Una carga se considera no lineal si su impedancia cambia con el voltaje aplicado. La impedancia cambiante significa que la corriente consumida por la carga no lineal no será sinusoidal incluso cuando esté conectada a un voltaje sinusoidal.
Estas corrientes no senoidales contienen corrientes armónicas que interactúan con la impedancia del sistema de distribución de energía para crear una distorsión de voltaje que puede afectar tanto al equipo del sistema de distribución como a las cargas conectadas a él.
En el pasado, las cargas no lineales se encontraban principalmente en aplicaciones industriales pesadas, como hornos de arco, grandes unidades de frecuencia variable (VFD), rectificadores pesados para refinación electrolítica, etc. Los armónicos que generaban generalmente eran localizados y a menudo abordados por expertos.
Los tiempos han cambiado. Los problemas de armónicos ahora son comunes no solo en aplicaciones industriales sino también en edificios comerciales. Esto se debe principalmente a las nuevas tecnologías de conversión de energía, como la fuente de alimentación conmutada (SMPS), que se puede encontrar en prácticamente todos los dispositivos electrónicos de alimentación (computadoras, servidores, monitores, impresoras, fotocopiadoras, sistemas de telecomunicaciones, equipos de transmisión, máquinas bancarias, etc.).
El SMPS es una excelente fuente de alimentación, pero también es una carga altamente no lineal. Su proliferación los ha convertido en una parte sustancial de la carga total en la mayoría de los edificios comerciales.
En la Figura 1 se muestran ejemplos de la corriente de varios tipos de equipos. La forma más común de corriente distorsionada es una forma de onda de pulso con un alto factor de cresta.
El SMPS es una de esas cargas, ya que consiste en un puente rectificador de 2 pulsos (para convertir CA en DC) y un condensador de filtro en su bus de DC. El SMPS extrae corriente en pulsos cortos de alta amplitud que ocurren justo en los picos positivo y negativo del voltaje.
Por lo general, estos pulsos de alta corriente provocarán el recorte o la superación plana de la tensión de alimentación de 120 VAC. La forma de onda de corriente de «doble joroba» del rectificador de 6 pulsos en un SAI (UPS) o un VFD también causará el recorte o la cobertura plana del sistema de distribución de 480V o 600V.
Cargas no lineales en la NEC:
Los ingenieros eléctricos, inspectores y contratistas, y el Código Eléctrico Nacional (NEC), se han ocupado de cargas no lineales durante muchos años.
El problema surgió a fines de la década de 1970 y principios de la década de 1980 con el uso cada vez mayor de dispositivos de estado sólido principalmente en la industria.
La electrónica, como las computadoras, la iluminación con balasto electrónico y magnético y las unidades de accionamiento de velocidad ajustable (Variadores de velocidad), son responsables de la mayoría de las cargas no lineales. Sin embargo, el efecto de las cargas no lineales en el sistema eléctrico no se reconoció hasta la última parte de la década de 1980 cuando varios artículos técnicos advirtieron que las cargas no lineales estaban afectando la cantidad de corriente en el conductor neutro. Los estudios fueron realizados por las partes interesadas y se presentaron propuestas y comentarios al NEC de 1993.
La definición para cargas no lineales según la NEC es la siguiente: «Una carga donde la forma de onda de la corriente de estado estable no sigue la forma de onda del voltaje aplicado». Esta definición no ha cambiado desde su inclusión en el NEC de 1996.
Luego se estudiaron datos sobre aproximadamente 2,100 edificios de oficinas suministrados por consultores de datos y diseño, fabricantes de equipos eléctricos, la Agencia de Protección Ambiental y laboratorios de prueba.
Se encontró una falla relacionada con el neutro en los 2,100 edificios y, luego de una investigación adicional, se determino que la falla se debió a un mal empalme de cable en el momento de la fabricación de este. Sin embargo se continuo investigando los efectos de los armónicos causados por cargas no lineales en los conductores neutros para alimentadores y circuitos ramales, transformadores, equipos eléctricos, como tableros, motores y unidades de accionamiento de velocidad ajustable, y el posible aumento del tamaño del conductor neutro tanto en cargas lineales como en cargas no lineales.
De lo anterior se insertaron varias notas de letra pequeña (FPN) que tratan con advertencias no obligatorias sobre cargas no lineales en todo el NEC, y se insertaron dos nuevas secciones obligatorias o permisivas en el propio NEC. Veamos los FPN, ahora llamadas notas informativas, y los dos cambios obligatorios insertados en el NEC.
Artículos y notas insertadas en la NEC para cargas no lineales:
La Sección 210.4 (A), Nota informativa n. ° 1 (estaba en 210-4, FPN en el NEC de 1996), que cubre las corrientes armónicas altas de circuitos ramales para varios cables, y que aún establece lo siguiente: “A 3 fases, 4 hilos, wye- el sistema de alimentación conectado utilizado para suministrar energía a cargas no lineales puede requerir que el diseño del sistema de alimentación permita la posibilidad de altas corrientes armónicas en el conductor neutro ”.
El mismo FPN se insertó en el articulo 220-22 en el NEC de 1996 y se reubicó en 220.61 ( C) en el 2005 NEC donde esta sección cubre el tamaño del conductor neutro y la aplicación de reducciones prohibidas en el tamaño de este conductor.
Esta advertencia sobre altas corrientes armónicas en el neutro sigue siendo necesaria para cualquier persona que dimensione un conductor de neutro. Finalmente, se agregó un FPN a 450.3 en 1996 que todavía está en la misma ubicación y dice: “Nota informativa No. 2: Las cargas no lineales pueden aumentar el calor en un transformador sin operar su dispositivo de protección contra sobrecorriente «. Los requisitos obligatorios o permisivos se insertaron en 310.15 (B) (5) (c) que establece:» En un circuito en estrella de 4 hilos y 3 fases donde la mayor parte de la carga consiste en cargas no lineales, las corrientes armónicas están presentes en el conductor neutro; por lo tanto, el conductor neutro se considerará un conductor que transporta corriente ”.
También se agregó una excepción con FPN a 310-4 que trata con conductores paralelos en 1996. Ahora se encuentra en 310.10 (H) como una excepción y nota informativa de la siguiente manera: «Excepción No. 2: bajo supervisión de ingeniería, se permitirá instalar en paralelo 2 conductores neutros AWG y 1 AWG para instalaciones existentes.
La industria eléctrica todavía está lidiando con cargas no lineales, armónicos y el efecto en el sistema eléctrico. Aunque ha habido pocos cambios entre las ediciones NEC de 1996 y 2017, estos problemas siguen siendo tan importantes como siempre.
Un problema recurrente, es la falla de transformadores de distribución por cargas no lineales, siendo la causa aparente la sobrecarga. Este problema es resuelto temporalmente por aumento de la capacidad del transformador, lo cual no es una solución definitiva.
De lo anterior se hace necesario, dar seguimiento a la norma para especificar transformadores de distribución, que manejen los porcentajes de cargas no lineales.