La distorsión armónica en corriente y voltaje dentro de las instalaciones eléctricas, cobra importancia cuando llega a porcentajes altos. Sin embargo, para entender a la perfección este fenómeno, se necesita comprender a fondo, los fundamentos eléctricos que los originan, empezando por las cargas no lineales.
Clasificación de cargas (Lineales y no lineales)
Carga lineal
Una carga lineal es aquella que posee una impedancia constante, a la cual, al aplicarle cierto voltaje senoidal, da lugar a un flujo de corriente que cambia en la misma proporción que la señal de voltaje.
Figura 1 – Comportamiento del voltaje y corriente en una carga lineal.
Carga no lineal
Una carga no lineal es aquella que no posee impedancia constante. Esto resulta en una forma de corriente no sinusoidal cuando se le aplica un voltaje a la carga. Dicha forma de onda de corriente no coincide con la forma de onda de voltaje aplicado. Este fenómeno puede terminar en pulsos y cambios bruscos en la forma de onda de la corriente.
Figura 2 – Comportamiento del voltaje y corriente en una carga no lineal.
Los pulsos de corriente repentinos e importantes, producen corrientes reflejadas importantes de regreso en los sistemas de distribución de energía.
Dentro de los tipos de cargas no lineales se incluyen:
- – Iluminación fluorescente
- – Balastros electrónicos
- – Motores con variadores de frecuencia
- – Computadoras
- – UPS
- – Impresoras Láser
- – Otros equipos electrónicos
Las corrientes armónicas son producidas cuando las cargas electrónicas cambian su impedancia, por lo que la forma de onda de corriente no se visualiza como la forma de onda de voltaje.
Armónico
Un armónico es un término que describe las formas de onda que se repiten a una frecuencia que es múltiplo de la frecuencia fundamental.
El orden de una armónica es la relación entre la frecuencia de los armónicos respecto a la frecuencia fundamental. Por ejemplo, si un armónico posee una frecuencia de 180 Hz, se dice que es de tercer orden, pues 180 Hz = 60 Hz x 3.
Forma de onda resultante
Al momento de combinar una señal o señales armónicas producen una resultante no sinusoidal o forma de onda de corriente compleja.
Figura 3 – Onda resultante, considerando armónicos en la instalación
En el caso de las corrientes que son de tercer orden o múltiplos de ellas, se suman de manera particular, pues al momento de sumarse, se forma una onda senoidal más grande, la cual tendrá como vía de conducción al conductor neutro.
Figura 4 – Relación de los armónicos de tercer orden respecto al conductor neutro
Adicionalmente a esto, lo más común es que una forma de onda distorsionada, se pueda “deconstruir” en la suma de varias formas de onda que pertenecen a un orden de armónicas.
Una buena forma de visualizar la deconstrucción de una onda distorsionada es a través de un diagrama del espectro de armónicas, el cual puede ser obtenido al utilizar un medidor de calidad de la energía en una instalación eléctrica.
Figura 5 – En un espectro de armónicas, se indica el porcentaje de armónica individual como porcentaje de la onda fundamental
Distorsión armónica total
La distorsión armónica total se define como la relación de las corrientes o voltajes armónicos respecto a la onda fundamental, expresado en porcentaje.
Como se puede ver en la figura 5, el mismo resultado del espectro de armónicas muestra al final, la distorsión armónica total (THD), con un porcentaje de aproximadamente el 24% de la onda fundamental.
Efectos de las corrientes armónicas.
Debido a que las corrientes armónicas operan a una frecuencia mayor que la fundamental, estos tienen efectos relevantes dentro de la instalación eléctrica del inmueble.
- – Calentamiento por inducción de los generadores, y otros dispositivos electromagnéticos como motores y relés, debido al aumento de corrientes de Eddy, efecto piel y pérdidas por histéresis.
- – Calentamiento de conductores, interruptores, fusibles y otros componentes, debido al incremento en el calentamiento por efecto Joule I2R.
- – Incremento en el calentamiento de canalizaciones, envolventes y otras partes metálicas.
- – Operación impredecible de equipos, debido a la distorsión en el voltaje armónico.
- – Sobrecalentamiento general de equipos.
Los métodos convencionales utilizados para mitigar los efectos de estas corrientes armónicas incluyen los transformadores de grado K, transformadores de zig-zag y fase partida, tableros de potencia sobredimensionados, conductores neutros sobredimensionados, y otras técnicas de mitigación.
El filtro de bloqueo de terceras armónicas es un dispositivo bien establecido para prevenir flujos de corriente armónica.
Normatividad
En el caso de los estándares internacionales, el estándar IEEE 519, en el apartado 5.1, menciona que la distorsión armónica total en ondas de voltaje no debe ser mayor a 8%, mientras que el porcentaje de las armónicas individuales no debe ser mayor a 5%. Lo anterior aplica solamente para sistemas cuyo voltaje de alimentación es de 1 kV o menos.
Adicionalmente, en el caso de los sistemas fotovoltaicos, y cualquier otro generador exento, la resolución RES 142 de la CRE, establece que el límite de distorsión armónica total en la forma de onda de corriente es de 5%, sin superar los límites individuales especificados en la tabla siguiente:
Este requerimiento se debe de cumplir de parte de la onda de salida de los inversores, y como tal, deben existir pruebas de un laboratorio acreditado, que validen que el inversor no excede dichos rangos de corrientes armónicas. El hecho de que un inversor cuente con la certificación UL1741 garantiza que el valor de distorsión armónica está dentro de los rangos adecuados. Aún así, generalmente la ficha técnica del inversor contiene esta información.
Figura 6 – La distorsión armónica total del inversor mostrado es menor a 1.5% y menor a 1.75% en el caso de los modelos más grandes.
Los métodos de mitigación de corrientes armónicas y sus soluciones dentro de las instalaciones industriales y comerciales se analizan a profundidad en el curso Calidad de la energía para sistemas fotovoltaicos.
