Armónicos de potencia explicados: La amenaza oculta

Los armónicos son corrientes y tensiones adicionales, múltiplos enteros de la frecuencia de alimentación, que las cargas no lineales consumen además de la onda sinusoidal fundamental. Su efecto es costoso: los transformadores, los motores y los conductores neutros se sobrecalientan, los relés se disparan incorrectamente y la vida útil de los equipos se acorta incluso por debajo de la carga nominal.

Esta guía abarca la medición en el punto de acoplamiento común (PCC) y cómo comparar las principales tecnologías de mitigación.

¿Por qué los armónicos sobrecalientan los equipos por debajo de su carga nominal?

Una corriente armónica no realiza trabajo útil: no añade par motor ni proporciona potencia real, solo calor. La temperatura del bobinado, provocada por las pérdidas I²R, es la principal causa del envejecimiento y el fallo del aislamiento.

Tres efectos hacen que los armónicos sean más dañinos que la corriente fundamental:

• Mayor valor RMS para la misma carga.Una forma de onda distorsionada transporta una corriente RMS mayor, por lo que los cables y transformadores conducen más corriente de la que indica la lectura en kW.
• Pérdidas por piel y por remolinos.Las corrientes de orden superior se acumulan en la superficie del conductor e inducen corrientes parásitas en los devanados, por lo que las pérdidas aumentan más rápidamente que a 50/60 Hz.
• Corriente de secuencia cero (triple).En un neutro de cuatro hilos, los armónicos 3.º, 9.º y 15.º se suman en fase, por lo que la corriente del neutro puede superar la corriente de fase.

Los relés y disyuntores responden a la potencia eficaz (RMS) o de pico, no a la potencia útil (kW), por lo que la distorsión provoca disparos intempestivos. Los bancos de condensadores también se ven afectados: su impedancia disminuye a medida que aumenta la frecuencia y puede resonar con la inductancia del sistema, amplificando la señal en un orden de magnitud.

Física: Fundamental, Orden Armónico, THD e I²R

Los órdenes armónicos fundamentales e individuales

La frecuencia fundamental es la componente de 50 o 60 Hz que proporciona potencia real. Una corriente armónica se sitúa en un múltiplo entero de esa frecuencia: a 50 Hz, el quinto armónico es de 250 Hz y el séptimo, de 350 Hz.

THDi, THDv y por qué un solo número no es suficiente

La distorsión armónica total (THD) es el valor RMS de todos los componentes armónicos expresado como porcentaje de la fundamental. THDi describe la distorsión de corriente; THDv describe la distorsión de voltaje, que depende de la impedancia de la fuente. Un único valor de THDi puede ocultar el problema: un filtro que elimina los armónicos de quinta y séptima orden puede dejar intactos los de undécima y decimotercera orden. Por lo tanto, las normas IEEE 519 e IEC 61000 limitan tanto los órdenes individuales como el total en el punto de acoplamiento común (PCC).

Pérdidas I²R, factor de potencia y potencia reactiva

La corriente armónica aumenta la corriente RMS, por lo que cada amperio adicional produce calor I²R. También distorsiona el factor de potencia: el factor de potencia de desplazamiento (cos φ) es el desfase entre la tensión y la corriente fundamentales, mientras que el factor de potencia real es la relación entre la potencia real y la aparente (P/S). A medida que aumenta la distorsión, el factor de potencia real disminuye incluso cuando cos φ parece aceptable, por lo que se evalúan conjuntamente la compensación de potencia reactiva (un SVG) y la mitigación de armónicos (un AHF).

Cómo los armónicos dañan tu sistema

Las pérdidas armónicas elevan la temperatura de transformadores y motores por encima de su temperatura de diseño, lo que requiere una reducción de potencia y acelera el envejecimiento de su aislamiento. En la distribución de cuatro hilos, los armónicos triples sobrecargan el neutro. Los relés, interruptores y variadores también se disparan sin una sobrecarga real, y los condensadores de corrección del factor de potencia existentes pueden entrar en resonancia con la red eléctrica, lo que representa un riesgo de incendio reconocido. La Tabla 1 resume las principales fuentes y las tecnologías utilizadas para controlarlas.

Cómo medir armónicos en el PCC

Dónde colocar los tomógrafos computarizados y los instrumentos.

Coloque los transformadores de corriente (TC) donde sea necesario demostrar la responsabilidad de la distorsión, normalmente en el punto de acoplamiento común (PCC) o en el bus que alimenta las cargas no lineales. En el caso de un filtro activo, los TC deben medir la corriente total de carga que el filtro corregirá; si los TC se encuentran en la rama incorrecta, el filtro corregirá la señal errónea.

Qué grabar

Registre THDi y THDv, los órdenes armónicos individuales (al menos el 3.º, 5.º, 7.º, 11.º y 13.º), la corriente neutra, el factor de potencia real y la potencia reactiva a lo largo de un ciclo de trabajo completo. Si THDi está aumentando, consulte nuestro artículo sobre¿Qué causa un THDi elevado y cómo reducirlo?Sigue los mismos pasos de diagnóstico.

Comparación de tecnologías de mitigación de armónicos

Cada tecnología resuelve una parte diferente del problema:

• Filtro pasivo.Circuito inductor-condensador sintonizado que desvía un orden armónico específico. De bajo costo, pero fijo: propenso a la desintonización y la resonancia, por lo que es más adecuado donde el espectro de carga es estable.
• Reactor lineal o variador de frecuencia (VFD).Un reactor añade impedancia antes de un variador; un circuito frontal activo sustituye al rectificador de diodos. Ambos reducen la corriente que inyecta un variador, pero ninguno corrige las demás cargas.
• Filtro armónico activo (AHF) / filtro de potencia activo (APF).Electrónica de potencia que mide la corriente de carga e inyecta una corriente igual y opuesta para cancelar los armónicos en tiempo real; adecuada para VFD, sistemas UPS y cargas variables.filtro armónico activo (AHF)y elfiltro de potencia activo (APF)son ejemplos.
• Generador de variables estáticas (SVG).Un compensador de potencia reactiva rápido que mantiene estables el voltaje y el factor de potencia.generador de variables estáticas (SVG)Aborda la potencia reactiva y la estabilidad de voltaje, y normalmente se combina con el filtrado de armónicos.

Cómo seleccionar un filtro armónico

Tamaño determinado por medición, no por la potencia del transformador:

• Filtrar corriente.Dimensionar el AHF para la corriente armónica en la parte más concurrida del día, con margen para el crecimiento.
• Colocación y control de la tomografía computarizada.El filtro solo puede corregir lo que miden sus transformadores de corriente; confirme si el objetivo es la corriente de carga, el PCC o ambos.
• Topología y conmutación.Una topología de tres niveles (3-level) reduce las pérdidas de dv/dt y de conmutación en comparación con un diseño de dos niveles, y una mayor frecuencia de conmutación del IGBT amplía el rango de órdenes que un filtro puede cancelar; confirme estos valores en lugar de asumirlos.
• Medio ambiente y reducción de calificación.Solicite la potencia nominal continua a 45 °C a plena carga, no un valor de laboratorio.
• Redundancia y servicio.Para emplazamientos críticos, considere la posibilidad de utilizar módulos paralelos o unidades montadas en la pared para que el mantenimiento no interrumpa la producción.

Limitaciones y cuándo estas soluciones no son suficientes

Los filtros son eficaces, pero no universales, y una especificación honesta implica conocer sus límites:

• Un AHF cancela una corriente armónica limitada; para más allá de eso, utilice módulos en paralelo.
• Los filtros descendentes no eliminan la distorsión ascendente; verifique la norma IEEE 519 en el PCC.
• Los filtros pasivos pueden desafinarse y resonar, así que revíselos cada vez que cambie la red.
• Un SVG corrige la potencia reactiva y la tensión, no la corriente armónica por sí solo.
• Una colocación incorrecta del tomógrafo computarizado hace que incluso un filtro del tamaño correcto tenga un rendimiento inferior.

Preguntas frecuentes

¿Cómo debo medir los armónicos antes de elegir un filtro?

Registre THDi, THDv, los órdenes 5.º, 7.º, 11.º y 13.º, la corriente neutra y el factor de potencia real en el PCC y en el bus de carga durante un ciclo de trabajo completo. Este perfil, y no la potencia nominal, establece la base para el dimensionamiento.

¿Debo elegir un filtro AHF, un filtro SVG o un filtro pasivo?

Elija un AHF para la corriente armónica de variadores de frecuencia, sistemas UPS o cargas variables; un SVG para la potencia reactiva o la estabilidad de voltaje; un filtro pasivo solo cuando el espectro de carga sea estable y se haya comprobado la resonancia. Muchas plantas necesitan ambos.

¿Qué implica la instalación de un filtro de armónicos?

La instalación normalmente consiste en una conexión en paralelo en el bus que se va a corregir, con transformadores de corriente (TC) conectados a la corriente de carga medida. Los elementos principales son un interruptor, cable, refrigeración de la carcasa y polaridad correcta de los TC; la puesta en servicio confirma la desconexión en THDi y cada orden previsto.

¿Qué mantenimiento necesita un filtro y cómo se justifica?

Los filtros activos no tienen partes móviles y solo requieren revisiones periódicas de los ventiladores, las conexiones y el firmware. Su justificación rara vez se basa en una cifra de retorno de la inversión prometida; se trata del ahorro en costes derivados de fallos, disparos, tiempos de inactividad y penalizaciones de las compañías eléctricas, verificado frente a la reducción medida del consumo energético total (THDi) y las pérdidas.

Conclusión

Los armónicos representan un costo oculto pero cuantificable. Una vez cuantificada la distorsión en el punto de conexión común (PCC), la combinación adecuada de filtros armónicos activos, generadores estáticos de potencia reactiva (var) y componentes pasivos puede reducir las pérdidas, evitar disparos intempestivos y prolongar la vida útil de los equipos. YT Electric (Shanghai Yingtong Electric) fabrica filtros armónicos activos y generadores estáticos de potencia reactiva para plantas industriales, centros de datos y proyectos de energías renovables.

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