Artículos Técnicos

¿Qué son los armónicos y como nos afectan?

Autor: Frank Piolet, jefe de producto gama medida y gestión de energía Empresa Socomec.

armonicos

 

Con la instalación masiva de equipos a base de electrónica de potencia (ordenadores, variadores de velocidad, onduladores…), la mayoría de los usuarios se enfrenta a la presencia de armónicos en las redes de distribución eléctrica. Este artículo le ayudará a comprender mejor la causa de determinadas averías y el modo de cómo evitarlas.

Toda red eléctrica está comprendida por una determinada cantidad de cargas. Cuando la corriente que atraviesa una carga tiene la misma forma que la tensión, esta cargase denomina lineal; por contra, cuando la forma de la corriente no se corresponde con la forma de la tensión, la carga se denomina no lineal (véanse las figuras 1 y 2)

 

carga lineal

 

carga no lineal

 

Lo que provoca la deformidad de la señal, es la presencia de armónicos.

 

Pero ¿qué son los armónicos?

 

Las corrientes armónicas son los componentes similares de una corriente eléctrica periódica descompuesta en la serie de Fourier. Los armónicos tienen una frecuencia que es múltiplo (2, 3, 4, 5, … n) de la frecuencia fundamental (50 ó 60 Hzen las redes eléctricas).El número “n” determina el rango de la componente armónica. Se denomina “armónico del rango n” ala componente armónica del rango correspondiente a “n” veces la frecuencia de la red. Ejemplo: para una frecuencia fundamental de 50 Hz,el armónico de rango 5 presentará una frecuencia de 250 Hz.

 

Los armónicos de rango par (2,4, 6, 8…) no suelen estudiarse en los entornos industriales porque se anulan gracias a la simetría de la señal alterna. Sólo se tienen en cuenta en presencia de una componente continua.Por contra, las cargas no lineales monofásicas tienen un espectrorico en componentes armónicas de rango impar (3, 5, 7, 9…), algo que también sucede en las cargas trifásicas conectadas en triángulo,salvo porque estas últimas no tienen componentes de rango 3.

 

Además del rango, los armónicos se clasifican según su amplitud (indicada en % con respecto a la fundamental)y su paridad (par o impar). Los armónicos, que también tienen importancia en la compatibilidad electromagnética, forman parte de las perturbaciones tratadas en la norma EN 50160 por lo que respecta a la calidad del suministro eléctrico.

 

Espectro de frecuencias armónicas

 

Un elemento esencial del estudio es el espectro de frecuencias armónicas de la señal; se trata de la representación gráfica que enumera los armónicos presentes, la señal en frecuencia y en amplitud. Aquí puede ver (figura 3) el espectro de algunas cargas habituales.

 

armonicos2Debe tenerse en cuenta que además de los armónicos indicados anteriormente, en las redes también se encuentran otros dos tipos de componentes superpuestos ala onda fundamental. Los inter-armónicos que se caracterizan por una frecuencia que no es múltiplo dela fundamental (por ejemplo: 175 Hz no es múltiplo de 50 Hz), y los infra-armónicos los cuales presentan una frecuencia inferior a la de la red.

Los primeros, aunque sólo están presentes en una pequeña cantidad,pueden, por ejemplo, perturbar las señales de control a distancia enviadas por los distribuidores de energía eléctrica, mientras que los últimos suelen deberse a los convertidores de ciclo, los hornos de arco o los variadores de velocidad.

Medición de los armónicos presentes en una red

La resultante de los armónicos normalmente se explica por la distorsión armónica total (THD: Total Harmonics Distortion). El cálculo de THD permite calificar globalmente el nivel de contaminación de una red en tensión o en corriente (consulte la tabla 1 inferior).

 

Fig. 4: Visualización de la distorsión armónica (THD) en un analizador de red
Fig. 4: Visualización de la distorsión armónica (THD) en un analizador de red

 

tabla
Tabla 1: Ejemplo de niveles de perturbación de armónicos en tensión

 

Normalmente se utilizan los métodos de cálculo. La CEI 61000-2-2 define el THDF como la relación (indicada en porcentajes) entre el valor eficaz de las componentes armónicas y la amplitud de la fundamental:

 

thdEn cuanto al THDR definido según la norma DIN, representa la distorsión armónica en relación al valor eficaz real:

thdr

 

Debe tenerse en cuenta que, si bien los valores obtenidos mediante los dos métodos son equivalentes en casos de distorsiones reducidas, difieren mucho cuando los valores son importantes.

 

Influencia de los armónicos sobre los parámetros medidos en la red

 

a) Influencia sobre el factor de potencia

 

Característico del receptor eléctrico, el factor de potencia es igual a la potencia activa consumida por el equipo eléctrico dividida por el producto de los valores eficaces de la corriente y de la tensión (potencia aparente). Siempre está comprendido entre el 1 y el 0.

 

Fp = P/S

 

Si la corriente y la tensión son funciones generales del tiempo, el factor de potencia es igual al coseno del desfase entre la corriente y la tensión (cos ϕ).

 

En presencia de corrientes armónicas importantes, esto ya no se cumple, debido a la presencia de una potencia distorsionante. La potencia activa se obtiene de

 

p

 

donde I1 es el valor eficaz de la corriente fundamental y cosϕ1 es el factor de desplazamiento (DPF, Displacement Power Factor) que representa el desfase entre fundamental de la tensión y fundamental de la corriente (véase figura 5).

 

armonicos4Por una parte, la potencia aparente se obtiene de

 

fp
donde Q es la potencia reactiva Q = U . I1 . senϕ1 y D es la potencia deformante D2 = U12.Ih2 donde Ih es el valor eficaz del conjunto de armónicos de rango superior a 1 de la corriente.
Por eso:

 

fp2b) Influencia sobre el factor de cresta

 

Como relación entre el valor de cresta y el valor eficaz, el factor de cresta equivale a la raíz cuadrada de 2 en régimen senoidal. En presencia de armónicos, puede alcanzar valores muy superiores. Así, un factor de cresta más elevado exige, entre otros elementos, un aparato de medición más sensible y por consiguiente mayor precisión en el circuito de conversión.

 

A título de ejemplo, para un ordenador equipado de una fuente de alimentación conmutada, el factor de cresta puede llegar a valores de entre 2 y 3 (véase la figura 6).

 

figura5

 

Efectos generales de los armónicos sobre las redes eléctricasGenerados por los consumidores, los armónicos de corriente se propagan en las redes y crean distorsiones de la onda de tensión en las impedancias de las líneas. Estas deformaciones de la tensión se redistribuyen a los usuarios de todo el conjunto de la red del proveedor de energía eléctrica. El armónico de rango 3 merece especial atención en el caso de las redes trifásicas. En efecto, las corrientes de armónicos de rango 3 y sus múltiplos están en fase (véase la figura 7) y se suman de forma vectorial en el conductor de neutro (In= I1 + I2 + I3). Si los receptores están formados principalmente por cargas informáticas, las corrientes de rango 3 y de rangos múltiplos de 3 se suman en el conductor neutro, lo que genera una corriente de neutro un 130% más elevada que las corrientes de fase.

 

cuadro
Fig. 7: En las corrientes trifásicas, las corrientes armónicas de rango 3 están en fase

Por eso es importante dimensionar correctamente la sección del neutro. Sin embargo, debido a una práctica habitual en la que, por ahorrar costes, se instala un cable de neutro con una sección dos veces inferior a la de las fases, hay muchas instalaciones expuestas a las consecuencias de los armónicos. En las normas de instalación, como NF C15100 en el caso francés, se indica actualmente una sección correspondiente a la corriente del neutro eventual, que puede ser superior a la sección de los conductores de las fases.

 

Fig. 8: Visualización como tabla o gráfica en el software CONTROL VISION de SOCOMEC de los armónicos del analizador de red seleccionado rango por rango para: - las 3 corrientes y el neutro (en función del tipo de red) - las tensiones simples y compuestas (en función del tipo de red)
Fig. 8: Visualización como tabla o gráfica en el software CONTROL VISION de SOCOMEC de los armónicos del analizador de red seleccionado rango por rango para: – las 3 corrientes y el neutro (en función del tipo de red) – las tensiones simples y compuestas (en función del tipo de red)

 

Condición TN-CEn un régimen TN-C, las funciones de conductor neutro y de protección se aseguran mediante un mismo conductor denominado PEN. Si hay corrientes armónicas de rango 3 y múltiplos de 3 importantes que circulan en ese conductor y las armaduras metálicas, es posible constatar variaciones de potencial que influyen en la electrónica de receptores sensibles, o incluso la creación de bucles magnéticos que generan tensiones o corrientes inducidas en los circuitos (contaminación CEM/ECM).

 

Efectos de los armónicos sobre los equipos

 

Sobre los transformadores:La circulación de corrientes armónicas implica pérdidas por efecto joule y pérdidas magnéticas suplementarias. De acuerdo con la norma NF EN 50464-3, se aplica una desclasificación de la potencia aparente del transformador según la fórmula siguiente:

 

cuadro3

 

En máquinas giratorias:Además de pérdidas por efecto joule y pérdidas magnéticas suplementarias, la presencia de tensiones armónicas puede provocar pares pulsatorios y, de rebote, vibraciones mecánicas perjudiciales además de una disminución del rendimiento mecánico del motor.
Por norma general, el factor armónico de tensión (HVF) debe ser inferior al 2%. Este factor se calcula con la fórmula siguiente:

 

cuadro4

 

En baterías de condensadores:La instalación de baterías de condensadores en una instalación eléctrica puede implicar una resonancia paralela que amplifique las corrientes armónicas presentes en la instalación. Este riesgo depende principalmente de la potencia de cortocircuito de la instalación y del valor capacitivo del sistema de compensación. En tal caso, pueden circular corrientes armónicas intensas en los condensadores y provocar el envejecimiento prematuro de sus componentes.

En dispositivos de medida:

Las corrientes armónicas también pueden perturbar la medida de los equipos no inmunizados asociados a equipos de corte y de protección, a controladores permanentes de aislamiento y aparatos de medida.

 

cuadro5
Fig. 9: Ejemplo de instalación que genera armónicos en la red

 

Soluciones para controlar la contaminación por armónicosExisten protecciones para protegerse de los efectos nocivos de los armónicos; lo importante es saber cuantificar los efectos y adaptar las medidas de protección en función de la sensibilidad relativa del proceso industrial y de los receptores presentes en la instalación. Esto se debe a que cada receptor presenta un nivel de inmunidad diferente ante perturbaciones armónicas. Además, algunos receptores pueden incluso emitir contaminación armónica.

 

Gracias a todas estas medidas, es posible realizar un diagnóstico preciso de la instalación.A partir de ahí, todo es cuestión de método. Nosotros recomendamos el enfoque siguiente:

 

1) Diagnóstico de la instalación en cuestión : campaña de mediciones y determinación del nivel de armónicos
Las centrales de medidas actuales, normalmente denominadas PMD (Performance & Power Monitoring Device de acuerdo con las normas EN o CEI 61557-12), suelen realizar un análisis de armónicos no sólo por rango sino también global (THD). Gracias a la memoria integrada, los PMD pueden memorizar las alarmas además de los valores mínimo y máximo. Por último, miden de forma continua la corriente del neutro.
2) Modelizado y caracterización del fenómeno, posterior estudio técnico-económico para recomendar las soluciones y las opciones.
3) Puesta en práctica de las soluciones materiales. Verificación de su efecto con las mediciones apropiadas.
4) Mantenimiento del rendimiento de la instalación en el tiempo mediante un contrato de mantenimiento y/o de control de calidad de la energía, o incluso del rendimiento energético.

 

Algunas soluciones habituales

 

Cuando la impedancia de origen es débil, la potencia de cortocircuito resulta importante, lo que reduce los problemas debidos a los armónicos. De este modo, las cargas distorsionantes también deben instalarse tan aguas arriba de la fuente como sea posible con el fin de beneficiarse del nivel más elevado de potencia de cortocircuito. Esta solución no siempre resulta interesante desde el punto de vista económico.Como no es posible suprimir los armónicos, el objetivo es confinarlos lo más cerca posible de las cargas distorsionantes para evitar de este modo que contaminen toda la red. Para eso se utilizan los sistemas de filtrado o de aislamiento (por transformador).

Para proteger las baterías de compensación, los fabricantes insertan una inductancia en serie con los condensadores, lo que permite evitar el fenómeno de resonancia origen de los armónicos. Está inductancia anti-resonancias se ajusta en función del espectro de corrientes armónicas existentes en la instalación.

La incorporación de filtros pasivos permite “capturar” las corrientes armónicas presentes en la instalación. Como cada filtro pasivo se dimensiona para una corriente armónica, hay que prever un filtro por cada corriente armónica a filtrar.
Los filtros activos, con rendimientos y potencias que aumentan con el progreso de la electrónica de potencia, permiten filtrar los armónicos hasta un rango determinado. Debe tenerse en cuenta que estos filtros se han calculado para asegurar la compensación de la energía reactiva de la instalación.

Por último, el control de absorción senoidal (también denominado PFC, corrector del factor de potencia) permite trabajar directamente sobre el generador. El control de la electrónica de potencia se ha modulado para forzar el puente de entrada para que absorba una corriente senoidal.

 

ConclusiónEl desarrollo de la electrónica de potencia de los últimos años ha constituido un factor importante para la mejora de los procesos industriales.

 

armonicos5
Fig. 10: Sistema de análisis y control de la calidad del suministro eléctrico que integra la medición y la visualización de armónicos e inter-armónicos en tensión y corriente

 

Sin embargo, la mayoría de estos equipos provocan distorsiones armónicas que conviene controlar para asegurar una calidad de la energía eléctrica compatible con las exigencias de los receptores.

 

Existen soluciones, y las restricciones medioambientales de estos últimos años fuerzan a los fabricantes a integrar controles que permitan reducir la generación de corrientes armónicas.La medición permanente de los armónicos con ayuda de una central de medida y el respeto de algunas reglas elementales aseguran a los equipos de mantenimiento un seguimiento eficaz y seguro de la instalación eléctrica.

 

 

Etiquetas

14 comentarios

  1. Tengo unos equipos con vfd de 500hp,recientemente inauguraron una estación de metro y estos equipos no dejan de dar alarmas por fallo a tierra. Puede ser por las corrientes inducidas, como dice en el artículo? Estos equipos miden la fuga a tierra por desbalance en las fases del motor.

  2. Tengo problmas en mi casa saltando el diferencial con frecuencia. Me han dicho que es por armonicos, He puesto un diferencial superinmunizado pero sigue saltando. Quiero conocer como aclarar el problema de mi casa ( en otras casas del edificio no ocurre) y como solucionarlos. ¿Donde puedo dirigirme para ello?
    Se lo agradeceria
    Atentamente. A.Mendez

  3. Buen día yo tengo una pregunta espero y alguien me pueda ayudar por armónicos puedo tener daños en mis tarjetas de control digitales y análogas GRACIAS.

  4. Hola
    Muy interesante para definir compra de equipos electrónicos que puedan afectar a la red eléctrica y a otros elementos sobre todo Drivers para módulos de LED en red eléctrica de alumbrado público. También se me hicieron muy interesantes los equipos de medición como el analizador de redes

    Gracias por compartir información

    Saludos

  5. Muchas gracias soy técnico no ingeniero con conocimiento matemático medio y aún así comprendí las causas y efectos de las armónicas, quedé muy satisfecho con el trabajo que realizó.

Responder a JESUS VARGAS Cancelar respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Botón volver arriba
Cerrar