¿Cuáles son los efectos de los armónicos?

Los armónicos tienen importantes consecuencias económicas en las instalaciones: aumento de los costes de energía, envejecimiento prematuro de los equipos y pérdidas de producción. A la larga, el impacto económico termina traduciéndose en pérdidas.

AUMENTO DE LAS PÉRDIDAS

Pérdidas en conductores

La potencia activa transmitida a una carga es función de la componente fundamental I₁ de la corriente.
Cuando la corriente generada por la carga contiene armónicos, el valor Irms de la corriente es superior a la fundamental I₁.
La definición de THD es la siguiente:

El diagrama muestra, en función de la distorsión de armónicos:

• El aumento en la corriente en verdadero valor eficaz (I_rms) de una carga que genera una corriente fundamental determinada.
• El aumento en pérdidas de Joule, sin tener en cuenta el efecto pelicular. El punto 1 de referencia del gráfico (I_rms/Pérdidas de Joule) muestra el caso de no existir armónicos. Las corrientes armónicas producen un aumento en las pérdidas Joule en todos los conductores en los que circulan, y un aumento de temperatura adicional en transformadores, dispositivos, cables, etc.

Pérdidas en máquinas asíncronas

Las tensiones de armónicos (de rango h) aplicadas a las máquinas asíncronas producen en el rotor corrientes con frecuencias superiores a 50 Hz que son la causa de pérdidas adicionales.

Órdenes de magnitud

Una tensión de alimentación no senoidal produce un 20% de aumento en las pérdidas.

Una tensión de alimentación con armónicos u5 = 8% (de U1 tensión fundamental), u7 = 5%, u11 = 3%, u13 = 1%, es decir, una distorsión de armónicos total THDu igual al 10%, produce pérdidas adicionales del 6%.

Pérdidas en los transformadores

Las corrientes armónicas que circulan en los transformadores producen un aumento de pérdidas en el cobre debido al efecto Joule y a las corrientes de Foucault. Las tensiones armónicas son responsables de las pérdidas en el hierro debidas a la histéresis. Por lo general, se considera que las pérdidas en los devanados aumentan a medida que el cuadrado de THDi, y las pérdidas de núcleo aumentan linealmente con la THDu. En los transformadores de distribución, en los que los niveles de distorsión están limitados, las pérdidas aumentan entre el 10 y el 15%.

Pérdidas en los condensadores

Las tensiones armónicas aplicadas a los condensadores producen la circulación de intensidades proporcional a la frecuencia de los armónicos. Estas intensidades producen pérdidas adicionales.

Ejemplo: Una tensión de alimentación presenta los siguientes armónicos:

• Tensión fundamental U1, tensiones armónicas u5 = 8% (de U1), u7 = 5%, u11 = 3%, u13 = 1%, es decir, una distorsión armónica total THDu igual al 10%.
• El amperaje de la corriente se multiplica por 1,19. Las pérdidas por efecto Joule se multiplican por 1,192, es decir, 1,4.

PERTURBACIONES QUE AFECTAN A CARGAS SENSIBLES

Efectos de la distorsión en la tensión de alimentación

La distorsión de la tensión de alimentación puede afectar al funcionamiento de dispositivos sensibles:

• Dispositivos de regulación (temperatura).
• Hardware informático.
• Dispositivos de control y de supervisión (relés de protección).

Distorsión de las señales telefónicas

Los armónicos producen perturbaciones en los circuitos de control (esquemas de corriente baja). El nivel de distorsión depende de la distancia que recorren en paralelo los cables de potencia y de control, la distancia entre los cables y la frecuencia de los armónicos.

IMPACTO ECONÓMICO

Pérdidas energéticas

Los armónicos producen pérdidas adicionales (efecto Joule) en los conductores y en los equipos.

Mayores costes de contratación

La presencia de intensidades armónicas puede requerir un nivel superior de potencia contratada, y por consiguiente, los costes aumentan.

Y lo que es más, las empresas de servicios cada vez seguirán más la tendencia de cobrar a los clientes por las principales fuentes de armónicos.

Sobredimensionamiento de los equipos

La disminución de fuentes de energía (generadores, transformadores y SAI) implica que se deben sobredimensionar.

Los conductores deben dimensionarse teniendo en cuenta la circulación de intensidades armónicas. Además, debido al efecto pelicular, la resistencia de estos conductores aumenta con la frecuencia. Para evitar pérdidas excesivas debido al efecto Joule, es necesario sobredimensionar los conductores.

La circulación de armónicos en el conductor neutro significa que también se debe sobredimensionar.

Reducción de la vida útil de los equipos

Cuando el nivel de distorsión en la tensión de alimentación se aproxima al 10%, la duración de la vida útil del equipo se reduce considerablemente. La reducción se ha estimado en:

• 32,5% para máquinas monofásicas.
• 18% para máquinas trifásicas.
• 5% para transformadores.

Para mantener la vida útil correspondiente a la carga nominal, el equipo se debería sobredimensionar.

Disparos intempestivos y parada de la instalación

Los interruptores automáticos en la instalación se someten a picos de intensidad producidos por los armónicos.

Estos picos producen disparos intempestivos con las consecuentes pérdidas en la producción, así como los costes correspondientes al tiempo necesario para volver a poner en funcionamiento la instalación.