Entender los armónicos eléctricos: Parte 1 – Fundamentos e impacto

Colin Hargis, ingeniero jefe en Control Techniques, ofrece una introducción a los armónicos en este blog de dos partes. La parte dos está disponible aquí.

Este blog es una introducción al tema de los armónicos de potencia eléctrica, con referencia especial a variadores inversores de velocidad variable. Pretende explicar qué son y qué hacen en términos sencillos, y distinguirlos de otros efectos de Compatibilidad Electromagnética (CEM) como interferencia de radiofrecuencia y "ruido" eléctrico.

Para simplificar, los ejemplos asumen principalmente una frecuencia de red de 50 Hz. Si trabajas en una zona usando 60 Hz, necesitarás escalar las frecuencias adecuadamente.

Introducción a los armónicos

Un armónico de una función periódica tiene una frecuencia que es un múltiplo entero de la de la función (que es la fundamental). En ingeniería de potencia eléctrica, esta idea se usa principalmente para ayudar a entender el efecto de cargas de potencia no lineales, donde la fuente de tensión es senoidal pero la corriente está distorsionada, aunque aún con el mismo período. Usando el concepto de la Serie de Fourier, podemos representar una forma de onda periódica distorsionada como la suma de un número de armónicos.

Por ejemplo, un rectificador de puente monofásico simple consume una corriente que es una serie de pulsos cortos en los picos de tensión, como se muestra en la Figura 1;

Figura 1: Forma de onda de corriente para rectificador de puente monofásico simple

La corriente puede analizarse en sus frecuencias constituyentes. Comprende una serie de armónicos de orden impar como se muestra en la Figura 2;

Figura 2: Análisis de frecuencia de la corriente de la Figura 1

El beneficio de este análisis es que el comportamiento de componentes eléctricos es más fácil de entender y definir en términos de frecuencias senoides específicas.

En este caso, con una frecuencia de red de 50 Hz, puedes ver que las corrientes armónicas hasta órdenes de unos 30 (es decir, 1500 Hz) son bastante significativas. Más allá disminuyen rápido. Los armónicos de orden bajo de órdenes 3, 5, 7 y 9 son realmente altos en amplitud y no mucho menores que la fundamental (50 Hz).

Si los semiciclos negativo y positivo tienen la misma forma, entonces solo están presentes los armónicos impares. En circuitos de potencia trifásicos, los armónicos triple-n (3, 6, 9, 12, etc.) también están ausentes, porque son cofasiales, y las corrientes cofasiales se bloquean en un circuito de tres hilos.

Definición estricta y de trabajo para armónicos. Interarmónicos.

Un armónico verdadero solo puede tener una frecuencia que sea un múltiplo entero exacto de la fundamental. La mayoría de dispositivos no lineales simples como rectificadores y componentes magnéticos con núcleo de hierro generan corrientes armónicas verdaderas.

En circuitos electrónicos de potencia modernos usando conmutación activa, que puede no estar sincronizada con la frecuencia de red, pueden estar presentes nuevas frecuencias que no son armónicos verdaderos. Por ejemplo, como ilustré en los Blogs 4 y 5 sobre variadores regenerativos, un inversor operando con frecuencia de conmutación de 4 kHz con red de 60 Hz genera corrientes a frecuencias de 3880 Hz y 4120 Hz, así como muchas otras, que no son múltiplos enteros de 60 Hz y por tanto no son armónicos verdaderos. El término correcto para estos es Interarmónicos. Son frecuencias no deseadas y algunos de sus efectos son los mismos que para armónicos, así que en discusión general pueden referirse simplemente como "armónicos". Esto puede causar confusión, así que es mejor aclarar si hablamos de armónicos verdaderos o todo tipo de distorsión.

¿Qué efecto tienen?

Refiriéndonos a las Figuras 1 y 2 de nuevo, tenemos un rectificador conectado al suministro de red. El suministro es senoidal y tiene una única frecuencia de 50 Hz. El rectificador genera corrientes armónicas que fluyen en el suministro. El rectificador es una fuente de corriente a las frecuencias armónicas, que se emiten de vuelta al suministro y se propagan por el sistema de potencia. La Figura 3 ilustra esto. La corriente armónica es emitida por la carga, y causa una tensión armónica en la impedancia de la fuente del suministro. La tensión es experimentada por otros usuarios de potencia conectados al mismo punto de acoplamiento común (PCC).

Figura 3: Propagación de armónicos en la red de potencia

Los armónicos tienen frecuencias que van desde 100 Hz hasta unos 2500 Hz (generalmente paramos en orden 50, pero algunas autoridades miran hasta 100 o incluso 200. La norma para mediciones armónicas para en 9 kHz). El primer punto interesante es que estas son frecuencias muy bajas en el espectro electromagnético. Esto se ilustra en el espectro mostrado en la Figura 4;

Figura 4: Espectro electromagnético simplificado mostrando la posición de armónicos de potencia

"Radiofrecuencia" se considera generalmente que comienza en 9 kHz, y de hecho hay muy pocas aplicaciones de radio por debajo de unos 100 kHz por la dificultad de generar una onda electromagnética útil. Esto significa que los armónicos no se propagan como ondas y solo viajan por conducción alrededor del cableado del sistema de potencia. No causan interferencia por acoplamiento parásito, solo por ser conducidos a otros equipos a través de los hilos de potencia. La razón por la que hay que considerarlos es que son acumulativos —así, un rectificador en un televisor tiene un efecto minúsculo, pero cuando millones de televisores operan al mismo tiempo, sus armónicos tienen la misma frecuencia y fase, así que se suman en el sistema de potencia. El efecto global es distorsionar la forma de onda senoidal de la tensión. La Figura 5 ilustra el tipo de distorsión "plana en la cima" causada por rectificadores;

Figura 5: Distorsión de tensión causada por armónicos de rectificadores

Un nivel moderado de corriente armónica en el sistema de potencia no es preocupante, pero si se vuelve excesivo pueden resultar problemas. Algunos de los posibles efectos de armónicos excesivos en el sistema de potencia se listan abajo. Todos son bastante inusuales, pero si ocurren pueden ser difíciles y caros de corregir.

• Calentamiento aumentado de algunos equipos sensibles a frecuencia, especialmente:
  • Condensadores para corrección de factor de potencia
  • Motores de inducción
  • Transformadores
  • Generadores (p. ej. generadores locales pequeños como fuentes de respaldo)
• Ruido acústico en transformadores, barras colectoras, etc.
• Errores en equipos que usan la frecuencia de red para temporización (ahora poco comunes)
• Disparo no deseado de sistemas SAI que responden a distorsión de forma de onda
• Captación de ruido en sistemas de sonido analógicos, p. ej. teatro o iglesia
• Disparo no deseado de relés de protección del sistema de potencia, resultando en pérdida del suministro público

Dificultades serias con armónicos son inusuales salvo en casos bastante especiales. Un ejemplo es un buque que tiene su propio generador con capacidad de potencia limitada y un gran número de variadores u otros rectificadores. Sin embargo, las compañías eléctricas experimentan una acumulación de armónicos de los millones de pequeños electrodomésticos en operación, y hay ubicaciones donde el armónico 5º en el suministro público está en su valor límite.

"Ruido"

Nota que el efecto de armónicos no incluye el tipo de perturbación a circuitos electrónicos generalmente referido como "ruido eléctrico", que tiende a resultar en ruido y vibración en sistemas de variadores analógicos y/o errores de datos en enlaces de datos digitales. Las razones son:

• La frecuencia de los armónicos es demasiado baja para acoplamiento parásito significativo por inducción entre circuitos eléctricos adyacentes. La mayoría de interferencia eléctrica es causada por frecuencias mucho más altas que pueden acoplarse electromagnéticamente, o a través de la inductancia parásita de conexiones de tierra.

Los armónicos se propagan como corrientes de modo serie en el circuito de potencia solamente, es decir, viajan en los conductores de potencia del sistema de potencia y no en las conexiones de tierra. El "ruido" de alta frecuencia suele ser en modo común, es decir, viaja en conductores y el circuito se completa por la tierra. Véase la Figura 6 para más explicación;

Figura 6: Modo serie (a) y modo común (b) en un circuito de potencia monofásico

Datos armónicos: entrada y salida, tensión y corriente

Los usuarios de variadores a veces piden datos armónicos para un variador. Hay posibilidad de confusión porque pueden referirse a la entrada o la salida, y a corriente o tensión. La tabla siguiente resume los datos relevantes para cada lugar.

A veces, una petición de datos armónicos de salida proviene de la experiencia previa del usuario con variadores inversores de generaciones anteriores que usaban la técnica cuasi-cuadrada, y contenían los armónicos no triple-n de la frecuencia de trabajo. Con PWM, los armónicos son despreciables.

Para resumir la tabla, los únicos datos armónicos que son característicos de un modelo particular de variador son los datos de corriente de entrada. Eso debería estar disponible del proveedor bajo petición.

En la parte 2 del blog de armónicos veremos cómo se miden y evalúan los armónicos, cómo varían con la carga del variador, y qué se puede hacer si necesitan reducirse.