¿Qué son los Armónicos?

Los armónicos son un componente sinusoidal de ondas periódicas que tienen frecuencias múltiplos de la frecuencia fundamental.

Los armónicos en los sistemas eléctricos de potencia distorsionan la forma de onda de la tensión o de la corriente, ocasionando deficiencias en la calidad de energía que se distribuye a los consumidores. Esto trae como consecuencia el funcionamiento deficiente de los equipos eléctricos y el sobrecalentamiento de cables, motores y transformadores.

¿Cómo se generan los Armónicos?

Los armónicos son causados por las cargas no lineales.

Es decir, los aparatos electrónicos que se comportan como cargas no lineales tienen un principio de funcionamiento que absorbe una corriente no sinusoidal de la red. Provocando una caída de tensión no sinusoidal en el punto de conexión de la red. Esto, implica que las demás cargas conectadas a la red serán alimentadas con esa misma tensión distorsionada.

Específicamente, los principales aparatos que generan armónicos son: los ordenadores, las lámparas fluorescentes, los convertidores estáticos, los grupos de continuidad, los accionamientos de velocidad variable, las soldadoras, los hornos de arco y de inducción, entre otros.

En el interior de este tipo de aparatos puede haber impedancias no lineales, impedancias de tiempo variable, o impedancias de puentes rectificadores, cuyos dispositivos semiconductores conducen energía sólo durante una fracción de todo el periodo, creando comportamientos discontinuos e introduciendo numerosos armónicos que distorsionan la forma de onda de la corriente y del voltaje de la red.

Armonicos - forma de onda
Imagen Referencial: Forma de Onda Distorsionada por Armónicos. Fuente: Cuaderno Técnico ABB.

Tipos de Armónicos

Los armónicos se pueden clasificar según su orden o según el conjunto de componentes de secuencia relacionado con la rotación de su campo magnético.

Clasificación de Armónicos según su Orden

1. Armónicos Impares

Los armónicos con números de orden impares son los más comunes, y se crean debido a las cargas no lineales. Específicamente, los armónicos múltiples de tres (como los de 3er orden, 9no orden, etc) son los más predominantes, ya que usualmente los de orden diferente se cancelan entre sí debido a los diferentes picos y valles de su forma de onda. Mientras que los armónicos múltiples de tres no se cancelan, sino que se suman entre sí y pueden causar corrientes de neutro muy altas.

2. Armónicos Pares

Los armónicos con números de orden pares no son simétricos y son poco comunes. Su presencia en la red es una señal de que hay un rectificador defectuoso en el sistema.

Clasificación de Armónicos según su Componente de Secuencia

1. Armónicos de Secuencia Positiva

Los armónicos de secuencia positiva crean un campo magnético en la misma dirección de rotación del sistema eléctrico.

2. Armónicos de Secuencia Negativa

Los armónicos de secuencia negativa desarrollan campos magnéticos en la dirección opuesta de rotación, provocando la reducción del par en los motores conectados a la red.

3. Armónicos de Secuencia Cero

Los armónicos de secuencia cero crean una señal monofásica que no produce un campo magnético giratorio de ningún tipo, pero pueden causar el aumento de la corriente demandada y, en consecuencia, pueden ocasionar calentamiento en los cables y conductores.

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Efecto de Armónicos en Transformadores de Potencia

Los armónicos en los transformadores provocan sobrecalentamientos y fallos internos.

Específicamente, los armónicos de orden alto tienen frecuencias altas que aumentan la reactancia inductiva y, por lo tanto, aumenta la impedancia, por lo que también aumentan las pérdidas en el devanado del transformador.

Corrientes Parásitas

Las corrientes armónicas de orden superior generan corrientes parásitas (también llamadas Corrientes de Eddy) que causan pérdidas en el cobre y en el núcleo del transformador. Esto se debe a que esas corrientes parásitas provocan un fenómeno conocido como “efecto piel” en los devanados de los transformadores.

El efecto piel consiste en que la corriente alterna se distribuye con mayor densidad cerca de la superficie del conductor reduciendo el área de la sección transversal efectiva del cable. Dando como resultado una mayor resistencia y, por ende, una mayor pérdida de bobinado.

Adicionalmente, ocurre el efecto de proximidad que se produce cuando una corriente alterna fluye a través de un conductor que está muy cerca de otro conductor, como en el caso de los devanados del transformador. A medida que la corriente alterna fluye a través del primer devanado, genera un campo magnético que induce corrientes parásitas en la bobina adyacente, provocando el efecto piel en ese otro devanado.

Armonicos - Corrientes Parásitas
Efecto de Proximidad Induciendo Corrientes Parásitas. Fuente: Megger Guide to Power Quality Testing.

Pérdidas en el Núcleo del Transformador

Las corrientes armónicas de orden superior pueden provocar pérdidas en el núcleo magnético del transformador debido al calor generado por las corrientes parásitas y la histéresis.

A nivel constructivo, se pueden reducir las corrientes parásitas mediante la laminación del núcleo. Es decir, se construye el núcleo con capas separadas por un aislante en lugar de ser un hierro macizo. De este modo, pasará el campo magnético, pero no pasarán las corrientes parásitas, sino que circularán dentro de las placas individuales del núcleo laminado, reduciendo considerablemente el efecto de calentamiento neto en el núcleo.

Histéresis

La histéresis es el cambio en los dominios magnéticos dentro del núcleo, y no está asociado con corrientes parásitas. A medida que la fuerza magnética cambia de polaridad, se crea energía que se disipa en forma de calor en el núcleo.

En este sentido, la pérdida total de potencia del núcleo es igual a las pérdidas por corriente parásitas más las pérdidas por histéresis.

Efecto de Armónicos en Motores

Los armónicos de corriente excesivos pueden hacer que los motores funcionen de manera ineficiente, que se sobrecalienten y que el eje del motor vibre.

Los motores sometidos a armónicos experimentan pérdidas en el devanado al igual que un transformador, con los efectos indicados en el apartado anterior de este artículo.

Las vibraciones en los motores son causadas por los armónicos de secuencia negativa porque producen campos magnéticos en la dirección opuesta a la frecuencia fundamental. Este efecto también reduce el par y aumenta la corriente requerida para las cargas del motor. Además, si la vibración alcanza la frecuencia de resonancia del eje, se puede dañar el motor.

¿Qué es la Distorsión Armónica Total (THD)?

La distorsión armónica total (THD: Total Harmonic Distortion) es la medida de la suma de los componentes armónicos de una forma de onda distorsionada.

En otras palabras, la THD es la suma RMS (Root Mean Square) de los armónicos dividida por el valor fundamental o el valor RMS de la forma de onda total. Y, normalmente se representa como un porcentaje de la amplitud.

¿Qué es la Distorsión Total de la Demanda (TDD)?

La distorsión total de la demanda (TDD: Total Demand Distortion) hace referencia a la distorsión armónica de corriente total de suma cuadrática, a la corriente de demanda promedio máxima registrada durante un intervalo de prueba.

Las mediciones de TDD son las más confiables para mediciones totales de armónicos de corriente.

¿Cómo se pueden mitigar los Armónicos?

Los armónicos en la red eléctrica se pueden mitigar aplicando filtros en puntos estratégicos del sistema eléctrico. Existen varios tipos de filtros, pero en este artículo los resumiremos en dos tipos: filtros pasivos, y filtros activos.

Filtro Pasivo

El filtro pasivo es el más económico y fácil de instalar. Está compuesto por un condensador conectado en serie a un inductor y su función es la de igualar la frecuencia de resonancia total a la frecuencia del armónico que se desea eliminar.

Por lo tanto, el filtro pasivo se dimensiona en cada caso en función del armónico concreto que se necesita filtrar.

Filtro Pasivo
Esquema Referencial del Filtro Pasivo de Armónicos. Fuente: Cuaderno Técnico ABB.

Filtro Activo

El filtro activo está compuesto por una tecnología electrónica que le permite generar un sistema de armónicos con una amplia gama de frecuencias capaz de anular los armónicos de corriente presentes en la red de forma automática.

La ventaja de este tipo de filtro es que puede filtrar decenas de armónicos a la vez sin importar los costos de planificación para el dimensionamiento.

Filtro Activo
Esquema Referencial del Filtro Activo de Armónicos. Fuente: Cuaderno Técnico ABB.

Conclusión

Es casi imposible evitar que haya componentes eléctricos que generen armónicos, sin embargo, es crucial conocer sus efectos para poder planificar y diseñar un sistema eléctrico con filtros adecuadamente dimensionados, y con transformadores de potencia con el derrateo correcto para soportar los armónicos sin dañarse en condiciones de operación normal, y sin afectar el rendimiento de la vida útil. De esta manera podremos garantizar que los motores y demás cargas de la red no se vean perjudicadas por sus efectos.

→ Artículo Recomendado: ¿Qué son los Transitorios? • LeiryChinchilla.com

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Fuentes

Megger. A Guide to Power Quality Testing. Norristown, 2018.

IEEE Std 519. Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems. New York, USA.

ABB. Corrección del Factor de Potencia y Filtrado de Armónicos en las Instalaciones Eléctricas. Barcelona, España.

ABB Harmonics Whitepaper: harmonics-white-paper.pdf (abb.com)

Electrical test equipment | power station to plug | Megger

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