Armónicos en Sistemas Polifásicos: Causas, Efectos y Estrategias de Mitigación

Los armónicos —múltiplos enteros de la frecuencia fundamental— son consecuencia natural del comportamiento de carga no lineal en sistemas de potencia CA. Aunque una onda seno limpia de un generador idealmente no contiene contenido armónico, dispositivos reales distorsionan esta forma de onda, generando corrientes armónicas medibles que pueden impactar el rendimiento del sistema.

Cargas No Lineales y Generación Armónica

Dispositivos como lámparas de descarga de gas, controles de potencia semiconductor (diodos, transistores, SCRs, TRIACs), transformadores y motores eléctricos introducen no linealidades. La corriente consumida por estos componentes no sigue el voltaje aplicado proporcionalmente, produciendo formas de onda no sinusoidales. Incluso lámparas incandescentes, cuya resistencia de filamento varía con temperatura, exhiben una ligera forma de corriente no senoidal.

Cuando una forma de onda es simétrica respecto a su línea central, solo aparecen armónicos impares —1º, 3º, 5º, etc.— mientras los armónicos pares están prácticamente ausentes. Esta simetría es común en la mayoría de cargas industriales, por lo que los armónicos 2º, 4º, 6º… son típicamente despreciables.

Formas de onda simétricas —solo armónicos impares.

Por el contrario, formas de onda no simétricas generan armónicos pares e impares, como se ilustra abajo.

Formas de onda no simétricas —armónicos pares presentes.

Implicaciones de las Corrientes Armónicas

Incluso en sistemas monofásicos, los armónicos aumentan pérdidas en el núcleo del transformador por corrientes de Foucault, llevando a sobrecalentamiento. En redes polifásicas, la situación es más compleja. Los armónicos triplén (3º, 9º, 15º…), siendo múltiplos enteros de la fundamental, se suman constructivamente en el conductor neutro de un sistema Y-Y balanceado, potencialmente causando sobrecalentamiento del neutro —una preocupación crítica de seguridad porque los conductores neutros carecen de protección contra sobrecorriente.

Modelado SPICE de Efectos Armónicos

Simular cargas no lineales en SPICE ofrece visión intuitiva sin análisis matemático pesado. A continuación se muestran configuraciones clave y sus resultados.

1. Carga Monofásica Lineal

Circuito base: fuente 120 V, 60 Hz, carga 1 kΩ, con resistencias de fuente y línea de 1 Ω para medición.

Circuito SPICE con fuente de onda senoidal única.

simulación carga lineal vsource 1 0 sin(0 120 60 0 0) rsource 1 2 1 rline 2 3 1 rload 3 0 1k .options itl5=0 .tran 0.5m 30m 0 1u .plot tran v(2,3) .four 60 v(2,3) .end

El análisis de Fourier confirma una sola fundamental a 60 Hz (0,1198 A) con componentes de orden superior despreciables, resultando en 0 % distorsión armónica total (THD).

2. Carga Monofásica con Fuente de Corriente de 3er Armónico

Agregando una fuente de corriente de 50 mA, 180 Hz (3×fundamental) en paralelo con el resistor de 1 kΩ introduce una clara firma de 3er armónico.

simulación carga no lineal vsource 1 0 sin(0 120 60 0 0) rsource 1 2 1 rline 2 3 1 rload 3 0 1k i3har 3 0 sin(0 50m 180 0 0) .options itl5=0 .tran 0.5m 30m 0 1u .plot tran v(2,3) .four 60 v(2,3) .end

THD sube a 41,7 %, con componente de 3er armónico de 50 mA claramente visible.

3. Múltiples Fuentes Armónicas

Extender la simulación para incluir armónicos 5º, 7º y 9º demuestra comportamiento aditivo.

simulación carga no lineal vsource 1 0 sin(0 120 60 0 0) rsource 1 2 1 rline 2 3 1 rload 3 0 1k i3har 3 0 sin(0 50m 180 0 0) i5har 3 0 sin(0 50m 300 0 0) i7har 3 0 sin(0 50m 420 0 0) i9har 3 0 sin(0 50m 540 0 0) .options itl5=0 .tran 0.5m 30m 0 1u .plot tran v(2,3) .four 60 v(2,3) .end

Cada armónico contribuye aproximadamente 50 mA a la corriente de línea, y THD sube a 83,3 %.

4. Sistema Trifásico Y-Y Balanceado

Agregando tres fases con separación de 120° y cargas idénticas reproduce los resultados monofásicos para cada fase. Las corrientes de línea reflejan el patrón de armónicos impares, pero el conductor neutro muestra una anomalía llamativa: los armónicos 3º y 9º dominan (≈149 mA cada uno), mientras la fundamental y otros armónicos impares son despreciables.

Circuito SPICE: análisis de corrientes de línea y neutro en sistema Y-Y balanceado.

Análisis de Fourier de Corriente de Línea

Componentes de Fourier de respuesta transitoria v(2,8) ...

Análisis de Fourier de Corriente de Neutro

Componentes de Fourier de respuesta transitoria v(0,7) ...

Los resultados confirman que los armónicos triplén se suman constructivamente en el neutro, mientras las corrientes fundamentales se cancelan, dejando el neutro esencialmente libre de flujo a 60 Hz.

5. Eliminando el Conductor Neutro

Eliminar el neutro desplaza el balance: el centro Y se vuelve un punto "caliente" flotante, y voltajes armónicos triplén (≈50 V) aparecen a través de cada fase de carga y entre los dos centros Y. Aunque esto elimina corrientes de neutro, introduce voltajes armónicos significativos en las fases.

6. Fuente Δ-Y con Carga Y

Conectando una fuente Δ a una carga Y preserva voltajes de fase balanceados pero aún permite voltajes triplén a través de cada fase de carga. Las corrientes de línea permanecen dominadas por armónicos no triplén.

7. Configuración Δ-Δ

El sistema Δ-Δ enlaza directamente fases de fuente y carga, eliminando el neutro y la acumulación asociada de armónicos triplén. Las corrientes armónicas generadas por la carga circulan dentro del bucle Δ, nunca entrando a conductores de línea o devanados de fuente. Consecuentemente, corrientes de línea y voltajes de fase de carga permanecen mayormente sinusoidales, con THD bajo 1 % para el voltaje de carga.

Conclusiones Clave

• Dispositivos no lineales producen corrientes armónicas siempre que consumen corriente no proporcional de un voltaje sinusoidal.
• Distorsión simétrica produce solo armónicos impares; armónicos pares usualmente son despreciables.
• Armónicos triplén (3º, 9º, 15º…) se alinean en fase a través de fases desfasadas 120°, causando corrientes de neutro aditivas en sistemas Y-Y.
• Topología Δ-Δ confina corrientes triplén al bucle de carga, previniendo su propagación a conductores de línea.

Hojas de Trabajo Relacionadas

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