Comprensión de los armónicos en los sistemas eléctricos: causas, efectos y riesgos

Los armónicos son un fenómeno crítico, aunque a menudo ignorado, en los sistemas eléctricos. Representan distorsiones en la forma de onda sinusoidal ideal de voltaje o corriente, que se producen a frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental de potencia (p. ej., 50 Hz o 60 Hz). Si bien los armónicos son inherentes a los sistemas eléctricos modernos, su presencia incontrolada puede acarrear graves consecuencias operativas y financieras. Este artículo explora sus causas, efectos y riesgos.

¿Qué causa los armónicos?

Los armónicos se originan principalmente a partir de cargas no lineales Dispositivos que consumen corriente de forma inconsistente con la forma de onda de voltaje sinusoidal. Ejemplos comunes incluyen:

· Variadores de frecuencia (VFD) en motores industriales.

· Fuentes de alimentación de modo conmutado (por ejemplo, computadoras, servidores, iluminación LED).

· Inversores de energía renovable (sistemas solares/eólicos).

· Sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) y cargadores de vehículos eléctricos.

Estas cargas interrumpen el flujo uniforme de corriente, creando formas de onda distorsionadas. Por ejemplo, un variador de frecuencia (VFD) podría consumir corriente en pulsos cortos en lugar de una onda sinusoidal continua, generando armónicos de tercer orden (150 Hz), quinto orden (250 Hz) o séptimo orden (350 Hz).

El impacto de los armónicos

Los armónicos degradan la calidad de la energía e imponen costos ocultos a la infraestructura eléctrica:

1. Pérdidas de energía y mayores costos
Las corrientes armónicas aumentan las pérdidas resistivas en cables, transformadores y motores. Por ejemplo, una corriente de quinto armónico puede causar hasta... 15% de desperdicio de energía adicional en los sistemas de distribución (estudios del DOE). Esta ineficiencia se traduce en facturas de electricidad infladas.

2. Daños en el equipo y reducción de su vida útil

o Transformadores y motores Las corrientes armónicas inducen corrientes parásitas y pérdidas por histéresis, lo que provoca sobrecalentamiento. Un transformador que opera con armónicos altos puede fallar entre un 30 % y un 50 % más rápido de lo nominal.

o Condensadores :Los armónicos pueden causar resonancia, sobrecargar los condensadores y provocar explosiones o incendios.

o Conductores neutros :En sistemas trifásicos, los armónicos triples (3º, 9º, etc.) se suman en las líneas neutras, pudiendo sobrecalentarlas.

3. Interrupciones operativas
Equipos sensibles como dispositivos médicos, instrumentos de laboratorio o servidores de centros de datos dependen de energía limpia. Las distorsiones de voltaje causadas por armónicos pueden provocar fallos de funcionamiento, corrupción de datos o tiempos de inactividad imprevistos.

4. Riesgos de cumplimiento y seguridad
Superar los límites armónicos establecidos por normas como IEEE 519-2022 Puede resultar en multas regulatorias. Además, el sobrecalentamiento del equipo presenta riesgos de incendio y de seguridad.

Estrategias de mitigación

Abordar los armónicos requiere una acción proactiva. Enfoque:

· Filtros armónicos pasivos : Ajustado para bloquear frecuencias armónicas específicas (por ejemplo, 5.ª o 7.ª), ideal para cargas estables.

· Filtros armónicos activos (AHF) :Inyecta dinámicamente corrientes contrarrestantes para neutralizar armónicos, adecuado para cargas variables.

· Diseño adecuado del sistema :Sobredimensionamiento de conductores neutros, utilizando transformadores de clasificación K y segregando cargas no lineales.

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