¿Qué son los armónicos y por qué es necesario detectarlos y eliminarlos?

Los armónicos son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental del sistema de alimentación. La información sobre armónicos es valiosa para el análisis de la calidad de energía, la determinación de la capacidad nominal adecuada de los transformadores, el mantenimiento y la resolución de problemas.

ORIGEN DE LOS ARMÓNICOS

La presencia de armónicos indica una onda de tensión o una intensidad distorsionada. La distorsión de la corriente o de la onda de tensión significa que la distribución de la energía eléctrica sufre perturbaciones y que la calidad de la alimentación no es óptima.

Las corrientes de armónicos se producen por cargas no lineales conectadas a la red de distribución. El flujo de intensidades armónicas produce tensiones de armónicos a través de las impedancias de la red de distribución y por consiguiente, la distorsión de la tensión de alimentación.

Los dispositivos y los sistemas que producen armónicos se encuentran presentes en todos los sectores, es decir, el industrial, el comercial y el residencial. Los armónicos se producen por cargas no lineales (es decir, cargas que al ser alimentadas por una tensión senoidal, dan como respuesta una onda de intensidad deformada, no lineal).

A continuación se indican ejemplos de cargas no lineales:

• Equipo industrial (soldadoras, hornos de arco, hornos de inducción, rectificadores).
• Variadores de velocidad para motores CC o asíncronos.
• SAI.
• Equipos de oficina (ordenadores, fotocopiadoras, faxes, etc.).
• Electrodomésticos (televisores, hornos microondas, iluminación fluorescente).
• Algunos dispositivos con saturación magnética (transformadores).

Perturbaciones producidas por cargas no lineales: tensión e intensidad armónica

Las cargas no lineales generan las corrientes armónicas que circulan por la red de distribución. Las tensiones armónicas se producen por el flujo de corrientes armónicas a través de las impedancias de los circuitos de alimentación (transformador y red de distribución similares a los mostrados en la Figura 01).

La reactancia de un conductor aumenta en función de la frecuencia de la corriente que circula a través del conductor. Para cada intensidad armónica (rango h), existe una impedancia Z_h en el circuito de alimentación.

Cuando la intensidad armónica de rango h circula a través de la impedancia Z_h, crea una tensión armónica U_h, donde U_h = Z_h x I_h (ley de Ohm). Por lo tanto, la tensión en el punto B se distorsiona. Todos los dispositivos que reciben la alimentación a través del punto B reciben una tensión distorsionada.

Para una intensidad armónica determinada, la distorsión es proporcional a la impedancia en la red de distribución.

Flujo de intensidades armónicas en las redes de distribución

Puede considerarse que las cargas no lineales vuelven a inyectar las intensidades armónicas aguas arriba en la red de distribución, hacia la fuente.

Las Figuras 02 y 03 muestran una instalación perturbada por los armónicos. La Figura 02 muestra la circulación de la corriente a 50 Hz en la instalación y la Figura 03 muestra la intensidad armónica (rango h).

El suministro de la carga no lineal crea la circulación de una corriente I_50Hz (tal y como se muestra en la Figura 02), a la que se añade cada una de las intensidades armónicas Ih (tal y como se muestra en la Figura 03), correspondiente a cada armónico de rango h.

Si se sigue teniendo en cuenta que las cargas vuelven a inyectar intensidad armónica aguas arriba en la red de distribución, es posible crear un diagrama que muestre las intensidades de armónicos en la red (ver Figura 04).

¿POR QUÉ ES NECESARIO DETECTAR Y ELIMINAR LOS ARMÓNICOS?

Perturbaciones producidas por los armónicos

Los armónicos que circulan por las redes de distribución reducen la calidad de la alimentación eléctrica. Esto puede producir una serie de efectos negativos:

• Sobrecargas en las redes de distribución debido al aumento en la corriente en rms.
• Sobrecargas en los conductores neutros debido al aumento acumulativo en los armónicos de tercer orden creados por cargas monofásicas.
• Sobrecargas, vibración y envejecimiento prematuro de generadores, transformadores y motores, así como aumento del ruido del transformador.
• Sobrecargas y envejecimiento prematuro de los condensadores utilizados en la corrección del factor de potencia.
• Distorsión de la tensión de alimentación que puede perturbar las cargas sensibles.
• Perturbaciones en las redes de comunicación y en las líneas telefónicas.

Impacto económico de las perturbaciones

Los armónicos tienen importantes consecuencias económicas:

• El envejecimiento prematuro del equipo hace que se tenga que sustituir con más frecuencia, a menos que se sobredimensione desde el principio.
• Las sobrecargas en la red de distribución pueden necesitar niveles de contratación de potencia superiores y aumentar las pérdidas.
• La distorsión de las ondas de corriente produce disparos intempestivos que pueden detener la producción.

Consecuencias cada vez más graves

Sólo hace diez años, los armónicos no se consideraban un problema porque sus efectos en las redes de distribución eran por lo general poco importantes.

Sin embargo, la introducción masiva de la electrónica de potencia en los equipos ha hecho que este fenómeno sea más grave en todos los sectores de la actividad económica.

Además, el equipo que produce los armónicos a menudo es vital para la empresa o industria.

¿Qué armónicos deben medirse y eliminarse?

Los armónicos más frecuentes en las redes de distribución trifásicas son los impares. Las amplitudes de los armónicos normalmente disminuyen a medida que aumenta la frecuencia. Por encima del armónico de rango 50º, los armónicos son insignificantes y las mediciones ya no son significativas. Se obtienen mediciones suficientemente precisas midiendo los armónicos hasta el rango 30º.

Las instalaciones supervisan los armónicos de rangos 3º, 5º, 7º, 11º y 13º.

Por lo general, es suficiente mejorar los niveles armónicos de los rangos más inferiores (hasta 13º). Una optimización más completa tendría en cuenta los armónicos hasta el rango 25º.