diferencial y se corta el suministro eléctrico.
Tipos de interruptor diferencial
Un interruptor diferencial puede ser monofásico (2 polos) o trifásico (4 polos), para una intensidad de corriente máxima determinada (25A, 40A, etc.) y para una corriente de disparo diferencial fija o variable. Los diferenciales de uso doméstico, pensados para la protección de personas, son de 30 mA. Aparte de estos parámetros básicos, existen diferentes ‘Clases’ dependiendo del tipo de respuesta y funcionamiento. Para uso doméstico, normalmente se utilizan las siguientes clases:
Clase AC: sólo detecta las fugas de corriente alterna, y son los que normalmente se instalan en las viviendas.
Clase A o inmunizado: incluyen la detección de corriente continua pulsante, y están pensados para evitar los saltos intempestivos más frecuentes.
Clase A «si» o superinmunizado: es un diferencial del tipo A mejorado. Evita las desconexiones intempestivas por corrientes de alta frecuencia y saltos intempestivos debidos a elementos externos a la instalación que protege.
El diferencial Clase A «si» o superinmunizado, aunque no está contemplado en la Reglamentación Electrotécnica de Baja Tensión (REBT) es la solución cuando se producen disparos frecuentes del diferencial sin motivo aparente. El único problema es que suelen incorporar como protección contra sobretensión varistores… y si se avería alguno, te tocará cambiar el diferencial completo. Teniendo en cuenta que existen módulos externos para proteger la línea contra sobretensión con filtros de RF, los cuáles se pueden intercalar a la entrada del diferencial, un diferencial de Clase A podría ser la mejor elección. En caso de que su protección no fuera suficiente, siempre se podrían montar protecciones y filtros externos… sin tener que comprar un diferencial nuevo.
Interruptor diferencial rearmable
Cuando se dispara la protección diferencial, en la mayoría de los casos se soluciona el problema con una simple reconexión manual, ya que no se trata de una fuga permanente. Si esto sucede cuando estamos de vacaciones, la falta de suministro eléctrico se puede convertir en un gran problema: los alimentos se estropean en el frigorífico, las plantas se secan por falta de riego, el sistema de alarma no funciona, etc. Un diferencial rearmable garantiza la continuidad del suministro eléctrico, evitando pérdidas económicas.
Módulo de reconexión MT53RA
El módulo de reconexión MT53RA es un módulo independiente del diferencial, y podría controlar un magnetotérmico o un diferencial, monofásico o trifásico, siempre que pueda acoplarse el mando del disyuntor con su leva de actuación.
El módulo MT53RA tiene que alimentarse desde la entrada del disyuntor a controlar, ya que necesita estar alimentado cuando se dispara la protección. Este módulo puede controlarse a distancia mediante 2 pulsadores, permitiendo la conexión o desconexión cuando está en modo Automático. Cuando se actúa en algún pulsador, se deshabilita el rearme automático. Para volver a modo Automático, es necesario pasar a modo Manual y volver a modo Automático (Reset).
El MT53RA puede funcionar en modo Manual o Automático, y dispone de una tercera posición de bloqueo, que permite bloquear el mando para que no se pueda accionar de forma involuntaria. En esta posición, por la parte inferior del mando aparece un orificio para bloquer el mando con un candado o brida, y evitar riesgos cuando se están efectuando trabajos eléctricos en la instalación.
En mi caso, como ya tenía montada la protección ‘casera’ contra sobretensión y no salta el diferencial con demasiada frecuencia, he optado por montar un interruptor diferencial de Clase A rearmable. De esta manera no tendré que preocuparme cuando salte el diferencial sin estar en casa, porque se rearmará solo… y en caso de avería (3 rearmes consecutivos en menos de 6 minutos) se desconectará de forma permanente protegiendo la instalación.
