Condensadores
Los bancos de condensadores son particularmente sensibles a sobrecorrientes armónicas y resonancia.
Marco d'Itri · Wikimedia Commons · CC BY-SA 2.0.
Calidad de energía
Qué son los armónicos eléctricos
Los armónicos son componentes de tensión o corriente cuya frecuencia es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental. En una red de 50 Hz, la fundamental es 50 Hz; luego aparecen componentes de 100, 150, 200, 250 Hz y frecuencias superiores.
Al superponerse a la fundamental, la forma de onda deja de ser una senoide ideal. Un nivel elevado de estas componentes puede aumentar pérdidas, temperatura, corriente RMS y esfuerzos eléctricos en equipos y conductores.
Relación de frecuencia
fₙ = n × 50 Hz
250 Hz, por ejemplo, corresponde técnicamente al quinto orden armónico.
Visualización
Cómo se deforma una senoide
Una señal ideal contiene esencialmente 50 Hz. Las cargas no lineales agregan componentes de mayor frecuencia. Al sumarse, modifican los picos, los cruces por cero y las pendientes de la onda.
Ejemplo didáctico: el gráfico suma componentes de 150 Hz, 250 Hz y 350 Hz a la fundamental de 50 Hz. Se han aumentado deliberadamente para que el efecto sea fácil de ver.
El monitor v4 realiza una reconstrucción visual con las magnitudes medidas por el DMG610. Como los registros usados no entregan el ángulo de fase de cada componente, esa reconstrucción no debe interpretarse como un oscilograma exacto.
Origen
Cómo se generan los armónicos
La principal fuente son las cargas no lineales. A diferencia de una carga resistiva ideal, estas cargas no absorben corriente proporcionalmente a la tensión durante todo el ciclo: rectifican, conmutan o toman pulsos de corriente.
Variadores
La etapa rectificadora de entrada genera corriente no senoidal.
UPS y cargadores
La electrónica de potencia puede concentrar corriente en partes del ciclo.
Iluminación LED
Grandes cantidades de drivers electrónicos pueden aumentar el contenido armónico.
Fuentes conmutadas
Computadores, servidores, PLC y electrónica industrial son ejemplos habituales.
Efectos
Cómo pueden afectar a la instalación
Conductores y neutro
Los armónicos elevan la corriente RMS y las pérdidas I²R. En un sistema trifásico de cuatro hilos —R, S, T y neutro— las componentes triplén de 150 Hz, 450 Hz y 750 Hz pueden sumarse en el neutro en vez de cancelarse.
Transformadores
Pueden aumentar las pérdidas en cobre y por corrientes parásitas, provocando mayor temperatura y menor capacidad útil disponible.
Motores
Ciertas componentes producen campos magnéticos adicionales que aumentan pérdidas, calentamiento, vibración, ruido y par pulsante.
Bancos de condensadores
La impedancia capacitiva disminuye con la frecuencia. Los condensadores pueden absorber corrientes armónicas elevadas y una resonancia con la inductancia de la red puede amplificar determinadas frecuencias.
Protecciones y medición
La distorsión altera el valor RMS y el factor de cresta. Equipos no preparados para formas de onda no senoidales pueden medir o actuar de manera distinta a la esperada.
Electrónica sensible
Un THD de tensión elevado puede reducir márgenes operativos y contribuir a fallas, ruido y funcionamiento errático en fuentes, controladores e instrumentación.
Importante: las fotografías siguientes muestran daños eléctricos o térmicos de ejemplo. Una imagen por sí sola no permite afirmar que una falla fue causada por armónicos; sobrecargas, malos contactos, sobretensiones, envejecimiento y ventilación deficiente pueden producir efectos similares.
Ejemplos visuales
Consecuencias de estrés eléctrico y térmico
Conductores y conexiones
Una corriente RMS elevada incrementa las pérdidas térmicas. Los armónicos pueden ser uno de los factores contribuyentes.
Phiarc · Wikimedia Commons · licencia Creative Commons según ficha original.
Tableros eléctricos
Temperaturas excesivas degradan aislamiento y componentes, elevando el riesgo de fallas.
Victor zmey · Wikimedia Commons · CC BY-SA 3.0.
Frecuencias
Tabla explicativa de componentes
| Frecuencia | Orden técnico | Familia | Significado práctico |
|---|---|---|---|
| 50 Hz | Fundamental | Base | Componente principal de la red. |
| 100 Hz | 2ª | Par | Puede relacionarse con asimetrías, saturación o formas no simétricas. |
| 150 Hz | 3ª | Triplen | Muy relevante con cargas monofásicas no lineales; puede sumarse en el neutro R-S-T-N. |
| 200 Hz | 4ª | Par | Puede aparecer por asimetrías y conmutación no uniforme. |
| 250 Hz | 5ª | Impar | Frecuente en variadores y rectificadores; relevante para motores. |
| 300 Hz | 6ª | Par / Triplen | Generalmente menor; puede acompañar patrones de conmutación. |
| 350 Hz | 7ª | Impar | Frecuente junto con 250 Hz en electrónica de potencia. |
| 400 Hz | 8ª | Par | Orden superior útil para caracterizar la forma de onda. |
| 450 Hz | 9ª | Triplen | Puede contribuir a la corriente de neutro. |
| 500 Hz | 10ª | Par | Asociada a no linealidades y conmutación. |
| 550 Hz | 11ª | Impar | Puede aparecer en convertidores y rectificadores multipulso. |
| 600 Hz | 12ª | Par / Triplen | Componente de orden superior. |
| 650 Hz | 13ª | Impar | Puede aparecer en convertidores y otras cargas electrónicas. |
| 700 Hz | 14ª | Par | Normalmente de menor magnitud. |
| 750 Hz | 15ª | Triplen | Puede sumarse en el neutro junto con otras componentes triplén. |
THD
Qué representa la distorsión armónica total
El THD resume en un porcentaje el contenido de componentes armónicas respecto de la fundamental. Un THD mayor significa, en términos generales, una señal más alejada de la senoide ideal.
No obstante, el THD por sí solo no cuenta toda la historia. Dos señales con un THD parecido pueden tener distribuciones de frecuencia muy distintas; por eso el monitor muestra también 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, 250 Hz y las demás componentes hasta 750 Hz.
Uso práctico
Cómo interpretar el Monitor de Armónicos
- Revise voltajes, corrientes, potencia, frecuencia y factor de potencia para establecer el estado general.
- Observe el THD de tensión y corriente y su evolución en el tiempo.
- Identifique en los gráficos por frecuencia qué componentes dominan la distorsión.
- Preste especial atención a 150 Hz, 450 Hz y 750 Hz cuando exista neutro y una gran cantidad de cargas monofásicas electrónicas.
- Correlacione aumentos de 250 Hz y 350 Hz con la operación de variadores, rectificadores y otras cargas electrónicas de potencia.
- Compare las tendencias históricas con horarios, procesos productivos y maniobras de equipos.