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Armónicos eléctricos: definición, problemática y soluciones (by Circutor)

by Alexis Vegas

17 de marzo de 2022 0

Sin duda alguna, los armónicos eléctricos, de tensión o intensidad de corriente se han convertido en la actualidad en un parámetro cuya gestión y control se hace imprescindible. Especialmente, para prevenir la posible aparición de problemas que, como veremos posteriormente, están asociados a su presencia en nuestra red eléctrica.

Gestionar y controlar los armónicos eléctricos es fundamental para evitar que surjan diversos problemas en la red de eléctrica.

¿Qué es un armónico?

Definimos en primer lugar el término ‘armónico’. Para ello, viajamos a principios del siglo XIX, cuando el matemático Jean Baptiste Fourier determinó que cualquier forma de onda periódica puede descomponerse en una suma de senoidales simples, de diferentes frecuencias y amplitudes, que se denominan armónicos.

Pero veamos un ejemplo que seguro nos permite comprender mejor el concepto:

Supongamos que la onda que aparece en la Fig. 1 corresponde a «un ciclo» de la intensidad de corriente en una red de 50 Hz. O sea, que se repite 50 veces en un segundo y tiene una duración de 20 milisegundos. Si se tratase de una red de 60 Hz, su duración sería de 16,6 ms. Esta onda la denominaremos ‘fundamental’.

Fig. 1

Y superpongamos sobre ella otra onda, de menor amplitud, pero de 250 Hz. Es decir, de una frecuencia 5 veces superior. Esta onda, la de la Fig. 2 correspondería al armónico 5º, y la onda resultante sería la de la Fig. 3.

Fig. 2

Fig. 3

Y para finalizar, superpongamos sobre estas dos otra de 350 Hz, de 7 veces mayor frecuencia que la fundamental, el armónico 7º, que corresponde a la Fig.4. La onda resultante final sería la que vemos en la Fig.5, que, de manera informal, la conocemos como la ‘M de McDonalds’.

Fig. 4

Fig. 5

Esta onda es la que mediríamos de manera habitual, por ejemplo, a la entrada de la mayoría de los variadores de velocidad trifásicos, que son cargas que se han convertido en indispensables en las instalaciones industriales.

En definitiva, la onda de corriente generada por un variador de velocidad puede simplificarse, por consiguiente, y de manera muy aproximada, en la fundamental, de 50 ó 60 Hz, y básicamente los armónicos 5º y 7º.

Por tanto, dividiremos las cargas eléctricas entre aquellas que consumen una corriente puramente fundamental, que denominaremos cargas lineales, como son los motores de inducción o cargas puramente resistivas; y las que consumen una fundamental más otras corrientes armónicas, que conoceremos como cargas no lineales o distorsionantes. Entre ellas, los variadores de velocidad o frecuencia, los equipos electrónicos monofásicos o las luminarias tipo LED. En resumen, todas aquellas cargas en las que alguna etapa de su funcionamiento implica una conversión de corriente alterna a corriente continua.

Para analizar el contenido armónico de la red eléctrica, utilizaremos la descomposición en frecuencia o lo que se conoce como su espectro. O sea, la amplitud, o valor, de cada orden armónico.

Fig. 6

Así, para redes con predominancia de cargas trifásicas, habitualmente los más importantes serían el 5, 7, 11 y 13, en este orden decreciente de magnitud. Y, en el caso de redes de 4 hilos, con una importante presencia de cargas monofásicas alimentadas entre fase y neutro, también estarían presentes, además de los anteriores, los armónicos 3º, 9º y 15º, siendo en este caso generalmente el 3º el más significativo.

Y las magnitudes que habitualmente utilizaremos para evaluar los niveles de armónicos en la red son las denominadas Tasas de Distorsión Armónica, total harmonic distortion en inglés, THD(U) para la tensión, y THD(I) para la corriente, que representan el porcentaje de la tensión o corriente armónica, que se calcula a partir del valor RMS, o suma cuadrática de los valores de cada frecuencia, respecto al valor de la fundamental. Estas tasas nos permitirán, como veremos, determinar la severidad de la distorsión armónica en nuestra red, y la necesidad o no de aplicar medidas correctivas.

Un aspecto importante que hay que considerar es que, como hemos determinado, son las cargas no lineales o distorsionantes las que generan armónicos de corriente, y el hecho de que circulen por los cables de distribución dichas corrientes armónicas provoca caídas de tensión a las diferentes frecuencias armónicas. Esto supone la aparición de tensiones armónicas, o sea, que distorsionan la tensión, incrementando así el valor del THD (U). Por tanto, las tasas de THD (I) y THD (U) serán siempre valores que se deberán analizar de manera conjunta, cuando se plantee la necesidad de solucionar algún tipo de problemática asociada a los armónicos eléctricos en nuestra red.

Otra importante particularidad de los armónicos eléctricos es el hecho de que presentan diferentes secuencias de fase. Pueden ser directas, inversas o homopolares, también conocidas como de secuencia cero.

Fig. 7

El origen de los problemas en las redes eléctricas

A efectos prácticos, son estas últimas, que corresponden a los armónicos triples, las que implican una mayor problemática en las redes eléctricas por el hecho de que al estar en fase se suman entre ellas. Así, en redes de 4 hilos, 3 fases y neutro, con un número significativamente alto de cargas monofásicas electrónicas (ordenadores, o computadores, y receptores similares), al no anularse entre ellos, se suman en el conductor de neutro.

Por consiguiente, si suponemos una red con 50 A de corriente armónica de orden 3 por cada fase, en el conductor de neutro tendremos directamente 150 A de corriente de armónico 3.

Esto conlleva un riesgo de sobrecarga en dicho conductor de neutro, tanto a nivel de disparo de protecciones térmicas, como de seccionamiento del neutro. Ello provocaría la situación más adversa, por el importante desequilibrio de las tensiones de alimentación de las cargas que ocasionaría, que podría derivar en graves averías de los equipos conectados en ese momento por sobretensión.

Los problemas también surgen de manera habitual a nivel de los transformadores de potencia que alimentan la instalación. Si estos han de suministrar, además de la corriente fundamental asociada a la potencia activa, corrientes armónicas no productivas (es decir, que no son útiles), sus pérdidas pueden ser tan elevadas que causen que la calidad de la tensión que se suministra sea pobre, con altos niveles de THD(U). Este hecho afectaría al funcionamiento de las cargas alimentadas. El caso más extremo, incluso se produciría un exceso de temperatura en el transformador que puede derivar en su destrucción.

Otro aspecto esencial es la afectación que la presencia de armónicos eléctricos puede provocar en las protecciones diferenciales contra corrientes de fuga. Es imprescindible utilizar relés diferenciales adecuados para garantizar la correcta protección en estas redes. En este sentido, el uso de diferenciales tipo B para todos aquellos receptores que incorporen una conversión CA/CC en su funcionamiento (como son los variadores de velocidad, SAI’s, rectificadores o cargadores de vehículos eléctricos) se hace no solo esencial, sino obligatorio.

En cuanto a la existencia de altos niveles de distorsión armónica en tensión en la red, podemos relacionarlos con problemas que aparecen en equipos electrónicos «sensibles». En este caso, la mala calidad de la tensión de suministro puede causar su malfuncionamiento en relación con ‘resets’, interferencias, errores de cálculo, etc.

Finalmente, sin duda el problema más conocido y frecuente es la problemática entre la instalación de una batería de condensadores para compensar energía reactiva inductiva y la existencia de armónicos eléctricos en la red.

La explicación del caso

Consideremos primero cómo es la curva de impedancia de un condensador, que podemos denominar ‘resistencia’. Como podemos ver en la Fig. 8, a mayor frecuencia, menor impedancia. Y ya sabemos que los armónicos tienen una frecuencia superior a la de la fundamental de la red. Por tanto, el condensador presenta menor resistencia a dichas frecuencias armónicas. Se convierte, en consecuencia, en un ‘camino de baja impedancia’ para dichas corrientes. En otras palabras, tiende a absorberlas, de manera que en redes con presencia de armónicos los condensadores siempre están sobrecargados en un cierto nivel. Y ello provoca su deterioro a corto plazo.

Fig. 8

No obstante, no es esta sobrecarga el mayor problema que se puede generar. Lo es la posibilidad de que se produzca un fenómeno de resonancia, que implica la amplificación de las corrientes armónicas previamente existentes en la red antes de la conexión de la batería de condensadores.

Tenemos que considerar entonces el parámetro conocido como la frecuencia de resonancia del sistema (Fig. 9), que relaciona la potencia de cortocircuito en el punto de conexión de la batería de condensadores a la red con la potencia en kvarC de la propia batería. Este valor, indica el orden del armónico, o sea, orden 5, 7, 11… que podría amplificarse al conectarse los condensadores a la red, ocasionando su amplificación.

Fig. 9

En el ejemplo de la Fig. 10, aparece una clara resonancia en el armónico 5º. Simplemente tenemos que contar los 5 ‘picos’ que aparecen un ciclo.

Fig. 10

El procedimiento que hay que implementar para evitar este fenómeno de resonancia se basa en instalar baterías de condensadores con filtros de rechazo o desintonizadas. Estas baterías incorporan en serie con cada condensador o grupo de condensadores de cada escalón una reactancia, que en la Fig. 11 puede identificarse con un color amarillento. De esta forma, se sintoniza dicho grupo reactancia-condensador a una frecuencia por debajo del primer armónico relevante en la red.

Fig. 11

Como hemos comentado, el primer armónico relevante en la red es, en la gran mayoría de casos, el tercero o el quinto. Y las habituales frecuencias de resonancia son las que se especifican en la Fig. 12 (se indican los valores a 50 Hz / 60 Hz)

Fig. 12

Unos sistemas que garantiza al 100 % la compensación de energía reactiva de manera totalmente inmune a la presencia de armónicos en la red son los generadores estáticos de reactiva, concretamente, la gama SVGm de CIRCUTOR (Fig. 13). Estos generadores de reactiva, con capacidad de compensación tanto de potencia inductiva como capacitiva, están basados en electrónica de potencia y constituyen la solución tecnológicamente más avanzada en la corrección del coseno de phi.

Fig. 13

Existen opciones de filtrado pasivo de corrientes armónicas, entre las cuales las más sencillas son las reactancias de línea o choque (Fig. 14). Se instalan a la entrada de variadores de velocidad o cargas similares, que pueden proporcionar cierto grado de reducción de los niveles de THD(I). Habitualmente, desde valores iniciales alrededor del 40 %, hasta valores finales de 25 %.

Fig. 14

En todo caso, lo más eficiente para conseguir disminuir los niveles de corrientes armónicas, y, por consiguiente, también de tensiones armónicas en nuestra red eléctrica es el uso de filtros activos de armónicos. Es decir, la gama AFQm de CIRCUTOR.

Un filtro activo AFQm es, de hecho, un generador de corrientes armónicas que, a partir del uso de la más avanzada electrónica de potencia y los más innovadores sistemas de control, es capaz de inyectar corrientes armónicas en contrafase con las existentes en la red, consiguiendo así anularlas.

Fig. 15

Entre sus múltiples ventajas respecto a los sistemas de filtrado pasivo podemos destacar su precisión. Es capaz de inyectar la corriente armónica exacta para compensar la existente en la red en cada armónico, sin depender de la variabilidad de la carga.

Destaca igualmente su versatilidad, pues ofrece no solo la capacidad de filtrado de corrientes armónicas, sino también de compensación de reactiva.

La gama de filtros activos AFQm comprende un rango de capacidades de inyección de corriente que abarca la totalidad de escenarios a nivel de cualquier instalación eléctrica, ya sea a nivel industrial como de servicios, gracias a su modularidad. Además, incluye tensiones de funcionamiento desde 208 VCA hasta 690 VCA.

Fig. 16

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Josep García Fàbrega
Responsable de Producto
División Calidad de Suministro de CIRCUTOR S.A.