Las armónicas

La distorsión de la forma de las ondas de corriente y voltaje debida a las armónicas es uno de los fenómenos que afectan la confiabilidad del sistema y, por lo tanto, la calidad de la energía. Este problema no es nuevo, sin embargo, debido al notable incremento de cargas no lineales conectadas al sistema eléctrico de potencia, el nivel promedio de armónicas crece cada día.

Una armónica, en redes eléctricas, es definida como una frecuencia múltiplo de la frecuencia fundamental, así, en sistemas con frecuencia de 60 Hz y cargas monofásicas, las armónicas características son la tercera (180 Hz), quinta (300 Hz) y séptima (420 Hz).

Como en los sistemas eléctricos se tienen señales periódicas, entonces el voltaje, por ejemplo, se puede representar por la siguiente figura:

Usualmente, los valores de distorsión están definidos en porcentajes de cantidades eléctricas, estos valores son muy utilizados para conocer el grado de contaminación de las redes eléctricas. Los tipos de distorsión que se manejan son:

Distorsión armónica total (TDH),que se puede calcular tanto para el voltaje como para la corriente, y para armónicas individuales (IHD).

Distorsión total de demanda (TDD), similar a la anterior, con la diferencia de que el % de la anterior es con respecto a la I₁ y para la TDD es con respecto a la I_dem-max

Interferencia telefónica (TIF), es una medida de la susceptibilidad del oído humano al ‘ruido’ del sistema telefónico, este TIF se obtiene de una curva llamada C-message, obtenida en los laboratorios Bell. Se debe a la aparición de las armónicas de corriente y de voltaje.

Factor K, en la gran mayoría de los casos, cuando un transformador alimenta cargas no lineales, se sobrecalienta, aun cuando no ha alcanzado sus kVA nominales. Se estima que el calentamiento de los transformadores debido a las armónicas es directamente proporcional al cuadrado de la armónica multiplicado por las pérdidas que ésta produce. Este factor K viene especificado en los datos de placa de algunos transformadores, indicando la capacidad del transformador para alimentar cargas no lineales sin exceder la temperatura de operación a la cual están diseñados. Los factores K más comunes de transformadores son de 4 y 13, son utilizados para alimentar cargas que utilizan rectificación principalmente.

En la actualidad, las normas internacionales referentes al control de armónicas son las siguientes:

IEC 36.05 (EUROPA)

DIN 57160 (ALEMANIA)

G 5/3 (INGLATERRA)

AS 2279 (AUSTRALIA)

La tendencia en México, impulsada por CFE, es seguir las recomendaciones expuestas en el Estándar 519 del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE, por sus siglas en inglés), cuyo título es “IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems”. Son las siguientes:

Límites de distorsión de corriente para sistemas de 120 V a 69 kV (Máxima corriente de distorsión en % de I_L para armónicas impares)

Límites de distorsión de corriente para sistemas de 69 001 V a 161 kV (Máxima corriente de distorsión en % de I_L para armónicas impares)

Límites de distorsión de corriente para sistemas mayores a 161 kV (Máxima corriente de distorsión en % de I_L para armónicas impares)

La generación de armónicas se debe a elementos no lineales como elementos saturados y elementos que utilizan componentes de switcheo, tales como rectificadores y cualquier otro que utilice dispositivos electrónicos.

Ver también: 8 disturbios que afectan la calidad de la energía

Algunos casos en los que se generan armónicas en la industria son:

1. en convertidores;
2. en hornos de inducción;
3. en compensadores estáticos de potencia;
4. en hornos de arco eléctrico.

Otros casos de interés son los siguientes:

Saturación de transformadores. La saturación de transformadores crea armónicas, pues se trata de un elemento no lineal. Las originadas por la saturación son las armónicas impares, principalmente la tercera. La generación de estas armónicas se presenta en estado estable cuando el transformador está sobrecargado, provocando que el transformador opere en su región no lineal como se muestra en la siguiente figura:

Otro de los momentos más comunes de generación de armónicas en el transformador es cuando se energiza. Durante este fenómeno transitorio, abundan las armónicas pares e impares y puede llegar a durar hasta algunos minutos. Este fenómeno se explica gráficamente a continuación:

Lámparas fluorescentes. Las lámparas fluorescentes son otro tipo de cargas que generan armónicas, estas armónicas son generadas por el efecto de los balastros y los dispositivos no lineales y electrónicos que utilizan para su funcionamiento.

Como se puede observar, las lámparas fluorescentes y todas las ahorradoras son una fuente importante de armónicas que en conjunto (por ejemplo, en el alumbrado público) pueden acarrear grandes problemas por la magnitud de estas armónicas, en las cuales predomina la tercera.

Equipo de cómputo. El equipo de cómputo y en general el equipo de oficina funcionan mediante una fuente de alimentación, la cual es un puente rectificador con la característica natural de generar armónicas.

Equipo doméstico. El equipo doméstico en la actualidad es electrónico, consecuentemente es fuente de armónicas, la tabla de la derecha lo ilustra:

Una casa habitación de clase media genera armónicas, si sumamos todas las corrientes provenientes de un fraccionamiento o colonia que van a dar a los alimentadores, tendremos una idea de cuán expuestos están a transportar este tipo de corrientes, principalmente la tercera armónica.

Más aún, como vimos en los ejemplos, las armónicas se encuentran prácticamente en todos los niveles. De su propagación y comportamiento en las redes eléctricas depende en gran manera la calidad de la energía, por ello, aunque es un tema un tanto abstracto, nos dimos a la tarea de darte esta breve introducción.