Definición de los armónicos eléctricos
Los armónicos eléctricos son componentes de frecuencia que aparecen como múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Se producen, sobre todo, por cargas no lineales en la red y pueden distorsionar la tensión y la corriente.
Puntos clave sobre los armónicos eléctricos
- Los armónicos eléctricos aparecen como múltiplos enteros de la frecuencia fundamental.
- Las cargas no lineales y la electrónica de potencia pueden distorsionar la corriente y la tensión.
- Los dispositivos de medición de la calidad de la energía descomponen las señales en componentes de frecuencia.
- Entre los efectos relevantes se encuentran las perturbaciones CEM, el calentamiento adicional, las averías y las desviaciones de medición.
Causas de las perturbaciones y de los armónicos en la red eléctrica
El cambio en la tecnología energética
Para aprovechar mejor la energía, hoy en día se utilizan muchos sistemas con electrónica de potencia. Por ejemplo, un motor asíncrono se sustituye a menudo por un accionamiento con convertidor de frecuencia. Además, muchos aparatos utilizan fuentes de alimentación conmutadas en lugar de transformadores.
A diferencia de la tecnología antigua, muchos equipos modernos ya no absorben una corriente sinusoidal de la red. Por ello, los dispositivos de medición de la calidad de la energía descomponen esta corriente en su espectro de frecuencias. Así, en la medición de la calidad de la energía, las perturbaciones se clasifican por frecuencia. Además, se distinguen armónicos, interarmónicos y, más recientemente, supraarmónicos.
Los armónicos eléctricos se definen como múltiplos de la fundamental. Por ejemplo, 250 Hz corresponden al 5.º armónico con una fundamental de 50 Hz. Si una frecuencia se sitúa entre dos múltiplos enteros, se habla de una frecuencia intermedia o interarmónica. En la medición de la calidad de la energía, los interarmónicos de un rango suelen resumirse en un valor. Por ejemplo, las frecuencias entre >350 Hz y <400 Hz se incluyen en el 7º interarmónico.
Sinónimos y términos relacionados
En electrotecnia, a menudo se utilizan términos sinónimos para describir los armónicos:
- Armónico
- Armónico de red
- Corriente armónica
Importancia de los armónicos en relación con la CEM
Los armónicos eléctricos son frecuencias no deseadas que se superponen a la forma de onda fundamental. Como resultado, se crea una onda distorsionada. Estas distorsiones pueden provocar interferencias electromagnéticas (IEM) y perjudicar la compatibilidad electromagnética (CEM). Además, pueden afectar a la eficiencia y a la vida útil de dispositivos y sistemas eléctricos.
La norma CEM IEC61000-2-2 define los requisitos para la red pública actual. Además, sus valores límite hasta 150 kHz ayudan a evaluar los niveles de interferencia en el punto de conexión. La tecnología de medición adecuada puede demostrar si una fuente introduce demasiadas perturbaciones en la red. Si el nivel sigue por debajo del límite, la inmunidad a las interferencias puede ser demasiado baja. En cambio, si se supera el límite, la fuente de la interferencia probablemente genera una realimentación excesiva en la red.
Causas y efectos
Los armónicos eléctricos en la red de CA son ondas con frecuencias superiores a la frecuencia fundamental. Por tanto, distorsionan la onda sinusoidal de corriente y tensión. Además, estas distorsiones se expresan en porcentaje y se denominan distorsión armónica total (THD). Así, el valor describe la relación entre armónicos de corriente o tensión y frecuencia fundamental. Normalmente, se toma como referencia la frecuencia fundamental de 50 hercios.
En las redes eléctricas modernas, estas fuentes pueden generar perturbaciones en los siguientes rangos de frecuencia:
- Variador de frecuencia: 4 kHz a 20 kHz
- Inversor solar (400 V): 16 kHz a 22 kHz
- Central eólica (red de MT): 2 kHz a 6 kHz
- Punto de recarga para vehículos eléctricos: 10 kHz a 80 kHz
- Filtros de red activos: 8 kHz a 20 kHz
- Sistemas SAI: 15 kHz a 25 kHz
- Luminarias con balasto electrónico: 20 kHz a 200 kHz
- Fuentes de alimentación conmutadas: 30 kHz a 300 kHz
En resumen, los armónicos son un factor crítico para el suministro eléctrico y la compatibilidad electromagnética. Los consumidores y los alimentadores pueden generar distorsiones de tensión en la red. Además, los armónicos se relacionan con la frecuencia fundamental de la onda sinusoidal. También se describen mediante términos como interarmónicos o supraarmónicos. Por ello, sus efectos sobre la eficiencia y la estabilidad de las redes no deben subestimarse.
Serie de vídeos actual
Medición y análisis de la calidad eléctrica para detectar armónicos, transitorios, flicker y asimetrías de tensión.
Cambios en la tecnología energética - Parte 1
Este artículo, escrito en colaboración con el portal Schutztechnik.com, trata los cambios actuales en la tecnología energética. Además, examina las perturbaciones de red y su impacto en los dispositivos de medición actuales.
Cambios en la tecnología energética - Parte 2
Las normas desempeñan un papel fundamental en las mediciones de la calidad de la energía. Por ello, también deben adaptarse a las nuevas condiciones de la tecnología energética. En el segundo artículo de la serie, analizamos las normas actuales de calidad eléctrica. Además, explicamos cómo pueden interpretarse frente a altas frecuencias de conmutación.
Mediciones de la calidad de la energía:
El conductor N y los armónicos
En las mediciones de calidad eléctrica, los armónicos impares pueden superar los valores permitidos. Esto afecta, por ejemplo, al 15.º, 21.º y 27.º armónico. Pero ¿qué son los armónicos y cómo se producen? Además, ¿qué influencia tienen en el conductor neutro? Este artículo aborda estas cuestiones.
Mediciones de la calidad de la energía:
El tercer armónico
El informe «El conductor neutro y los armónicos» ya explica las características de los armónicos divisibles por 3. También muestra por qué se suman en el conductor neutro. Este informe de aplicación lo ilustra con una medición típica en la red. Además, muestra aspectos relevantes para las mediciones de calidad eléctrica. El caso descrito trata problemas en un edificio de oficinas.
Cuatro formas de medir la corriente
En este vídeo se examinan distintos métodos para medir la corriente. Primero, se muestra cómo se miden las corrientes con analizadores de potencia y pinzas amperimétricas. Después, se comparan shunts, pinzas de corriente, sensores de efecto Hall y bobinas Rogowski. También se abordan posibles errores de medición.
Determinación del ángulo de los armónicos de tensión y corriente
¿Quién causa los armónicos, el cliente o la empresa de suministro energético? ¿Y es posible determinar la dirección de los armónicos? Jürgen Blum, director de producto de PQMobil e inventor de la PQ-Box de A. Eberle, responde a estas preguntas en este vídeo.
Cos ϕ frente a factor de potencia λ - Teoría
Este informe técnico analiza la diferencia entre el factor de potencia y el coseno phi. Antes, el coseno phi se entendía a menudo como la relación entre potencia activa y aparente. Hoy, en cambio, su significado puede ser diferente para muchos consumidores. Por tanto, también cambia la forma de calcular el factor de potencia.
Cos ϕ frente al factor de potencia λ - Práctica
Este segundo informe técnico complementa el artículo sobre Cos ϕ frente al factor de potencia. Se centra en la potencia reactiva y, en particular, en la potencia reactiva de distorsión. En el ejemplo, se miden en línea la tensión y la corriente de una lámpara incandescente. Para ello, se utiliza un analizador de redes PQ-Box 200. Así se ilustran los diferentes tipos de potencia reactiva.
Consejos y trucos 1 - Cómo utilizar los dispositivos de medición de la calidad eléctrica y errores típicos de aplicación
Este artículo ofrece consejos prácticos para realizar mediciones de calidad eléctrica. Además, explica qué errores de conexión pueden aparecer. También muestra qué aspectos deben revisarse antes de usar un dispositivo de medición. Por último, compara un equipo móvil con un analizador instalado permanentemente.
Consejos y trucos 2 - Errores típicos de aplicación
Este tema está dividido en dos entradas (Consejos y Trucos Parte 1 y Parte 2). Esta es la parte 2.
Tipos de armónicos
¿Cuándo una onda es armónica y cuándo no?
Los armónicos son ondas que se producen por encima o por debajo de la frecuencia fundamental. Existe una oscilación armónica si el movimiento corresponde a un movimiento circular uniforme proyectado. Además, puede describirse mediante una función seno o coseno. Una oscilación también puede considerarse armónica si la fuerza de retorno es proporcional a la desviación. Estas condiciones definen cuándo una oscilación se considera armónica desde un punto de vista físico.
En cambio, las vibraciones no armónicas no cumplen estas condiciones. No presentan un movimiento circular uniforme. Además, la fuerza de retorno no es proporcional a la desviación. Otros tipos de contaminación de la red también pueden detectarse con una tecnología de medición adecuada.
Los transitorios son picos breves y repentinos de tensión o corriente. Se producen, por ejemplo, por rayos, maniobras de conmutación o cambios bruscos de carga. Por tanto, pueden perturbar o dañar dispositivos electrónicos.
El flicker describe fluctuaciones rápidas y repetidas de la tensión de red. Como consecuencia, la iluminación puede parpadear. Estas fluctuaciones suelen deberse a cargas periódicas, por ejemplo durante la soldadura.
Las asimetrías de tensión se producen cuando la tensión no se distribuye de forma uniforme en una red trifásica. Esto puede cargar las fases de manera desigual y provocar sobrecalentamiento. Las causas pueden ser cargas mal repartidas, transformadores defectuosos o fallos de cableado.
Primer, segundo, tercer y n-ésimo armónicos
La forma de onda fundamental se denomina primer armónico. El primer armónico tiene la misma frecuencia que la fundamental. El segundo armónico tiene el doble de frecuencia. La frecuencia del tercer armónico es tres veces superior. Esto continúa hasta el n-ésimo armónico, cuya frecuencia es n veces la frecuencia fundamental.
Origen y efectos de los armónicos
¿Cómo y dónde se producen los armónicos?
Los armónicos eléctricos se producen por equipos y dispositivos no lineales. Estos distorsionan la forma sinusoidal de la corriente y la tensión. En teoría, la tensión eléctrica debería seguir una curva sinusoidal perfecta. Sin embargo, esta curva ideal casi no se encuentra en la práctica actual.
Causas de los armónicos
- Equipos no lineales: Aparatos como transformadores y lámparas fluorescentes tienen una curva característica no lineal que provoca oscilaciones armónicas.
- Equipos electrónicos de potencia: Los rectificadores, triacs y tiristores generan oscilaciones no armónicas que perturban la red.
- Fuentes de alimentación conmutadas: Son habituales en televisores, ordenadores e iluminación halógena. Además, generan corrientes que pueden producir corrientes armónicas y distorsiones de tensión.
Estos factores alteran el consumo lineal de corriente y dan lugar a armónicos. Además, este problema se conoce desde los primeros tiempos de las redes de distribución eléctrica. Sin embargo, el uso creciente de convertidores de frecuencia aumenta estas distorsiones en equipos modernos.
¿Cuáles son los efectos negativos de los armónicos? ¿Qué riesgos se derivan?
Los armónicos pueden tener importantes efectos negativos en las redes eléctricas y los aparatos conectados a ellas. He aquí algunos de los problemas y riesgos más importantes:
Calentamiento adicional
Los armónicos pueden provocar calentamiento adicional en motores y generadores. Como consecuencia, la vida útil y la eficiencia de los equipos pueden disminuir.
Acortamiento de la vida útil
Dispositivos como las bombillas pueden desgastarse más rápidamente debido al aumento de la temperatura del filamento. Las vibraciones armónicas pueden acortar considerablemente la vida útil de los dispositivos eléctricos.
Averías y sobrecargas de los dispositivos
Las lámparas fluorescentes y sus condensadores pueden verse perturbados por armónicos. Además, pueden producirse sobrecargas, averías y fallos de funcionamiento.
Destrucción de dispositivos
Los picos de corriente de entrada elevados pueden provocar un desplazamiento del punto neutro. Por tanto, algunos dispositivos pueden dañarse o destruirse, especialmente en sistemas trifásicos de CA.
Averías y daños
Los armónicos pueden desplazar los pasos por cero y generar múltiples pasos por cero. Esto puede afectar a convertidores de potencia, dispositivos de sincronización y dispositivos de conmutación en paralelo.
Deterioro de los dispositivos de protección y medición
Los armónicos pueden afectar a dispositivos de protección, por ejemplo la protección de distancia o diferencial. También puede verse afectada la precisión de los contadores de inducción.
Deterioro funcional de los receptores de telemando centralizado
Los armónicos pueden afectar a los receptores de telemando centralizado. Por tanto, pueden producirse fallos de funcionamiento y averías.
Mal funcionamiento de los sistemas informáticos
Los armónicos pueden causar perturbaciones importantes en sistemas informáticos. Entre ellas se incluyen fallos operativos, caídas del sistema, defectos de interfaz, pérdidas de rendimiento y problemas de datos.
En resumen, los armónicos suponen un riesgo para la estabilidad y eficiencia de redes y equipos. Pueden provocar calentamiento adicional, acortar la vida útil y causar averías. Por ello, es importante reducir y controlar los armónicos. Así se protege la calidad de la energía y la seguridad de funcionamiento.
FAQ - Preguntas frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre armónicos, interarmónicos y supraarmónicos?
Los armónicos son múltiplos enteros de la fundamental. En cambio, los interarmónicos se sitúan entre estos múltiplos, mientras que los supraarmónicos aparecen en rangos de frecuencia más altos.
¿Qué son los armónicos eléctricos?
Los armónicos eléctricos son componentes de frecuencia que aparecen como múltiplos enteros de la frecuencia fundamental.
¿Cuáles son las causas de los armónicos eléctricos?
Suelen estar causados por cargas no lineales y electrónica de potencia, por ejemplo variadores de frecuencia, inversores, sistemas SAI o fuentes de alimentación conmutadas.
¿Por qué son importantes los armónicos eléctricos?
Pueden distorsionar tensión y corriente y afectar a equipos eléctricos.
¿Cómo se miden los armónicos eléctricos?
Se miden con equipos de medición de calidad de la energía.
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