En este artículo abordaremos los armónicos desde el origen hasta sus consecuencias, así como las herramientas al alcance de los consumidores de energía eléctrica para mitigar sus efectos. 

La presencia de este tipo de corrientes parásitas en las instalaciones eléctricas (tanto a nivel doméstico como a nivel industrial) ha aumentado en los últimos años debido a la creciente implementación de cargas conocidas como no lineales, que implican el uso de convertidores electrónicos para transformaciones CA-CC y CC-CA para su funcionamiento. Tras las transformaciones mencionadas, las cargas acaban consumiendo corriente con una forma de onda distorsionada. 

 Elementos tan comunes como los ordenadores requieren conversiones AC-DC 

Gracias al matemático Jean-Baptiste Fourier se puede descomponer dicha forma de onda en una suma de corrientes con frecuencias múltiples de la frecuencia fundamental (50 – 60 Hz).

Se trata pues, de perturbaciones que se originan en las propias instalaciones, a diferencia de otros factores de calidad de red como podrían ser la amplitud, la frecuencia o la simetría, que suelen ser ocasionadas por el suministrador de energía.

Además de los mencionados efectos en la forma de onda en corriente, los armónicos en corriente provocan también un efecto de distorsión en la onda de tensión, debido a las caídas de tensión que se producen al circular dichas corrientes a través de la impedancia de las líneas y transformadores. 

Dichas distorsiones se pueden medir mediante analizadores de redes y se cuantifican principalmente en porcentaje de distorsión o tasa de distorsión armónica (THD). A nivel internacional, existen normas que establecen los valores límite de distorsión armónica, que es importante minimizar porque sus efectos pueden repercutir en instalaciones próximas de otros usuarios (ver IEC-61000-2-2; 2-4; 3-2; 3-4; 3-12; IEEE-519-2014). 

 Después de esta introducción conceptual, veamos cuáles son las cargas no lineales más comunes: 

• Convertidores estáticos (grupos rectificadores, variadores de velocidad, arrancadores suaves, cargadores de baterías…)

• Equipos electrónicos monofásicos como ordenadores, impresoras, autómatas programables, etc. Internamente trabajan en corriente continua y disponen de un condensador de filtro y un rectificador a la entrada.

• Instalaciones de iluminación con lámparas de descarga.

• Hornos de arco y equipos de soldadura.

• Transformadores y reactancias con núcleo de hierro, cuya magnetización no es lineal.

Uno de los efectos más importantes de la distorsión en corriente causada por las cargas listadas es un aumento de la corriente eficaz en la red, que conlleva un aumento innecesario del consumo y problemas relacionados con el dimensionado de cables y transformadores.

 Sus principales consecuencias son: 

Sobrecarga de conductores

El aumento de la corriente eficaz puede implicar que la corriente que vaya a circular por los conductores sea superior a la admisible de los mismos, siendo necesario aumentar la sección de estos, si no se había tenido en cuenta el efecto causado por las corrientes armónicas. Esta problemática puede resultar especialmente crítica para los conductores de neutro, ya que los armónicos triples (de orden impar múltiple de 3: 3, 9, 15), causados principalmente por cargas monofásicas, hacen que el retorno de las corrientes armónicas se produzca por el neutro sumándose entre ellas. Es esencial controlar el nivel de sobreintensidades en el neutro, ya que un calentamiento excesivo puede llevar a degradaciones importantes, llegando incluso a un corte del mismo si no se controla debidamente. El corte del neutro comportaría una sobretensión permanente en la red, destruyendo equipos que no estén protegidos contra esta situación.

Desclasificación de los transformadores

La presencia de armónicos en la red aumenta el valor de las pérdidas por histéresis y las pérdidas por corrientes de Foucault en los transformadores, incrementando su temperatura de funcionamiento y por consecuencia reduciendo su vida útil. Así pues, los transformadores afectados por corrientes armónicas sufrirán una desclasificación de la potencia (pérdida de capacidad) a la que pueden trabajar sin generar un calentamiento que exceda el normal.

Disparo de protecciones

La corriente eficaz que circula por los conductores puede verse importantemente alterada con el incremento de corriente debido a los armónicos de la instalación, pudiendo llegar a superar los límites térmicos de los interruptores automáticos y haciéndolos disparar. Aunque es más improbable, la presencia de armónicos puede llegar a provocar el disparo de los interruptores automáticos por protección magnética en el caso que el factor de cresta de la onda de corriente supere el límite de estos. Es frecuente encontrar factores de cresta elevados en cargas monofásicas como ordenadores o alumbrado de descarga. 

Las corrientes armónicas tienen un efecto indirecto sobre el disparo de interruptores diferenciales, ya que el hecho que circulen a través de un diferencial no producirá un disparo. En cambio, sí que implicará un comportamiento de la red aguas arriba del diferencial caracterizado por una elevada impedancia frente a las corrientes armónicas, propiciando que éstas circulen por capacidades parásitas o elementos capacitivos conectados a tierra (Filtros EMC), haciendo que aumente el nivel de fuga observado por la protección diferencial y provocando disparos intempestivos.

Resonancia y sobrecarga de baterías de condensadores

Los condensadores son elementos que pueden presentar resonancia en paralelo con el comportamiento inductivo del transformador y del cableado de alimentación de la instalación. Esta resonancia hace aumentar enormemente la impedancia del conjunto a una frecuencia determinada que variará en función de la potencia de la batería de condensadores o las condiciones de impedancia del sistema de alimentación. Debido a estas características de los elementos capacitivos, y en combinación con la presencia de armónicos en la red, se pueden producir dos fenómenos perjudiciales para la instalación:

• En primer lugar, se produce un aumento de la tasa de distorsión en tensión para toda la instalación donde se presenta la resonancia, pudiendo afectar al resto de cargas.

• Por otro lado, los mismos condensadores y otros elementos de la batería de condensadores como los elementos de maniobra pueden resultar dañados como consecuencia de su menor impedancia frente a corrientes armónicas y al elevado grado de distorsión en tensión, que provocará un aumento del consumo de corriente de los condensadores pudiendo llegar a quemarlos.

 Una vez tratadas las consecuencias de los armónicos en corriente, veamos las principales problemáticas en relación con los armónicos en tensión: 

Distorsión en tensión

La distorsión en tensión es consecuencia del paso de corrientes armónicas por las impedancias que conforman los distintos elementos de distribución y alimentación de la instalación. La distorsión en tensión es especialmente relevante, pues unos niveles elevados pueden provocar malfuncionamientos de equipos en instalaciones, y por este motivo existen normativas en relación a los niveles de compatibilidad para este tipo de perturbaciones. 

La norma EN 50160 fija condiciones a cumplir tanto por parte del consumidor como por parte del distribuidor en el punto de acople (PCC), mientras que la norma 61000-2-4 establece unos límites máximos de distorsión para el correcto funcionamiento de diferentes tipos de cargas. En dicha norma se definen también diferentes clases de entorno. 

A modo de ejemplo, el límite de distorsión en tensión para la clase 1, que engloba cargas sensibles como automatismos, ordenadores, etc. se fija en un 5%. 

Esto significa que para valores superiores de distorsión este tipo de cargas pueden verse afectadas y operar de forma inapropiada.

Efecto sobre motores de inducción

Los motores de inducción verán aumentadas sus pérdidas como consecuencia del aumento de las corrientes parásitas. Adicionalmente, y en función de las secuencias de giro que inducen los campos magnéticos provocados por los armónicos en tensión, el motor puede experimentar aceleraciones (secuencia positiva), frenado (secuencia negativa), o ambos a la vez, provocando vibraciones y excentricidades que producen el desgate mecánico de sus componentes. El estudio de la desclasificación de los motores frente a la tasa de distorsión en tensión se recoge en las normas EN 60034-12 y NEMA MG1. En definitiva, los factores observados provocan una pérdida de par en el motor y una disminución de su rendimiento.

Perturbaciones de paso por cero

Muchos dispositivos electrónicos disponen de controladores que activan el funcionamiento de la carga con el paso por cero de la tensión. Esto se emplea para minimizar los picos de corriente de conmutación de muchas cargas inductivas, y minimizar su impacto a nivel de compatibilidad electromagnética. Ante una distorsión en tensión, el funcionamiento de dichos equipos puede ser totalmente erróneo, pudiendo hacer que se estropeen, entren en un bucle, se reseteen, etc. 

Una vez analizados los orígenes y los efectos de los armónicos, es importante destacar que el interés para su eliminación de las instalaciones eléctricas no es puramente económico, sino que está enfocado a garantizar un suministro eléctrico de calidad. 

A diferencia de lo ocurrido con el factor de potencia, a día de hoy no existen penalizaciones por problemas relacionados con la presencia de armónicos en las redes de los consumidores de energía eléctrica.

A nivel de ahorro, pese a que se ha comentado que los armónicos hacen aumentar la corriente eficaz y ello implica un aumento del consumo energético, no es razonable implementar soluciones de filtrado de armónicos con el fin de reducir las pérdidas adicionales, ya que el equipamiento requerido para tal finalidad comporta un consumo que probablemente no supondrá un ahorro.

Entonces, ¿con qué fin se debe minimizar la presencia de armónicos en nuestras instalaciones?

La respuesta a esta pregunta reside en las ventajas de disponer de energía eléctrica de calidad circulando por nuestro sistema eléctrico:

Evitar disparos innecesarios en las protecciones y garantizar el buen funcionamiento de los equipos contribuirá a mantener continuidad en el servicio, esencial en toda actividad industrial.

El hecho de mantener las tasas de distorsión en niveles reducidos permitirá lograr ahorros notables en mantenimiento de los equipos, asegurando que éstos siempre trabajan en condiciones óptimas y evitando averías prematuras que afectarán tanto a la continuidad en el servicio como al impacto económico de reparaciones o sustituciones.

Además de estas consideraciones, hay que entender la seguridad en las instalaciones eléctricas como una prioridad, sobre todo teniendo en cuenta la presencia de personal en interacción con maquinaria y la prevención de accidentes graves como incendios. 

En este sentido, disponer de cableado y equipos correctamente dimensionados para las condiciones de trabajo resulta clave a la hora de minimizar fallos de aislamiento y sobrecalentamiento de componentes.

La propuesta de CIRCUTOR: Filtros activos AFQm

La última novedad de Circutor en materia de filtrado de armónicos llega con el lanzamiento de los nuevos filtros activos AFQm. La serie AFQ se renueva con más posibilidades gracias a un diseño modular ahora más compacto, más ligero, más eficiente y con la garantía de calidad funcional de su antecesor AFQevo.

El principio de funcionamiento del filtro AFQm es la inyección de corrientes en contrafase a las corrientes armónicas circulantes en la red. 

El equipo mide la tasa de distorsión que llega y la compensa para obtener el mejor ajuste posible a una onda senoidal ideal, como ilustra la figura a continuación:

 Principio de funcionamiento de un filtro activo 

De esta forma se consigue un filtrado de alta precisión, contribuyendo a mantener un suministro eléctrico de calidad, que repercutirá en una mayor eficiencia y un mejor funcionamiento global de los elementos en la instalación, como se ha detallado en puntos anteriores de este artículo.

Debido a la elevada presencia de armónicos en las instalaciones eléctricas de la actualidad, los filtros activos AFQm tienen cabida en multitud de aplicaciones, especialmente en aquellas industrias en las que una alta calidad de la forma de onda sea indispensable. 

Características del filtro activo AFQm

Multifuncional

AFQm elimina los armónicos y cuida la calidad de suministro en tu instalación

Filtro activo multifunción, con selección prioritaria entre las siguientes tareas:

• Filtrado de corrientes armónicas

• Equilibrado de fase

• Compensación de potencia reactiva.

Práctico

Instalación rápida y puesta en marcha en pasos sencillos

Basta con realizar las conexiones a la red del filtro y los transformadores de medida, configurar el equipo a través de su pantalla táctil y proceder a su puesta en marcha. El propio equipo se cerciorará de que el arranque se puede realizar con seguridad gracias a un sistema de auto-diagnosis interno. 

Interactivo

Su display a color permite tanto configurar el equipo como visualizar el estado de la instalación en tiempo real

• Configuración del equipo de forma cómoda con un proceso guiado y claro. Para conseguir un funcionamiento óptimo del equipo es posible seleccionar individualmente los armónicos a filtrar.

• Solución de errores de conexionado: Ante un problema común como es la conexión errónea de los transformadores de medida, solamente se necesita acceder al menú configuración para corregirlo en pocos clics.

• Visualización en tiempo real: A través de la pantalla táctil también es posible visualizar en tiempo real el estado del filtro, las lecturas de los principales parámetros eléctricos, los diagramas fasoriales, formas de onda y el espectro de armónicos. La información se presenta de forma muy visual al usuario mediante gráficas y diagramas, para un reconocimiento instantáneo del comportamiento de la instalación y del equipo. En este sentido, el equipo proporciona información de los 5 segundos anteriores a la activación de una alarma para un control total sobre el estado de la instalación.

Modular

Encuentra la combinación que mejor encaja con tus necesidades de filtrado 

La gama compacta AFQm consiste de 3 modelos de instalación en mural: 30A, 60A y 100A. En comparación con el modelo predecesor, los nuevos filtros activos son ahora más compactos, más ligeros y más silenciosos, y posibilitan un mayor número de combinaciones. Para instalaciones con necesidades de mayor capacidad de filtrado, se pueden instalar modelos de 100A en una disposición tipo armario, logrando armarios de hasta 400A. En este tipo de configuraciones, solamente uno de los módulos actuará de master, siendo este mismo el encargado de la gestión global del sistema de filtrado. 

De este modo, se consigue un ahorro significativo en transformadores de medida y en cableado eléctrico, requiriendo únicamente 3 transformadores de medida conectados al master y el cableado del bus CAN entre los módulos slave. En casos con una demanda de filtrado aún mayor, la función master-slave se puede extender hasta 100 unidades conectadas en paralelo.

Comunicable

Gestiona el equipo estés donde estés a través de PC o dispositivos móviles 

AFQm incorpora comunicaciones Ethernet TCP/IP y Modbus TCP para una monitorización on-line a través de página web, desde la cual se pueden extraer datos en formato Excel por descarga directa (sin necesidad de software). Además, posibilita configurar el equipo de forma completa, con todas las funcionalidades de la configuración por pantalla, y permite realizar un seguimiento del estado del filtro en tiempo real y a distancia.

A modo de ejemplo, se podría poner el equipo en marcha a distancia, con personal in-situ solamente responsable de la instalación física del filtro, y realizar las tareas como la supervisión de forma remota. Así estaremos consiguiendo ahorrar en costes de desplazamiento de personal técnico al lugar de instalación, destinando este tipo de recursos cuando sea estrictamente necesario.

Trazable

Todos las lecturas quedan registradas en la memoria del equipo para no perderte ningún detalle 

El filtro almacena lecturas con una periodicidad de un minuto y capacidad para 7 años de registro de datos gracias a su memoria interna de 2 Gb. Dichos registros podrán ser recuperados mediante comunicaciones para un análisis en profundidad del comportamiento de la instalación.

Seguro

El equipo integra todos los sistemas enfocados a minimizar sus necesidades de mantenimiento 

AFQm dispone de una serie de sistemas que se encargan de garantizar la seguridad del filtro en funcionamiento:

• Sistema de protección para evitar el arranque si existe algún problema

• Sistema anti-resonancia: el equipo evita trabajar en frecuencias concretas en las que detecta resonancia

• Sistema de gestión térmica inteligente: regulación de la velocidad de los ventiladores y regulación de la potencia en condiciones de temperaturas elevadas

• Activación del modo seguro en caso de detección de fallo

• El equipo realiza tareas de autodiagnóstico del código y el hardware que lo ejecutan.